力学计量技术标准装置的现状分析与发展方向

任怀峰 于大伟

【摘要】力学计量通过几十年的发展，已经建构了较为完善的计量体系。而近几年来，随着智能化技术、自动化技术、图像显示技术、微处理技术、数字化技术、光电技术、计算机技术等技术的高速发展，力学计量也有了新的发展，国内外已经建构了很多准确度高、量程宽的计量标准装置。基于此，本文就力学计量技术标准装置的现状与发展方向做了叙述，以期能够为相关工作者提供一点帮助。

【关键词】力学计量技术;标准装置;现状分析;发展方向

在计量学中力学是开展较早的一项领域，力学计量在国民经济发展过程中有着极为重要的作用，力学计量技术的理论基础来源于牛顿力学，力学计量通过几十年的发展，已经建构了较为完善的计量体系。而近几年来，随着各种高新技术的的飞速发展，力学计量也有了新的发展，国内外已经建构了很多准确度高、量程宽的计量标准装置。因此对其现状及发展方向进行积极研究有着极为重要的意义。

1.力值计量简述

力學计量技术标准装置其作为力值的具体传递标准，在上个世纪70年代之前，国际上主要使用百分表式测力仪和水银箱式测力仪，这两种测力仪准确度相对较低.随着科学技术的高速发展，很多的力基标准装置不断被建立，这些力基标准装置采用的主要结构形式有叠加式、杠杆式、静重式等，而我国在20实际70年代末依次建立了1MN以下的一些力基、标准装置，之后又建立了5MN、20MN、30MN力基、标准装置，而且对这些力基、标准装置的检定程序作了进一步完善，最终使得我国的力值量传体系也得到了很好的完善。

2.当前力值计量技术标准装置的发展现状

力值计量技术标准装置经过这几年的发展，比较成熟的有净重式、杠杆式、叠加式及力传感式动态校准等，这些力值计量技术标准装置具有各自的特征，以下对其进行详细叙述;

2.1 净重式

对于使用净重式的力值计量技术标准装置，主要有净重式基、标准测力机及净重式基、标准机，这些标准装置都是通过已经确定的砝码重力直接作为标准机的基、标准力值。利用特定的程序和仪器将其平稳的施加至要进行鉴定的测力仪上，这种标准装置，也可以说是一种直接加荷式测力机，因此一些研究者也将其称为直接加荷式基、标准测力机。在该测力机中，因为空气浮力必然会对其产生影响，因此对质量为m的砝码在整个重力场中所复现力值计数F表达如（1）式所示：

F=mg（1-ρa/ρw）                   （1）

在（1）式中F表示力值，单位为N;m为砝码的质量，单位为kg;g表示在该净重式基、标准测力机安装地点的重力加速度，单位为m/s2;ρa表示安装地点空气密度，单位为kg/m3;ρw表示砝码使用材料的密度，单位为kg/m3。对于这类净重式的力值计量技术标准装置，其测定力值的不准确性，主要是因为砝码质量不确定性、安装地点重力加速度不确定性及对空气密度和砝码本身密度的不确定性等造成的，另外，在测量过程中，还和机器本身负荷、构造、被测量物体加载方式及砝码本身稳定性存在很大的关系，而通常情况下，这类机器的不确定度要达到1×10-5。

2.2 杠杆式

对于使用杠杆式的力值计量技术标准装置，其主要是通过不等臂杠杆系统（复式或单级）对已经知道砝码重力做放大，进而获得标准力值，然后在要进行检定的测力仪上平稳的施加，对于其复现的力值F表达如（2）式所示：

F=kmg（1-ρa/ρw）                （2）

在（2）式中k表示杠杆放大比，及杠杆长壁长和杠杆短臂之间的比值;m为砝码的质量，单位为kg;g表示在该净重式基、标准测力机安装地点的重力加速度，单位为m/s2;ρa表示安装地点空气密度，单位为kg/m3;ρw表示砝码使用材料的密度，单位为kg/m3。对于这类杠杆式基、标准测力机，除了要考虑上述的净重式因素外，还要对杠杆比测量不确定性做考虑，其计量学性能和杠杆组合及构造方式、刀承和刀刃加工及构造质量有关，通常情况下，其力值不确定度要达到1×10-4。

2.3 叠加式

对于叠加式标准机和上述的两种测力机有很大的区别，它不再使用绝对的测量方法，而是使用相对比较的测量，通常是通过一组标准相对很高的测力仪来当做其标准，通过合适的装置，和要进行检测的测力仪进行叠置或串联之后，通过机械方式或者液压方式施加一定负荷，然后进行比较测定，在其使用过程中，其力值不确定性主要表现在以下几方面：

（1）标准测力仪具体的性能指标;

（2）使用的具体叠加或串联方式;

（3）加荷机构性能及安装质量。

目前我国已有的最大力值是1MN和500kN的叠加式力标准机，通常情况下，其不确定度能达到3×10-4。

2.4 力传感器校准

当前，用于力传感器动态校正的方法主要是正弦力法。正弦立法是使用一个振动台，并在振动台台面上安装被测传感器，被测传感器顶部安装已经测定好的质量m的质量块，在测量时，振动台做正弦运动过程中，按照牛顿第二定律，力传感器所承受的力为F=ma，式中a可以通过加速度进行测量，通过对振动台振动频率进行改动，就能获得不同频率范围内的正弦力。这种方法测量效果较好，但是依然有一些局限性，如范围不够、力值大小容易受限，并且安装过程中可能存在一些误差，所以校准不确定度相对很低，当前使用并不广泛。

3.力学计量技术标准装置的发展方向

近几年来，随着各种新技术、新材料的使用，在力值计量方面，其主要的发展趋势如下：

（1）计算机技术的发展使得自动化充分被利用，各种功能齐全的校准软件大量应用在各种标准机内，使得校准速度大幅度提高，大大减小了人工操作误差。当前的力标准机基本上都完成了自动化。

（2）动态力研究进一步发展，通过动态处理技术及动态信号分析，对动态力的信号采集及出现机理研究将是力值计量的另一主要研究方向。

（3）对于微小力值和大力值标准测力机的研究，仍然是今后力值计量发展的一个重点方向。

4.结语

当今社会科学技术发展日新月异，使得力学计量实现跨越发展有了新的基础，很多新技术为力学计量发展创建了足够的技术手段和平台。但是从总体来讲，力学计量今后主要发展方向为以下两个方面：

（1）进行极端量值计量研究，如超高压计量技术、微小力值、大力值研究将是今后力学计量的又一主要发展方向;

（2）使用更多的新理论、新技术及新方法，如虚拟仪器计量技术、数字化仪器等的应用是力学计量的另一发展方向。

参考文献

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