任懷峰 于大偉

【摘要】力學(xué)計(jì)量通過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)建構(gòu)了較為完善的計(jì)量體系。而近幾年來，隨著智能化技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、圖像顯示技術(shù)、微處理技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)、光電技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等技術(shù)的高速發(fā)展，力學(xué)計(jì)量也有了新的發(fā)展，國內(nèi)外已經(jīng)建構(gòu)了很多準(zhǔn)確度高、量程寬的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置?；诖耍疚木土W(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置的現(xiàn)狀與發(fā)展方向做了敘述，以期能夠?yàn)橄嚓P(guān)工作者提供一點(diǎn)幫助。

【關(guān)鍵詞】力學(xué)計(jì)量技術(shù);標(biāo)準(zhǔn)裝置;現(xiàn)狀分析;發(fā)展方向

在計(jì)量學(xué)中力學(xué)是開展較早的一項(xiàng)領(lǐng)域，力學(xué)計(jì)量在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中有著極為重要的作用，力學(xué)計(jì)量技術(shù)的理論基礎(chǔ)來源于牛頓力學(xué)，力學(xué)計(jì)量通過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)建構(gòu)了較為完善的計(jì)量體系。而近幾年來，隨著各種高新技術(shù)的的飛速發(fā)展，力學(xué)計(jì)量也有了新的發(fā)展，國內(nèi)外已經(jīng)建構(gòu)了很多準(zhǔn)確度高、量程寬的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置。因此對(duì)其現(xiàn)狀及發(fā)展方向進(jìn)行積極研究有著極為重要的意義。

1.力值計(jì)量簡述

力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置其作為力值的具體傳遞標(biāo)準(zhǔn)，在上個(gè)世紀(jì)70年代之前，國際上主要使用百分表式測力儀和水銀箱式測力儀，這兩種測力儀準(zhǔn)確度相對(duì)較低.隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，很多的力基標(biāo)準(zhǔn)裝置不斷被建立，這些力基標(biāo)準(zhǔn)裝置采用的主要結(jié)構(gòu)形式有疊加式、杠桿式、靜重式等，而我國在20實(shí)際70年代末依次建立了1MN以下的一些力基、標(biāo)準(zhǔn)裝置，之后又建立了5MN、20MN、30MN力基、標(biāo)準(zhǔn)裝置，而且對(duì)這些力基、標(biāo)準(zhǔn)裝置的檢定程序作了進(jìn)一步完善，最終使得我國的力值量傳體系也得到了很好的完善。

2.當(dāng)前力值計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置的發(fā)展現(xiàn)狀

力值計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置經(jīng)過這幾年的發(fā)展，比較成熟的有凈重式、杠桿式、疊加式及力傳感式動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)等，這些力值計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置具有各自的特征，以下對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)敘述;

2.1 凈重式

對(duì)于使用凈重式的力值計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置，主要有凈重式基、標(biāo)準(zhǔn)測力機(jī)及凈重式基、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)，這些標(biāo)準(zhǔn)裝置都是通過已經(jīng)確定的砝碼重力直接作為標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的基、標(biāo)準(zhǔn)力值。利用特定的程序和儀器將其平穩(wěn)的施加至要進(jìn)行鑒定的測力儀上，這種標(biāo)準(zhǔn)裝置，也可以說是一種直接加荷式測力機(jī)，因此一些研究者也將其稱為直接加荷式基、標(biāo)準(zhǔn)測力機(jī)。在該測力機(jī)中，因?yàn)榭諝飧×Ρ厝粫?huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，因此對(duì)質(zhì)量為m的砝碼在整個(gè)重力場中所復(fù)現(xiàn)力值計(jì)數(shù)F表達(dá)如（1）式所示：

F=mg（1-ρa(bǔ)/ρw） ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

在（1）式中F表示力值，單位為N;m為砝碼的質(zhì)量，單位為kg;g表示在該凈重式基、標(biāo)準(zhǔn)測力機(jī)安裝地點(diǎn)的重力加速度，單位為m/s2;ρa(bǔ)表示安裝地點(diǎn)空氣密度，單位為kg/m3;ρw表示砝碼使用材料的密度，單位為kg/m3。對(duì)于這類凈重式的力值計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置，其測定力值的不準(zhǔn)確性，主要是因?yàn)轫来a質(zhì)量不確定性、安裝地點(diǎn)重力加速度不確定性及對(duì)空氣密度和砝碼本身密度的不確定性等造成的，另外，在測量過程中，還和機(jī)器本身負(fù)荷、構(gòu)造、被測量物體加載方式及砝碼本身穩(wěn)定性存在很大的關(guān)系，而通常情況下，這類機(jī)器的不確定度要達(dá)到1×10-5。

2.2 杠桿式

對(duì)于使用杠桿式的力值計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置，其主要是通過不等臂杠桿系統(tǒng)（復(fù)式或單級(jí)）對(duì)已經(jīng)知道砝碼重力做放大，進(jìn)而獲得標(biāo)準(zhǔn)力值，然后在要進(jìn)行檢定的測力儀上平穩(wěn)的施加，對(duì)于其復(fù)現(xiàn)的力值F表達(dá)如（2）式所示：

