崔紫楹

關(guān)鍵詞： 力學(xué)計量技術(shù) 標(biāo)準(zhǔn)裝置 應(yīng)用現(xiàn)狀 趨勢分析

中圖分類號： TP393.08 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）15-0253-04

在機(jī)械加工中，測量力的方法有很多，由于力學(xué)計量標(biāo)準(zhǔn)的不同，其測量方法與結(jié)果也有一定的差別。實(shí)際測量所需的計量單位各不相同，為充分利用力學(xué)計量標(biāo)準(zhǔn)裝置的功能，適應(yīng)各種測量要求，對各種力學(xué)計量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行分析，可提高加工機(jī)械產(chǎn)品的精確性，為生產(chǎn)過程提供質(zhì)量保證，并在力學(xué)計量中使用，本文還對標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)計量單位的適用范圍及潛在的應(yīng)用進(jìn)行了討論。

1 力學(xué)計量基本概念

力學(xué)計量是基于牛頓力學(xué)原理的計量系統(tǒng)，它包含了力計量、密度計量、質(zhì)量計量等多個方面，計量內(nèi)容和計量方法也各不相同。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，力學(xué)測量技術(shù)也隨之產(chǎn)生，應(yīng)根據(jù)目前復(fù)雜、極端的應(yīng)用環(huán)境要求，選用機(jī)械測量技術(shù)，以多目標(biāo)速度和多分力為依據(jù)，對測量力學(xué)進(jìn)行優(yōu)化，以獲得適宜的測量力學(xué)效應(yīng)。隨著我國機(jī)械工業(yè)的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平不斷提高，機(jī)械測量設(shè)備不斷更新、優(yōu)化?，F(xiàn)有的機(jī)械測量方法有杠桿式、液壓式、傳感器式、彈簧式等，可根據(jù)不同的要求，測量的力的大小也在不斷地擴(kuò)展，以適應(yīng)各種測量要求。力的測量需要較高的技術(shù)指標(biāo)和特定的性能，不同的測量環(huán)境，其衡量標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同。不同的計量標(biāo)準(zhǔn)，其適用范圍和實(shí)際狀況也不盡相同。為適應(yīng)實(shí)際測量的要求，力學(xué)的計量標(biāo)準(zhǔn)也得到了廣泛的發(fā)展。對機(jī)器測量設(shè)備的效能與效益的研究，將會對資訊科技的發(fā)展起到積極的推動作用[1]。

2 國內(nèi)外力學(xué)計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置發(fā)展概況及應(yīng)用現(xiàn)狀

在機(jī)械工程中，計量測試標(biāo)準(zhǔn)裝置是國家一級基礎(chǔ)設(shè)施。我國的計量測試標(biāo)準(zhǔn)裝置已達(dá)到國際先進(jìn)水平。力學(xué)計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置是對力學(xué)計量技術(shù)規(guī)范的檢驗(yàn)、復(fù)現(xiàn)和校準(zhǔn)，其主要由力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備和儀器、測量分析方法和儀器組成，通常包括力學(xué)參數(shù)測試方法和測量不確定度評定方法。當(dāng)前，國內(nèi)計量單位制中有5 個一級、19 個二級以及80 多個三級的單位，這些級別對應(yīng)有不同種類的工程設(shè)備，但這些單位都是通過相應(yīng)計量技術(shù)規(guī)范進(jìn)行考核的。

我國在力學(xué)計量基礎(chǔ)領(lǐng)域中最主要的標(biāo)準(zhǔn)裝置是國家一級、二級、三級和四級單位量值傳遞關(guān)系以及其他重要單位量值傳遞。目前，國內(nèi)各地區(qū)對力學(xué)計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置都非常重視，對力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)裝置的研制、校準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行了大量研究工作，并制訂了相應(yīng)的研究與發(fā)展計劃。其中北京已經(jīng)針對力學(xué)校準(zhǔn)設(shè)備等開展了大量工作，但在一些其他地區(qū)仍然沒有開展類似工作。國家在計量領(lǐng)域中建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和計量器具備案管理制度，是為了保證我國計量量值體系穩(wěn)定、可靠，確保量值溯源體系中各參數(shù)的量值準(zhǔn)確性[2]。

