高富榮，譚洪輝，黃振宇

（廣東省計量科學研究院，廣東 廣州 510405）

1 引 言

力標準機是產(chǎn)生標準力值用于檢定、校準測力儀（或稱重傳感器）且符合國家計量技術(shù)法規(guī)的機器。力標準機通常有四種類型：靜重式、杠桿式、液壓式和疊加式。疊加式力標準機（簡稱疊加機或BM）是用一個或一組（通常為三個）比被檢定的測力儀準確度高的標準測力儀作為標準，與被檢測力儀串聯(lián)，以液壓或機械方式施加負荷，采用比較測量方法的力標準機。近年來，隨著力傳感器技術(shù)發(fā)展，疊加機得到了越來越多的應用[1-5]，但對于疊加機計量性能的評價方法，有值得討論之處。

2 疊加式力標準機的準確度

疊加機主要由參考標準、力加載機構(gòu)（又稱力源）、控制系統(tǒng)三大部分組成。參考標準由一個或一組的高準確度測力儀構(gòu)成，并事先在力基準機或者上一級的力標準機上完成標定。工作時，力源對參考標準和被檢測力儀（或傳感器）同時加載，由于兩者受力串聯(lián)，承受同一載荷。載荷大小由參考標準的輸出確定，當輸出達到由基準或上一級標準標定的定度值時，所施加的載荷為一標準力值，控制加載機構(gòu)將該力值保持穩(wěn)定，并記錄下被檢測力儀的輸出。逐級加載和卸載，即可完成對被檢測力儀的檢測。

從組成結(jié)構(gòu)上分析，影響疊加機力值準確度的因素主要有參考標準力傳感器的技術(shù)特性（包括零點輸出、零點飄移、重復性、直線度、滯后、長期穩(wěn)定性、蠕變、輸出溫度影響等）、力源的剛性和壓向工作臺的水平度等。

根據(jù)疊加機的工作原理，它的力值數(shù)據(jù)由所使用的參考標準給出，而參考標準必須先在國家力基準機上進行定度才能使用，疊加機的輸出數(shù)據(jù)實際上是參考標準定度的結(jié)果，即其量值溯源到國家基準。另一方面，疊加機的機架及加載機構(gòu)在通常狀態(tài)下能夠保持很好的穩(wěn)定性，不會突然出現(xiàn)影響整機計量性能的失效情況。因此，在首次校準后，疊加機的計量準確度主要取決于參考標準傳感器的技術(shù)特性，尤其是傳感器的長期穩(wěn)定性。

需要強調(diào)的是，在考核參考標準的長期穩(wěn)定性時，所采用的數(shù)據(jù)必須是未經(jīng)修正的結(jié)果。如JJG 144-2007《標準測力儀檢定規(guī)程》[6]所述，當直接使用傳感器的輸出信號時，無法通過數(shù)學方法對數(shù)據(jù)進行修正，在此前提下考核其長期穩(wěn)定性才具有實際意義。反之，當傳感器使用力值單位（如N、kN）時，若在重新校準后對定度數(shù)據(jù)或擬合公式進行了修正，則此時無論是考核其長期穩(wěn)定性還是示值誤差，都無法真實反映傳感器的性能，也就無法保證疊加機的準確度。

評價疊加機力值準確度的方法主要有直接法和間接法兩種。其中，直接法是根據(jù)疊加機所使用的參考標準傳感器的計量特性對整機的力值準確度進行評價；間接法則是通過更高準確度的傳遞標準對疊加機進行檢定或校準，根據(jù)檢定或校準的結(jié)果評價其力值準確度[7]。這兩種方法在JJF 1094-2002《測量儀器特性評定》分別稱為分部法和比較法[8]。JJG 734-2001《力標準機檢定規(guī)程》中規(guī)定的力標準機檢定方法即屬于間接法[9]，其中對于疊加機力值誤差的定義與檢定方法，沒有從其他類型中獨立出來。根據(jù)以上的討論，可考慮對疊加機的長期穩(wěn)定性和準確度進行單獨規(guī)定。

3 疊加式力標準機長期穩(wěn)定性考核實例

建立在廣東省計量科學研究院的3MN疊加機，由廣東省計量科學研究院和中國測試技術(shù)研究院聯(lián)合研制，是世界上首臺大力值機械式力標準機。該標準機采用三臺參考力傳感器并聯(lián)，對輸出信號取和作為整機的輸出結(jié)果。力標準機的主體采用了四根導向光柱固定上、下橫梁和工作平臺構(gòu)成的高剛性框架結(jié)構(gòu)。移動橫梁由四根精密滾珠絲杠副傳動，既可產(chǎn)生對下橫梁工作平臺的壓向作用力，又可產(chǎn)生對上橫梁的拉向作用力。加載機構(gòu)分為粗加載系統(tǒng)和精加載系統(tǒng)兩部分，粗加載系統(tǒng)利用伺服電機驅(qū)動減速機構(gòu)，經(jīng)同步帶驅(qū)動四組蝸輪蝸桿及四根精密滾珠絲杠上的動橫梁來完成對參考標準實施額定負荷90%的粗加載；精加載系統(tǒng)采用與參考標準同軸安裝的壓電陶瓷力發(fā)生裝置，通過微機控制系統(tǒng)的程序控制，完成對參考標準實施額定負荷90%～100%范圍內(nèi)的精加載[1]。