F=kmg（1-ρa(bǔ)/ρw） ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

在（2）式中k表示杠桿放大比，及杠桿長壁長和杠桿短臂之間的比值;m為砝碼的質(zhì)量，單位為kg;g表示在該凈重式基、標(biāo)準(zhǔn)測力機(jī)安裝地點(diǎn)的重力加速度，單位為m/s2;ρa(bǔ)表示安裝地點(diǎn)空氣密度，單位為kg/m3;ρw表示砝碼使用材料的密度，單位為kg/m3。對(duì)于這類杠桿式基、標(biāo)準(zhǔn)測力機(jī)，除了要考慮上述的凈重式因素外，還要對(duì)杠桿比測量不確定性做考慮，其計(jì)量學(xué)性能和杠桿組合及構(gòu)造方式、刀承和刀刃加工及構(gòu)造質(zhì)量有關(guān)，通常情況下，其力值不確定度要達(dá)到1×10-4。

2.3 疊加式

對(duì)于疊加式標(biāo)準(zhǔn)機(jī)和上述的兩種測力機(jī)有很大的區(qū)別，它不再使用絕對(duì)的測量方法，而是使用相對(duì)比較的測量，通常是通過一組標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)很高的測力儀來當(dāng)做其標(biāo)準(zhǔn)，通過合適的裝置，和要進(jìn)行檢測的測力儀進(jìn)行疊置或串聯(lián)之后，通過機(jī)械方式或者液壓方式施加一定負(fù)荷，然后進(jìn)行比較測定，在其使用過程中，其力值不確定性主要表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）標(biāo)準(zhǔn)測力儀具體的性能指標(biāo);

（2）使用的具體疊加或串聯(lián)方式;

（3）加荷機(jī)構(gòu)性能及安裝質(zhì)量。

目前我國已有的最大力值是1MN和500kN的疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)，通常情況下，其不確定度能達(dá)到3×10-4。

2.4 力傳感器校準(zhǔn)

當(dāng)前，用于力傳感器動(dòng)態(tài)校正的方法主要是正弦力法。正弦立法是使用一個(gè)振動(dòng)臺(tái)，并在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上安裝被測傳感器，被測傳感器頂部安裝已經(jīng)測定好的質(zhì)量m的質(zhì)量塊，在測量時(shí)，振動(dòng)臺(tái)做正弦運(yùn)動(dòng)過程中，按照牛頓第二定律，力傳感器所承受的力為F=ma，式中a可以通過加速度進(jìn)行測量，通過對(duì)振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)頻率進(jìn)行改動(dòng)，就能獲得不同頻率范圍內(nèi)的正弦力。這種方法測量效果較好，但是依然有一些局限性，如范圍不夠、力值大小容易受限，并且安裝過程中可能存在一些誤差，所以校準(zhǔn)不確定度相對(duì)很低，當(dāng)前使用并不廣泛。

3.力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置的發(fā)展方向

近幾年來，隨著各種新技術(shù)、新材料的使用，在力值計(jì)量方面，其主要的發(fā)展趨勢如下：

（1）計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得自動(dòng)化充分被利用，各種功能齊全的校準(zhǔn)軟件大量應(yīng)用在各種標(biāo)準(zhǔn)機(jī)內(nèi)，使得校準(zhǔn)速度大幅度提高，大大減小了人工操作誤差。當(dāng)前的力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)基本上都完成了自動(dòng)化。

（2）動(dòng)態(tài)力研究進(jìn)一步發(fā)展，通過動(dòng)態(tài)處理技術(shù)及動(dòng)態(tài)信號(hào)分析，對(duì)動(dòng)態(tài)力的信號(hào)采集及出現(xiàn)機(jī)理研究將是力值計(jì)量的另一主要研究方向。

（3）對(duì)于微小力值和大力值標(biāo)準(zhǔn)測力機(jī)的研究，仍然是今后力值計(jì)量發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)方向。

4.結(jié)語

當(dāng)今社會(huì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展日新月異，使得力學(xué)計(jì)量實(shí)現(xiàn)跨越發(fā)展有了新的基礎(chǔ)，很多新技術(shù)為力學(xué)計(jì)量發(fā)展創(chuàng)建了足夠的技術(shù)手段和平臺(tái)。但是從總體來講，力學(xué)計(jì)量今后主要發(fā)展方向?yàn)橐韵聝蓚€(gè)方面：

（1）進(jìn)行極端量值計(jì)量研究，如超高壓計(jì)量技術(shù)、微小力值、大力值研究將是今后力學(xué)計(jì)量的又一主要發(fā)展方向;

（2）使用更多的新理論、新技術(shù)及新方法，如虛擬儀器計(jì)量技術(shù)、數(shù)字化儀器等的應(yīng)用是力學(xué)計(jì)量的另一發(fā)展方向。

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