目前，在我國工程設(shè)備中對力學(xué)參數(shù)檢測方法、實(shí)驗(yàn)裝置和復(fù)現(xiàn)水平已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平，但仍存在一些問題，如實(shí)驗(yàn)裝置不完善、復(fù)現(xiàn)水平較低等問題。國內(nèi)外各單位研制或已頒布力學(xué)檢測方法及復(fù)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并制定相應(yīng)技術(shù)文件和校準(zhǔn)方法。例如：中國科學(xué)院建立了多項(xiàng)國家、行業(yè)及企業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)器，已有國家一級標(biāo)準(zhǔn)器3 項(xiàng)，二級標(biāo)準(zhǔn)化器1 項(xiàng)，國家二級、三級標(biāo)準(zhǔn)器7 項(xiàng)。國內(nèi)多個單位研制或已頒布力學(xué)校準(zhǔn)設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)器具等技術(shù)文件，例如：北京市質(zhì)檢所制定了《工程設(shè)備用儀器檢定規(guī)程》等一系列技術(shù)規(guī)范；西安交通大學(xué)及其他單位研制了多種大型儀器設(shè)備和其他類型的實(shí)驗(yàn)室儀器；中國科學(xué)院還制定了多項(xiàng)國家和行業(yè)領(lǐng)域校準(zhǔn)方法、規(guī)程[3]。

3 力學(xué)計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的分類

從不同的角度出發(fā)，計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可以分為測量基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)、方法和參考數(shù)據(jù)等。在對力學(xué)計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類的時候，需要綜合考慮各類標(biāo)準(zhǔn)的作用以及特點(diǎn)。

首先，測量基準(zhǔn)主要是在對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析以后得出，其主要分為長度和幾何尺寸基準(zhǔn)兩大類。長度測量的基礎(chǔ)包括圓周和半徑等。幾何尺寸基準(zhǔn)也分為幾何尺寸、形狀和尺度等，其中形狀和尺度又有多種分類方法。其次，測量方法主要包括溫度測定方法、應(yīng)力松弛測定方法、變形測定方法和位移測量方法等，其中又包含了變形參數(shù)測量技術(shù)以及溫度變化的控制標(biāo)準(zhǔn)等。再次，參考數(shù)據(jù)主要指對儀器設(shè)備或者測量儀器產(chǎn)生影響的數(shù)據(jù)值，其一般有校準(zhǔn)周期和準(zhǔn)確度等。最后，測量結(jié)果的解釋，通常指通過對實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行分析與解釋而得出的結(jié)論。

從力學(xué)計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用效果來看，可以分為兩類：一種是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用現(xiàn)有的計量器具或技術(shù)規(guī)范以及其他工具來進(jìn)行計量測試，這種類型就屬于力學(xué)計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中最基本、最重要的一類；另一種是在實(shí)驗(yàn)室外進(jìn)行研究或應(yīng)用的力學(xué)計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。其主要是利用現(xiàn)有儀器設(shè)備來完成對不同方面的研究分析工作等。

4 力學(xué)計量標(biāo)準(zhǔn)裝置的應(yīng)用類型分析

4.1 靜重式力基、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)

靜重力基、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)主要以重物的力量為基準(zhǔn)力值，并利用一定的程序，運(yùn)用靜態(tài)力基、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)相關(guān)程序及測力儀對其進(jìn)行監(jiān)控，在靜態(tài)力和重力檢測領(lǐng)域，采用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)進(jìn)行力值測量，可以提高力值的精度。一般情況下，在靜重式力基、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)等行業(yè)中使用的頻率較高，其主要原因在于，在重力測量技術(shù)中，采用的是力量儀的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，它的精度更高，而且它的測量困難也更少，因此，在重力測量中，它更適宜于采用靜重式力基、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)。靜重式力基、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)在力學(xué)計量中占有很大的比例，由于它的特殊性和優(yōu)越性，在各種工業(yè)領(lǐng)域都有很高的使用頻率[4]。

