力學計量技術(shù)標準裝置的現(xiàn)狀及發(fā)展探討

卓秋霖

【摘 要】力學計量技術(shù)裝置是力學研究和工業(yè)生產(chǎn)的基礎。本文探討了力學計量技術(shù)標準裝置應用現(xiàn)狀以及未來發(fā)展趨勢，進而為后續(xù)的各項工作指明了方向。

【關(guān)鍵詞】標準裝置;力學計量;現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢;

1 前言

力學計量是工業(yè)生產(chǎn)、科學技術(shù)研究的基礎，是推動力學發(fā)展的重要基礎保障。力學計量技術(shù)起源于牛頓經(jīng)典力學理論，在科研人員不斷的推動下，我國已經(jīng)逐漸完成了力學計量體系的建立。并且，隨著自動化技術(shù)、信息數(shù)字化技術(shù)、圖像處理技術(shù)、圖像現(xiàn)實技術(shù)、智能化技術(shù)等現(xiàn)代化科學技術(shù)的發(fā)展，我國力學計量體系逐漸向高端計量水平發(fā)展。通過學習、消化、再創(chuàng)新的方式，與國家新型計量平臺一同建立了精密度更高的計量標準裝置，打造國際化先進力學計量體系。在此，筆者針對目前國內(nèi)外力學計量技術(shù)標準裝置的研究

2力學計量技術(shù)標準裝置現(xiàn)狀

1、靜重式力基準機、標準機

一種典型的凈重式力基準機、標準機如圖1所示，其工作原理是使用砝碼作為基、標準負荷力值。通過計算機控制系統(tǒng)微小、平穩(wěn)的將砝碼負荷施加到被檢測力儀上。這種標準裝置發(fā)揮了砝碼的穩(wěn)定特性，適得其準去度高于其他標準裝置。在使用過程中，為了提高標準裝置的精密度，還要考慮空氣浮力作用以及不同維度重力場加速度差異對負荷力的影響。對于質(zhì)量為m的砝碼，在不同重力場下，有空氣浮力影響的負荷力值F可以表述為：

從負荷力值的計算公式來看，這種標準裝置的不確定度引入來源主要為砝碼質(zhì)量的不確定度、標準裝置工作環(huán)境中空氣密度檢測的不確定度、標準砝碼密度檢測的不確定度以及標準裝置工作地點重力加速度檢測的不確定度。

2、杠桿式力標準機

一種典型的桿式力標準機如圖2所示，其工作原理基于靜電力學的杠桿原理，在裝置運行中保持等臂杠桿系統(tǒng)平穩(wěn)，此時杠桿兩端力矩相等，根據(jù)一端已知砝碼的質(zhì)量實現(xiàn)對被檢測力儀力值的計量。復現(xiàn)力值F的表達公式為：

其中， 為復現(xiàn)力值，單位N; 為標準砝碼質(zhì)量，單位kg; 為工作地點對應的重力場加速度，單位 ; 為外界環(huán)境實施空氣密度，單位 ; 為標準砝碼的密度，單位 ;k為杠桿的放大比。

從復現(xiàn)力值的計算公式來看，這種標準裝置的不確定度引入來源與靜重式力基準機、標準機不確定來源相似，此外還包括了杠桿比檢測的不確定度。

3、液壓式力基準、標準機

一種典型的液壓式力基準、標準機如圖3所示，其工作原理是基于帕斯卡原理，在密閉液體裝置中通過兩個面積不同的無機械摩擦缸塞進行壓強比的計量，再以砝碼作為基準準實現(xiàn)對被檢測力儀力值的計量（如圖4所示）。復現(xiàn)力值F的表達公式為：

其中， 為復現(xiàn)力值，單位N;W為砝碼的重力，單位N; 為測力活塞及其掛吊的重力，單位N; 為測力儀平衡重塊的重力，單位N; 為工作缸塞的有效面積，單位 ; 為測力缸塞的有效面積，單位 ;H為測力活塞與工作活塞底面的高度差值，單位 ; 為工作介質(zhì)的密度，單位 ; 為工作活塞及其方向器的重力，單位N; 為測量儀的重力，單位N;

這種類型測力儀的放大系數(shù)要遠遠高于杠桿式測力儀，經(jīng)常被計量機構(gòu)應用在大量程力的檢測。

4、疊加式力標準機

一種典型的液壓式力基準、標準機如圖5所示，其工作原理去上述三種測力儀不同，使用相對比較的測力方法代替絕對測力方法，它是由一組或者一個標準測力儀和標準力傳感器組成。通過適當?shù)脑O備，標準測力儀與被檢測儀串聯(lián)，使用液壓或者機械方式施加負荷力，根據(jù)標準力傳感器的標準值和被檢測力儀讀數(shù)來計量被檢測力儀的力值計量。工作原理如圖6所示。

疊加式力標準機計量結(jié)果的不確定度引入主要來源于標準測力儀的性能參數(shù)、被檢測力儀與標準測力儀的連接方式、加荷機構(gòu)性能等。

3力學計量技術(shù)標準裝置發(fā)展趨勢

1、自動化方向

數(shù)據(jù)采集技術(shù)、光電技術(shù)、圖像顯示技術(shù)、高速通信技術(shù)的開發(fā)應用，為力學計量標準裝置的開發(fā)注入了全新的活力，已經(jīng)成為了其今后發(fā)展的重要方向。引入自動化系統(tǒng)的力學計量標準裝置測量結(jié)果更加準確、工作效率更高、耗時更短，也可以消除人為因素所導致的計量誤差。

2、計量限值向兩端延伸

受到測量原理、儀器構(gòu)件的閑置，力學計量標準裝置的計量范圍限定在一定范圍內(nèi)。目前隨著力學計量范圍要求的增加，我國相關(guān)技術(shù)人員必須對計量范圍增加做技術(shù)攻關(guān)，做到計量裝置發(fā)展與時俱進。目前，先進的力學計量技術(shù)標準裝置計量范圍兩端極值在1N微小力值和10MN超大力值研究上。

3、結(jié)合激光與傳感器技術(shù)

基于多普勒效應、光電效應以及壓阻效應等技術(shù)原理，充分融合先進的傳感器技術(shù)，開發(fā)精密度更高的力學計量標準裝置，減少測量結(jié)果的誤差。同時，借助正弦逼近等數(shù)據(jù)處理方式，降低儀器測量的不確定度。

4 結(jié)論

綜上所述，傳統(tǒng)的力學計量技術(shù)標準裝置為我國工業(yè)發(fā)展、科學技術(shù)研究提供了必要的支撐條件。隨著信息化、智能化、自動化、高速通信化等現(xiàn)代化技術(shù)發(fā)展，計量機構(gòu)科研人員必須更好的將這些高新科技與力學計量技術(shù)標準裝置結(jié)合起來，進一步提升我國力學計量標準體系水平。

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（作者單位：貴州航天計量測試技術(shù)研究所）