在2006年8月利用直接法對該疊加機進行考核，通過1 MN力值國家基準（力值擴展不確定度為0.002%，k=3）對三臺參考力傳感器分別進行定度，并將定度數(shù)據(jù)取和作為該機的標準力值使用。在2007年3月再次利用直接法對該疊加機進行檢定。兩次實驗的結(jié)果在表1中列出，比較兩次實驗結(jié)果可得，在該期間內(nèi)疊加機的長期穩(wěn)定性優(yōu)于±0.01%。同時，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)估算該疊加機的力值相對擴展不確定度優(yōu)于 0.03%（k=2）。

表1 用直接法評估得到的力值長期穩(wěn)定性

另一方面，在2007年11月及2008年9月，使用在5 MN力基準機（力值擴展不確定度為0.03%，k=3）上檢定合格的標準傳感器，按照間接法對該3 MN疊加機進行了兩次檢定，兩次實驗得到的數(shù)據(jù)非常接近，在此只選取2008年9月的數(shù)據(jù)列于表2之中。此外，在2009年6月，使用三個在1MN力值國家基準上分別校準過的傳感器并聯(lián)組成傳遞標準，同樣按照間接法對3MN疊加機進行了一次檢定，結(jié)果也列入表2。將這三次實驗結(jié)果與2007年3月的定度結(jié)果進行比較，若不考慮溯源至不同基準所造成的差異，則后面三次用間接法檢定得到的結(jié)果與定度結(jié)果之間的差值，所反映的仍然是疊加機的長期穩(wěn)定性。從表2的數(shù)據(jù)可以看出，從2007年3月至2009年6月期間，該疊加機的長期穩(wěn)定性優(yōu)于±0.02%。

表2 用間接法評估得到的力值長期穩(wěn)定性

根據(jù)以上實驗結(jié)果作出圖1，表明該臺3MN疊加機在接近三年的時間內(nèi)具有優(yōu)秀的長期穩(wěn)定性。綜合其他性能指標[1]，可以確定該疊加機的準確度達到了0.03級。

此外，綜合以上的討論及實驗結(jié)果可知，由于疊加機的力值是通過對參考標準傳感器進行定度得到的結(jié)果，因此無論用直接法還是間接法對其進行考核，所反映的都是其長期穩(wěn)定性。但是，必須保證力標準機所使用的力值數(shù)據(jù)是未經(jīng)調(diào)整或修正的，才能保證考核結(jié)果的有效性。

4 準確度優(yōu)于0.03級的疊加式力標準機的量值溯源

根據(jù)JJG 2066-2006《大力值計量器具檢定系統(tǒng)表》，力值范圍在1MN以上的大力值力標準機，可溯源至5MN或20MN液壓式大力值國家基準，力值的傳遞通過在力基準機上進行檢定的標準測力儀實現(xiàn)，即采用間接法對力標準機進行考核[10]。但是，5MN力基準機和20 MN力基準機的力值擴展不確定度分別為0.03%和0.01%，按照檢定系統(tǒng)表上的規(guī)定，通過這兩臺基準檢定的標準測力儀準確度最高為0.03級，只能用于檢定0.05級或以下級的力標準機。因此，0.03級或更高準確度的力標準機，無法通過這種方法溯源至5 MN或20 MN的大力值國家基準。量值溯源在一定程度上也成為了制約高準確度疊加機研制工作的瓶頸。

為解決高準確度大力值疊加機的溯源問題，可通過直接法在1MN力基準機上對疊加機所使用的參考標準進行檢定或校準，實現(xiàn)量值溯源[11]。以3MN疊加機為例，將三個1MN參考力傳感器分別在1MN靜重式力基準機上進行校準，每個傳感器校準結(jié)果的不確定度都可以優(yōu)于0.01%。由于疊加機的參考標準由這三個傳感器并聯(lián)組成，考慮三個輸出信號對合成輸出影響的相關(guān)性，則參考標準的力值不確定度應等于三個力傳感器各自的不確定度的平均值[7]，可達到0.01%的水平。再考慮傳感器的長期穩(wěn)定性、輸出溫度、內(nèi)插誤差的影響以及疊加機壓向工作臺水平度的影響，3MN疊加機的力值擴展不確定度可達到0.02%～0.03%（k=2）。采用以上方法，可在一定程度上解決準確度為優(yōu)于0.03級的疊加機的量值溯源問題。

由于疊加機與其他形式的力標準機相比具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、工作效率高的優(yōu)點，解決高準確度疊加機的量值溯源問題，對于我國大力值計量體系的發(fā)展具有重要意義。例如，國際標準ISO 376：2004《金屬材料 單軸試驗機檢驗用測力儀的校準》中規(guī)定，用于檢驗試驗機的標準測力儀可分為00級、0.5級、1級和2級四個等級，所需校準力的不確定度相應為0.01%、0.02%、0.05%和0.10%[12]。但是，目前我國的大力值計量器具檢定系統(tǒng)中尚不存在0.02級的力標準機，若按照ISO標準的要求，則00級、0.5級的標準測力儀只能直接在基準上進行檢定或校準，而對于1～5MN的范圍，國家基準也不能達到不確定度優(yōu)于0.02%的要求。在這種情況下，選擇長期穩(wěn)定性好、準確度高的力傳感器并聯(lián)的方案建立0.02級或0.03級的疊加式力標準機，并通過直接法在1MN靜重式力基準機上進行量值溯源，是解決上述問題的一個有益思路。

5 結(jié)束語

疊加式力標準機的參考標準傳感器對整機性能具有主要影響。在考核疊加機的性能時，應注意區(qū)分參考標準的長期穩(wěn)定性和疊加機的力值誤差之間的異同。采用直接法與間接法進行檢定或校準，兩種可互相印證。長遠來看，對于疊加機計量性能的檢定方法，可考慮單獨編寫檢定規(guī)程。對于高準確度的疊加機，可以通過直接法溯源至靜重式力標準機解決其量值溯源問題。

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