4.2 杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)裝置

杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)裝置是一種以杠桿為基本原理實(shí)現(xiàn)力學(xué)計量的標(biāo)準(zhǔn)裝置，這是最常用的計量裝置。在目前的技術(shù)發(fā)展迅速的今天，杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)裝置的使用和特性進(jìn)一步發(fā)展。采用杠桿原理，能對受力進(jìn)行變換，并能精確地完成平衡狀態(tài)下的受力測量。杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)裝置采用了力矩和為零的基本原則，并結(jié)合實(shí)際使用的資料，具有較高的測量精度。

杠桿與重量變換裝置可以將物體施加到物體上，通過累積砝碼得到物體的應(yīng)力狀態(tài)。杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)裝置能更直觀、精確地計算出受力值。在杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)裝置的實(shí)際工作中，利用砝碼來達(dá)到與被測量對象的平衡，由其產(chǎn)生真實(shí)的力，在不平衡的情況下，再加上一個砝碼來達(dá)到平衡。觀測人員決定被測量對象的作用力，其數(shù)值就是被測量的對象。在使用時，僅需使用一個砝碼和杠桿轉(zhuǎn)換裝置即可完成對杠桿的實(shí)際作用力?？傮w來說，其應(yīng)用軟件是非常簡單和直觀的，而且在應(yīng)用階段就能很好地運(yùn)行游戲。采用把手式力標(biāo)準(zhǔn)器，使其測量的準(zhǔn)確度和質(zhì)量得到了極大的改善。

杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)裝置主要應(yīng)用在一個或多個不等臂的操縱桿上。它的工作原理是把已知的固體重力進(jìn)行放大，然后把它加到測力儀上，從而得到測力儀的力值。杠桿原理與力學(xué)的基本原理相結(jié)合，可以極大地縮短傳統(tǒng)的測力儀的工作步驟，從而使整個力學(xué)計量程序變得簡單。力學(xué)計量方法與操作簡單，力測量精度不高，采用常規(guī)的機(jī)械測量設(shè)備，其誤差最大可達(dá)到1×10^-4。在一般條件下，使用靜重式力基、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)比杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)裝置要少。隨著對測力精度的要求越來越高，測力技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)單元的應(yīng)用范圍也越來越窄。很多力學(xué)計量都不要求有很高的精度，因而在一般力值測量中，杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的使用更為頻繁，并且不易受外部環(huán)境等因素的影響。杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)只要在適當(dāng)?shù)膱龊鲜褂酶軛U式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)，就能有效地減少機(jī)械測量人員的質(zhì)量[5]。

4.3 傳感式力標(biāo)準(zhǔn)裝置

在實(shí)際生產(chǎn)中，傳感式力標(biāo)準(zhǔn)裝置的使用較為普遍。由于采用了完整的測量體系，采用高精度的傳感信號實(shí)現(xiàn)了真實(shí)力值的傳遞。該測量系統(tǒng)可對傳感器的軟件及附屬組件進(jìn)行定位，利用測量對象的重量、質(zhì)量，對測量對象的彈性變形進(jìn)行科學(xué)評價，利用輸出信號實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集，并對質(zhì)量和傳感部件的彈性變化進(jìn)行了對比。在質(zhì)量測量和工作結(jié)束后，該傳感器的力量標(biāo)準(zhǔn)單位才能在實(shí)踐中得到應(yīng)用，由信號輸出所采集的資料所得到的測量值更為精確?，F(xiàn)在，最常用的是壓縮式壓力傳感器，相對于常規(guī)的桿式力標(biāo)準(zhǔn)裝置，傳感式力標(biāo)準(zhǔn)裝置的工作原理要復(fù)雜得多，雖然在實(shí)踐中具有一定的實(shí)用價值，但并不具有絕對優(yōu)勢。

4.4 彈簧式力標(biāo)準(zhǔn)裝置

彈簧式力標(biāo)準(zhǔn)裝置利用彈簧傳感元件對被測對象進(jìn)行測量。測量對象的實(shí)際數(shù)據(jù)由彈性敏感元件獲取。彈簧能準(zhǔn)確地測量被測對象的壓力，在實(shí)踐中取得了很好的效果，為了得到實(shí)際測量對象的尺寸，了解被測量對象的身體強(qiáng)度和彈性部件的真實(shí)關(guān)系，通常用內(nèi)襯材料波紋管。該方法測量的彈性材料精度較高。相對于常規(guī)的力學(xué)計量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，它的運(yùn)行更為復(fù)雜，具有廣泛的使用范圍和較高的精度，可以在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。但是，在實(shí)際操作中，必須掌握標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的使用方法。彈性式壓力標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備由于其復(fù)雜程度和復(fù)雜程度而受到限制。

