叠加式力标准机的长期稳定性与准确度

高富荣，谭洪辉，黄振宇

（广东省计量科学研究院，广东 广州 510405）

1 引 言

力标准机是产生标准力值用于检定、校准测力仪（或称重传感器）且符合国家计量技术法规的机器。力标准机通常有四种类型：静重式、杠杆式、液压式和叠加式。叠加式力标准机（简称叠加机或BM）是用一个或一组（通常为三个）比被检定的测力仪准确度高的标准测力仪作为标准，与被检测力仪串联，以液压或机械方式施加负荷，采用比较测量方法的力标准机。近年来，随着力传感器技术发展，叠加机得到了越来越多的应用[1-5]，但对于叠加机计量性能的评价方法，有值得讨论之处。

2 叠加式力标准机的准确度

叠加机主要由参考标准、力加载机构（又称力源）、控制系统三大部分组成。参考标准由一个或一组的高准确度测力仪构成，并事先在力基准机或者上一级的力标准机上完成标定。工作时，力源对参考标准和被检测力仪（或传感器）同时加载，由于两者受力串联，承受同一载荷。载荷大小由参考标准的输出确定，当输出达到由基准或上一级标准标定的定度值时，所施加的载荷为一标准力值，控制加载机构将该力值保持稳定，并记录下被检测力仪的输出。逐级加载和卸载，即可完成对被检测力仪的检测。

从组成结构上分析，影响叠加机力值准确度的因素主要有参考标准力传感器的技术特性（包括零点输出、零点飘移、重复性、直线度、滞后、长期稳定性、蠕变、输出温度影响等）、力源的刚性和压向工作台的水平度等。

根据叠加机的工作原理，它的力值数据由所使用的参考标准给出，而参考标准必须先在国家力基准机上进行定度才能使用，叠加机的输出数据实际上是参考标准定度的结果，即其量值溯源到国家基准。另一方面，叠加机的机架及加载机构在通常状态下能够保持很好的稳定性，不会突然出现影响整机计量性能的失效情况。因此，在首次校准后，叠加机的计量准确度主要取决于参考标准传感器的技术特性，尤其是传感器的长期稳定性。

需要强调的是，在考核参考标准的长期稳定性时，所采用的数据必须是未经修正的结果。如JJG 144-2007《标准测力仪检定规程》[6]所述，当直接使用传感器的输出信号时，无法通过数学方法对数据进行修正，在此前提下考核其长期稳定性才具有实际意义。反之，当传感器使用力值单位（如N、kN）时，若在重新校准后对定度数据或拟合公式进行了修正，则此时无论是考核其长期稳定性还是示值误差，都无法真实反映传感器的性能，也就无法保证叠加机的准确度。

评价叠加机力值准确度的方法主要有直接法和间接法两种。其中，直接法是根据叠加机所使用的参考标准传感器的计量特性对整机的力值准确度进行评价；间接法则是通过更高准确度的传递标准对叠加机进行检定或校准，根据检定或校准的结果评价其力值准确度[7]。这两种方法在JJF 1094-2002《测量仪器特性评定》分别称为分部法和比较法[8]。JJG 734-2001《力标准机检定规程》中规定的力标准机检定方法即属于间接法[9]，其中对于叠加机力值误差的定义与检定方法，没有从其他类型中独立出来。根据以上的讨论，可考虑对叠加机的长期稳定性和准确度进行单独规定。

3 叠加式力标准机长期稳定性考核实例

建立在广东省计量科学研究院的3MN叠加机，由广东省计量科学研究院和中国测试技术研究院联合研制，是世界上首台大力值机械式力标准机。该标准机采用三台参考力传感器并联，对输出信号取和作为整机的输出结果。力标准机的主体采用了四根导向光柱固定上、下横梁和工作平台构成的高刚性框架结构。移动横梁由四根精密滚珠丝杠副传动，既可产生对下横梁工作平台的压向作用力，又可产生对上横梁的拉向作用力。加载机构分为粗加载系统和精加载系统两部分，粗加载系统利用伺服电机驱动减速机构，经同步带驱动四组蜗轮蜗杆及四根精密滚珠丝杠上的动横梁来完成对参考标准实施额定负荷90%的粗加载；精加载系统采用与参考标准同轴安装的压电陶瓷力发生装置，通过微机控制系统的程序控制，完成对参考标准实施额定负荷90%～100%范围内的精加载[1]。

在2006年8月利用直接法对该叠加机进行考核，通过1 MN力值国家基准（力值扩展不确定度为0.002%，k=3）对三台参考力传感器分别进行定度，并将定度数据取和作为该机的标准力值使用。在2007年3月再次利用直接法对该叠加机进行检定。两次实验的结果在表1中列出，比较两次实验结果可得，在该期间内叠加机的长期稳定性优于±0.01%。同时，根据实验数据估算该叠加机的力值相对扩展不确定度优于 0.03%（k=2）。

表1 用直接法评估得到的力值长期稳定性

另一方面，在2007年11月及2008年9月，使用在5 MN力基准机（力值扩展不确定度为0.03%，k=3）上检定合格的标准传感器，按照间接法对该3 MN叠加机进行了两次检定，两次实验得到的数据非常接近，在此只选取2008年9月的数据列于表2之中。此外，在2009年6月，使用三个在1MN力值国家基准上分别校准过的传感器并联组成传递标准，同样按照间接法对3MN叠加机进行了一次检定，结果也列入表2。将这三次实验结果与2007年3月的定度结果进行比较，若不考虑溯源至不同基准所造成的差异，则后面三次用间接法检定得到的结果与定度结果之间的差值，所反映的仍然是叠加机的长期稳定性。从表2的数据可以看出，从2007年3月至2009年6月期间，该叠加机的长期稳定性优于±0.02%。

