淺析力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置的發(fā)展現(xiàn)狀

張平++陳俊

摘 要：伴隨著科技與計(jì)量技術(shù)的發(fā)展，力學(xué)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)體系得到了不斷完善。將信息處理技術(shù)，圖形學(xué)、傳感器技術(shù)，智能控制理論應(yīng)用到力學(xué)計(jì)量中，對(duì)計(jì)量裝置的發(fā)展起到很好的促進(jìn)作用。本文著力于研究當(dāng)前力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)，為今后計(jì)量裝置精確度與可靠性的提高指明了方向。

關(guān)鍵詞：力學(xué) 計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 發(fā)展 趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TJ06 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）01（b）-0217-02

在計(jì)量學(xué)領(lǐng)域中，自開始應(yīng)用采取的方式是通過力學(xué)測(cè)量來完成對(duì)物體的定量描述。在計(jì)量測(cè)試的環(huán)節(jié)，主要包含了壓力、振動(dòng)、流量、質(zhì)量等參數(shù)來進(jìn)行計(jì)量測(cè)試。在我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，力學(xué)計(jì)量占據(jù)著很重要的地位。

牛頓力學(xué)作為力學(xué)計(jì)量的理論基礎(chǔ)，以質(zhì)量為依據(jù)進(jìn)行力學(xué)量的計(jì)算。伴隨著技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，結(jié)合當(dāng)代信息化、數(shù)字化以及圖像處理技術(shù)等，促進(jìn)力學(xué)計(jì)量的方法得到長(zhǎng)足的發(fā)展，形成一個(gè)更具完善的力學(xué)計(jì)量體系，計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置更加精確、應(yīng)用性更強(qiáng)。

本文通過對(duì)當(dāng)代國(guó)內(nèi)外力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置的現(xiàn)狀，并結(jié)合最新的計(jì)量應(yīng)用技術(shù)方法進(jìn)行研究，并對(duì)力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置的長(zhǎng)足發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

1 力學(xué)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的發(fā)展現(xiàn)狀

對(duì)于力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置來講，對(duì)于測(cè)試的內(nèi)容的而不同而采取不同的測(cè)試裝置。在力學(xué)計(jì)量的體系中，不同形式的杠杠原理，靜力學(xué)原理，彈性原理，液壓原理，干涉原理，多普勒效應(yīng)以及壓電等形式構(gòu)成了不同的力學(xué)計(jì)量裝置。

（1）杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)。

該標(biāo)準(zhǔn)機(jī)采用的是杠桿原理，通過作用力的作用實(shí)現(xiàn)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)后，當(dāng)平衡時(shí)，根據(jù)例力矩之和為零的機(jī)理來完成對(duì)力值的測(cè)量。在現(xiàn)實(shí)中比較常見的天平就是采用該原理來測(cè)試力值大小，如圖1所示。該形式的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)測(cè)試的精度的大小被裝置的杠桿比、組合形式的不同和本身質(zhì)量的精度大小有關(guān)。該裝置的不確定度大小為1×10-4。

（2）傳感式力標(biāo)準(zhǔn)裝置。

該形式的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)通過一定的感應(yīng)元器件和附件組成一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，根據(jù)被測(cè)物體或者標(biāo)準(zhǔn)砝碼的質(zhì)量對(duì)該器件產(chǎn)生的彈性變形量的大小來判斷元器件的變化量，然后采集信號(hào)的輸出大小，從而進(jìn)行質(zhì)量衡量或者比對(duì)。如圖2是一種典型的壓阻式壓力傳感器，根據(jù)壓力的變化情況來對(duì)質(zhì)量測(cè)量。該裝置的不確定度大小為2×10-4。

（3）液壓式力標(biāo)準(zhǔn)裝置。

該標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的應(yīng)用原理是根據(jù)帕斯卡進(jìn)行對(duì)一個(gè)密閉液體進(jìn)行壓強(qiáng)比的判斷，從而以標(biāo)準(zhǔn)砝碼作為標(biāo)準(zhǔn)利用顯示儀器標(biāo)定質(zhì)量值的大小。該測(cè)量機(jī)的應(yīng)用值大小相比較于杠桿式和傳感式標(biāo)準(zhǔn)機(jī)來講，具有大的測(cè)定范圍，可以達(dá)到20 MN，且有2 MN，5 MN等，液壓式力標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度的大小為1×10-4。