4.5 液壓式力標(biāo)準(zhǔn)裝置

液壓式力標(biāo)準(zhǔn)裝置也是一種很普遍的標(biāo)準(zhǔn)測量儀器。這種儀器通過帕斯卡設(shè)備將壓力加到密封的液體上，因此可以測量被測物體，可以在顯示器上看見一個固定的數(shù)值，實(shí)際數(shù)據(jù)是由標(biāo)準(zhǔn)重量和被測物體的對比得到的。相對于其他的計量儀器，它具有廣泛的應(yīng)用范圍和廣泛的特點(diǎn)，在其他標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備不能滿足要求的情況下，采用液壓動力標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，其測量精度可達(dá)到20 mN。在采用常規(guī)液壓動力儀進(jìn)行受測物的受力時，應(yīng)嚴(yán)格按其應(yīng)用方法來確定受測物的受力范圍，并使其規(guī)范化。相對于彈性壓力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，它的使用更便捷、更靈活，已被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械制造行業(yè)。

4.6 疊加式力標(biāo)準(zhǔn)裝置

疊加式力標(biāo)準(zhǔn)裝置采用一套高標(biāo)準(zhǔn)的疊加式功率計，利用機(jī)械或液壓的方法對測量結(jié)構(gòu)進(jìn)行載荷，并對其進(jìn)行對比，得出功率值的檢測結(jié)果。對于疊合力標(biāo)準(zhǔn)裝置，最常用的最大受力數(shù)據(jù)范圍為1 mN 至500 kN。通常，在力值測試場合為重力場、復(fù)雜測試環(huán)境時，可選用靜態(tài)力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)、杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)、液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)。僅當(dāng)疊加力測量方法不能滿足上述兩種標(biāo)準(zhǔn)的要求時，采用疊加力標(biāo)準(zhǔn)儀進(jìn)行力值測試。疊加力標(biāo)準(zhǔn)器的受力精度僅取決于加載方式、串聯(lián)方式、安裝質(zhì)量和自身性能，在實(shí)際測試中可以根據(jù)上述精度影響因素減小測量誤差。

5 力學(xué)計量標(biāo)準(zhǔn)裝置的應(yīng)用發(fā)展趨勢

對力學(xué)計量標(biāo)準(zhǔn)裝置的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行分析，有助于推動其應(yīng)用，有助于力測量，為實(shí)踐工作提供動力?，F(xiàn)有的測量設(shè)備相對于常規(guī)的機(jī)械測量設(shè)備有了較大的發(fā)展和優(yōu)化。因此，要適應(yīng)力學(xué)計量工作的實(shí)際需求，推動技術(shù)革新與創(chuàng)新，必須對其發(fā)展趨勢進(jìn)行深入研究。

5.1 自動化發(fā)展

科技的飛速發(fā)展促進(jìn)了自動化技術(shù)的發(fā)展，使力量計能夠更好地滿足各種要求，從而使其更精確。自動控制技術(shù)可以方便地測量，保證測量的準(zhǔn)確性和質(zhì)量。科技與自動化技術(shù)的結(jié)合，能更好地改善機(jī)器制造的效能，并能克服傳統(tǒng)工藝的繁雜與多元化，解決工藝上的低效率問題，使之能與生產(chǎn)中的研發(fā)保持協(xié)調(diào)，降低人力、物力的損耗，提高社會及經(jīng)濟(jì)效益，并能有效地彌補(bǔ)工程中的失誤。智能設(shè)計方案能夠滿足實(shí)際工作的要求，使資料更為可靠、內(nèi)容更為完備，是今后的力學(xué)計量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備發(fā)展的方向[6]。

機(jī)械測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備的自動化能夠很好地解決人工造成的誤差問題。力學(xué)計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化裝置難以完全脫離人工干預(yù)，只要有人工參與，就會產(chǎn)生誤差，但與人工的誤差相比，力學(xué)計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的誤差幾乎可以忽略不計。在將來，力學(xué)計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化單位將會采用自動化的方法，以改善力測量的準(zhǔn)確度，并擴(kuò)展各種力學(xué)計量技術(shù)中的標(biāo)準(zhǔn)件。