表2 用间接法评估得到的力值长期稳定性

根据以上实验结果作出图1，表明该台3MN叠加机在接近三年的时间内具有优秀的长期稳定性。综合其他性能指标[1]，可以确定该叠加机的准确度达到了0.03级。

此外，综合以上的讨论及实验结果可知，由于叠加机的力值是通过对参考标准传感器进行定度得到的结果，因此无论用直接法还是间接法对其进行考核，所反映的都是其长期稳定性。但是，必须保证力标准机所使用的力值数据是未经调整或修正的，才能保证考核结果的有效性。

4 准确度优于0.03级的叠加式力标准机的量值溯源

根据JJG 2066-2006《大力值计量器具检定系统表》，力值范围在1MN以上的大力值力标准机，可溯源至5MN或20MN液压式大力值国家基准，力值的传递通过在力基准机上进行检定的标准测力仪实现，即采用间接法对力标准机进行考核[10]。但是，5MN力基准机和20 MN力基准机的力值扩展不确定度分别为0.03%和0.01%，按照检定系统表上的规定，通过这两台基准检定的标准测力仪准确度最高为0.03级，只能用于检定0.05级或以下级的力标准机。因此，0.03级或更高准确度的力标准机，无法通过这种方法溯源至5 MN或20 MN的大力值国家基准。量值溯源在一定程度上也成为了制约高准确度叠加机研制工作的瓶颈。

为解决高准确度大力值叠加机的溯源问题，可通过直接法在1MN力基准机上对叠加机所使用的参考标准进行检定或校准，实现量值溯源[11]。以3MN叠加机为例，将三个1MN参考力传感器分别在1MN静重式力基准机上进行校准，每个传感器校准结果的不确定度都可以优于0.01%。由于叠加机的参考标准由这三个传感器并联组成，考虑三个输出信号对合成输出影响的相关性，则参考标准的力值不确定度应等于三个力传感器各自的不确定度的平均值[7]，可达到0.01%的水平。再考虑传感器的长期稳定性、输出温度、内插误差的影响以及叠加机压向工作台水平度的影响，3MN叠加机的力值扩展不确定度可达到0.02%～0.03%（k=2）。采用以上方法，可在一定程度上解决准确度为优于0.03级的叠加机的量值溯源问题。

由于叠加机与其他形式的力标准机相比具有结构简单、成本较低、工作效率高的优点，解决高准确度叠加机的量值溯源问题，对于我国大力值计量体系的发展具有重要意义。例如，国际标准ISO 376：2004《金属材料 单轴试验机检验用测力仪的校准》中规定，用于检验试验机的标准测力仪可分为00级、0.5级、1级和2级四个等级，所需校准力的不确定度相应为0.01%、0.02%、0.05%和0.10%[12]。但是，目前我国的大力值计量器具检定系统中尚不存在0.02级的力标准机，若按照ISO标准的要求，则00级、0.5级的标准测力仪只能直接在基准上进行检定或校准，而对于1～5MN的范围，国家基准也不能达到不确定度优于0.02%的要求。在这种情况下，选择长期稳定性好、准确度高的力传感器并联的方案建立0.02级或0.03级的叠加式力标准机，并通过直接法在1MN静重式力基准机上进行量值溯源，是解决上述问题的一个有益思路。

5 结束语

叠加式力标准机的参考标准传感器对整机性能具有主要影响。在考核叠加机的性能时，应注意区分参考标准的长期稳定性和叠加机的力值误差之间的异同。采用直接法与间接法进行检定或校准，两种可互相印证。长远来看，对于叠加机计量性能的检定方法，可考虑单独编写检定规程。对于高准确度的叠加机，可以通过直接法溯源至静重式力标准机解决其量值溯源问题。

[1] 唐纯谦，高富荣，陈明华，等.3 MN叠加式力标准机的研制[J].中国测试技术，2008，34（2）：13-15，39.

[2]谢显奇.叠加式力标准机应用技术研究 [J].衡器，2002，31（6）：21-25.

[3] 丁跃清，王 刚，赵万星，等.基于两级液压动力系统的 2 MN叠加式力标准机的设计 [J].计量技术，2008，（4）：18-21.

[4] 丁跃清，王 东，王 刚，等.微机控制电液伺服力标准机的研究[J].计量与测试技术，2008，35（5）：1-2，5.

[5] 姚进辉，林建辉，池 辉，等.到6.7 MN/1 MN叠加式力标准机的建立与评估[J].中国计量，2009，（4）：58-60.

[6]JJG 114-2007，标准测力仪检定规程[S].北京：中国计量出版社，2007.

[7] 李庆忠，李海根，陈秋贤.计量比对理论与实践[M].北京：中国计量出版社，2009.

[8]JJF 1094-2002，测量仪器特性评定[S].北京：中国计量出版社，2002.

[9]JJG 734-2001，力标准机检定规程[S].北京：中国计量出版社，2001.

[10]JJG 2066-2006，大力值计量器具检定系统表[S].北京：中国计量出版社，2006.

[11]唐纯谦.力值计量标准现状及研究进展 [J].中国测试，2009，35（3）：11-16.

[12]ISO 376：2004，Metallic materials-calibration of forceproving instruments used for the verification of uniaxial testing machines[S].