（4）彈簧式力標(biāo)準(zhǔn)裝置。

該裝置根據(jù)彈性敏感元件在壓力的作用下產(chǎn)生的形變量的大小，通過傳動(dòng)的放大機(jī)構(gòu)來完成對(duì)測(cè)試的壓力等大小的顯示。該裝置的測(cè)量的壓力的范圍或不確定的大小與彈性元件的形式有關(guān)，通過有膜片式、波紋管式、彈簧式等。例如平波膜片的測(cè)定的不確定度的大小為10 kN，波紋管式的測(cè)量范圍為1 kN。該裝置的不確定大小為1.3×10-4。

（5）疊加式力標(biāo)準(zhǔn)裝置。

該測(cè)力機(jī)主要的測(cè)試機(jī)理通過設(shè)定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)較高的測(cè)力儀器，然后采取機(jī)械或者液壓的方式完成對(duì)力值的測(cè)量，比對(duì)分析測(cè)試力儀器的性能指標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)力儀器的性能指標(biāo)大小以及安裝的質(zhì)量等對(duì)該裝置的不確定產(chǎn)生影響。目前我國(guó)的關(guān)于疊加式力標(biāo)準(zhǔn)裝置的范圍大小為500 kN～1 MN，該裝置的不確定度的大小為3.4×10-4。

關(guān)于我國(guó)的力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置相比較國(guó)外來講，存在著很大程度上的差距，不僅在力值范圍上相比較而言，最大與最小值都比較窄，低于國(guó)外的發(fā)展水平，而且在力值擴(kuò)展不確定度也存在著一定的差距。例如在疊加式力標(biāo)準(zhǔn)裝置應(yīng)用中，美國(guó) NIST在1991年建立的53 MN BM計(jì)量裝置中，力值范圍為4.5～53 MN，相對(duì)不確定度為0.038%（1.7 kN）；而我國(guó)在2005年建立的50 MN BM，力值范圍為5～50 MN，相對(duì)不確定度為0.20%（k=2），我國(guó)和國(guó)外計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)上存在很大的差距與不足。

2 力學(xué)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置發(fā)展趨勢(shì)

伴隨著新技術(shù)與新材料的發(fā)展與應(yīng)用，在力值的計(jì)量中，將電子信息技術(shù)與數(shù)字信息處理技術(shù)融入其中，其主要的發(fā)展方向如下。

（1）量限向兩端延伸。

計(jì)量裝置的測(cè)量的量限范圍的大小由于受到測(cè)試要求與環(huán)境要求提高，對(duì)于力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置微小力值與超大的力值大小的設(shè)計(jì)研究與延伸，成為當(dāng)前力值計(jì)量的一個(gè)重要的發(fā)展內(nèi)容。

（2）由靜態(tài)向動(dòng)態(tài)發(fā)展。

對(duì)于計(jì)量裝置的測(cè)量一個(gè)重要的發(fā)展方向是以動(dòng)態(tài)的力校準(zhǔn)來完成對(duì)信號(hào)測(cè)定準(zhǔn)確度的提高。將信息處理技術(shù)融入到力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)裝置中，對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與分析，動(dòng)態(tài)的跟蹤信號(hào)的變化大小，成為今后發(fā)展的方法之一。

（3）廣泛采用傳感技術(shù)和激光技術(shù)。

將傳感器技術(shù)與激光技術(shù)融合到力學(xué)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置中，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，根據(jù)壓電效應(yīng)、壓阻效應(yīng)以及多普勒效應(yīng)等原理結(jié)合最新的傳感元器件與傳感技術(shù)，提高計(jì)量裝置的測(cè)試的精確度。利用激光技術(shù)，通過正弦逼近的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行改進(jìn)與處理，校準(zhǔn)的不確定度的靈敏大小得到提高。將計(jì)算機(jī)技術(shù)與力值標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)合形成一個(gè)良好的視窗風(fēng)格形式，對(duì)人為誤差降低具有很重要的作用。力學(xué)計(jì)量裝置的自動(dòng)化控制與數(shù)據(jù)獲取的可靠性成為今后發(fā)展的內(nèi)容之一。

3 結(jié)語

伴隨著信息化與數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，在整個(gè)力學(xué)計(jì)量的設(shè)計(jì)過程中，將最先進(jìn)的技術(shù)與手段融合到力學(xué)計(jì)量中來，建立一個(gè)功能與服務(wù)強(qiáng)大的數(shù)字化計(jì)量平臺(tái)成為今后發(fā)展的一個(gè)重要的內(nèi)容之一。

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