5.2 擴(kuò)展的測量范圍

隨著機(jī)械現(xiàn)代化，在機(jī)械加工過程中，必須測量力的大小。為了滿足當(dāng)前的測量要求，對力學(xué)計量儀器做了進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)，以適應(yīng)更大的測量范圍。由于測量環(huán)境的限制，其測量范圍必然會影響其正常工作。為充分利用力學(xué)計量標(biāo)準(zhǔn)裝置的優(yōu)勢，在以后的設(shè)計中拓寬測量范圍，提高儀器的使用性能，滿足各種測量需求，突破測量的限制，使其更好地應(yīng)用到生產(chǎn)中去。采用機(jī)械式控制技術(shù)，可以達(dá)到較低或較大的強(qiáng)度。拓展了測量界，擴(kuò)大了計量裝置的應(yīng)用領(lǐng)域，擴(kuò)大了計量裝置的應(yīng)用領(lǐng)域，成為今后的發(fā)展方向。

5.3 動態(tài)力

力學(xué)計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備可以用于動態(tài)力的測定，但不能保證標(biāo)準(zhǔn)件的精度。今后，在力敏元件的動態(tài)性能標(biāo)定方面，標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械測量儀器研究者將會加大研發(fā)投入。采用傳感器及相應(yīng)的輔助裝置，使常規(guī)的機(jī)械測量裝置既能實(shí)現(xiàn)自動控制，又能進(jìn)行動態(tài)力的測量。

5.4 激光技術(shù)的應(yīng)用

在力學(xué)計量技術(shù)不斷創(chuàng)新與發(fā)展的進(jìn)程中，采用激光技術(shù)可以提高測量精度，使用更方便，能夠降低外界對信號的干擾與影響。該系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠的特性，能夠確保測量過程中的力、時間、精度、無外界干擾、操作簡單。激光應(yīng)用是當(dāng)今世界發(fā)展的一個重要方面。同時，在信號傳遞過程中，及時發(fā)現(xiàn)缺陷和問題，也能有效地防止測量錯誤，提高檢測的準(zhǔn)確度和質(zhì)量。

5.5 信號傳感技術(shù)的發(fā)展

目前，在常規(guī)的機(jī)械測量中，采用了傳感技術(shù)。機(jī)械測量規(guī)范技術(shù)的高精度為力量測帶來了便捷性，強(qiáng)化傳感技術(shù)會有更好的效果。由于其靈敏度高、測量精度高，已成為當(dāng)前應(yīng)用領(lǐng)域的重要組成部分。加強(qiáng)傳感技術(shù)是機(jī)械創(chuàng)新與技術(shù)革新的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

5.6 增加標(biāo)準(zhǔn)的靈敏度

在測力時，通過增加標(biāo)定的靈敏度，可以在某種程度上改善測力的精準(zhǔn)度。目前，計算機(jī)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械裝置的發(fā)展，為及時反饋力數(shù)值信息，減少人為誤差，提高測量效率，提供了快速、準(zhǔn)確的解決方法。隨著現(xiàn)代機(jī)械化技術(shù)的不斷發(fā)展，儀器的檢測精度不斷提高，儀器的科學(xué)性和有效性得到了進(jìn)一步提高。將力學(xué)測量結(jié)果與機(jī)械測量結(jié)果相結(jié)合，有利于在機(jī)械加工中進(jìn)行實(shí)際操作，增加了信息處理技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)的敏感性，為力測量系統(tǒng)的使用提供了便利。

6 結(jié)語

綜上所述，力學(xué)計量技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，技術(shù)的發(fā)展使得力學(xué)計量技術(shù)的技術(shù)水平也隨之提高，在新的形勢下，更多的先進(jìn)技術(shù)與力學(xué)測量技術(shù)相結(jié)合，達(dá)到了更高的水平和更高的效率，有力地促進(jìn)了力學(xué)測量技術(shù)的發(fā)展。因此，有關(guān)部門要在這方面做一些探討，以便滿足力學(xué)計量的需要，推動力學(xué)計量工作的迅速發(fā)展。