力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置的現(xiàn)狀及發(fā)展探討

卓秋霖

【摘 要】力學(xué)計(jì)量技術(shù)裝置是力學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)。本文探討了力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置應(yīng)用現(xiàn)狀以及未來發(fā)展趨勢，進(jìn)而為后續(xù)的各項(xiàng)工作指明了方向。

【關(guān)鍵詞】標(biāo)準(zhǔn)裝置;力學(xué)計(jì)量;現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢;

1 前言

力學(xué)計(jì)量是工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)技術(shù)研究的基礎(chǔ)，是推動(dòng)力學(xué)發(fā)展的重要基礎(chǔ)保障。力學(xué)計(jì)量技術(shù)起源于牛頓經(jīng)典力學(xué)理論，在科研人員不斷的推動(dòng)下，我國已經(jīng)逐漸完成了力學(xué)計(jì)量體系的建立。并且，隨著自動(dòng)化技術(shù)、信息數(shù)字化技術(shù)、圖像處理技術(shù)、圖像現(xiàn)實(shí)技術(shù)、智能化技術(shù)等現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國力學(xué)計(jì)量體系逐漸向高端計(jì)量水平發(fā)展。通過學(xué)習(xí)、消化、再創(chuàng)新的方式，與國家新型計(jì)量平臺(tái)一同建立了精密度更高的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，打造國際化先進(jìn)力學(xué)計(jì)量體系。在此，筆者針對目前國內(nèi)外力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置的研究

2力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置現(xiàn)狀

1、靜重式力基準(zhǔn)機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)

一種典型的凈重式力基準(zhǔn)機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)如圖1所示，其工作原理是使用砝碼作為基、標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷力值。通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)微小、平穩(wěn)的將砝碼負(fù)荷施加到被檢測力儀上。這種標(biāo)準(zhǔn)裝置發(fā)揮了砝碼的穩(wěn)定特性，適得其準(zhǔn)去度高于其他標(biāo)準(zhǔn)裝置。在使用過程中，為了提高標(biāo)準(zhǔn)裝置的精密度，還要考慮空氣浮力作用以及不同維度重力場加速度差異對負(fù)荷力的影響。對于質(zhì)量為m的砝碼，在不同重力場下，有空氣浮力影響的負(fù)荷力值F可以表述為：

從負(fù)荷力值的計(jì)算公式來看，這種標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度引入來源主要為砝碼質(zhì)量的不確定度、標(biāo)準(zhǔn)裝置工作環(huán)境中空氣密度檢測的不確定度、標(biāo)準(zhǔn)砝碼密度檢測的不確定度以及標(biāo)準(zhǔn)裝置工作地點(diǎn)重力加速度檢測的不確定度。

2、杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)

一種典型的桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)如圖2所示，其工作原理基于靜電力學(xué)的杠桿原理，在裝置運(yùn)行中保持等臂杠桿系統(tǒng)平穩(wěn)，此時(shí)杠桿兩端力矩相等，根據(jù)一端已知砝碼的質(zhì)量實(shí)現(xiàn)對被檢測力儀力值的計(jì)量。復(fù)現(xiàn)力值F的表達(dá)公式為：

其中， 為復(fù)現(xiàn)力值，單位N; 為標(biāo)準(zhǔn)砝碼質(zhì)量，單位kg; 為工作地點(diǎn)對應(yīng)的重力場加速度，單位 ; 為外界環(huán)境實(shí)施空氣密度，單位 ; 為標(biāo)準(zhǔn)砝碼的密度，單位 ;k為杠桿的放大比。

從復(fù)現(xiàn)力值的計(jì)算公式來看，這種標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度引入來源與靜重式力基準(zhǔn)機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)不確定來源相似，此外還包括了杠桿比檢測的不確定度。

3、液壓式力基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)

一種典型的液壓式力基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)如圖3所示，其工作原理是基于帕斯卡原理，在密閉液體裝置中通過兩個(gè)面積不同的無機(jī)械摩擦缸塞進(jìn)行壓強(qiáng)比的計(jì)量，再以砝碼作為基準(zhǔn)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)對被檢測力儀力值的計(jì)量（如圖4所示）。復(fù)現(xiàn)力值F的表達(dá)公式為：

其中， 為復(fù)現(xiàn)力值，單位N;W為砝碼的重力，單位N; 為測力活塞及其掛吊的重力，單位N; 為測力儀平衡重塊的重力，單位N; 為工作缸塞的有效面積，單位 ; 為測力缸塞的有效面積，單位 ;H為測力活塞與工作活塞底面的高度差值，單位 ; 為工作介質(zhì)的密度，單位 ; 為工作活塞及其方向器的重力，單位N; 為測量儀的重力，單位N;

這種類型測力儀的放大系數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于杠桿式測力儀，經(jīng)常被計(jì)量機(jī)構(gòu)應(yīng)用在大量程力的檢測。

4、疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)

一種典型的液壓式力基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)如圖5所示，其工作原理去上述三種測力儀不同，使用相對比較的測力方法代替絕對測力方法，它是由一組或者一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測力儀和標(biāo)準(zhǔn)力傳感器組成。通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)備，標(biāo)準(zhǔn)測力儀與被檢測儀串聯(lián)，使用液壓或者機(jī)械方式施加負(fù)荷力，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)力傳感器的標(biāo)準(zhǔn)值和被檢測力儀讀數(shù)來計(jì)量被檢測力儀的力值計(jì)量。工作原理如圖6所示。

疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)計(jì)量結(jié)果的不確定度引入主要來源于標(biāo)準(zhǔn)測力儀的性能參數(shù)、被檢測力儀與標(biāo)準(zhǔn)測力儀的連接方式、加荷機(jī)構(gòu)性能等。

3力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置發(fā)展趨勢

1、自動(dòng)化方向

數(shù)據(jù)采集技術(shù)、光電技術(shù)、圖像顯示技術(shù)、高速通信技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，為力學(xué)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的開發(fā)注入了全新的活力，已經(jīng)成為了其今后發(fā)展的重要方向。引入自動(dòng)化系統(tǒng)的力學(xué)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置測量結(jié)果更加準(zhǔn)確、工作效率更高、耗時(shí)更短，也可以消除人為因素所導(dǎo)致的計(jì)量誤差。

2、計(jì)量限值向兩端延伸

受到測量原理、儀器構(gòu)件的閑置，力學(xué)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的計(jì)量范圍限定在一定范圍內(nèi)。目前隨著力學(xué)計(jì)量范圍要求的增加，我國相關(guān)技術(shù)人員必須對計(jì)量范圍增加做技術(shù)攻關(guān)，做到計(jì)量裝置發(fā)展與時(shí)俱進(jìn)。目前，先進(jìn)的力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置計(jì)量范圍兩端極值在1N微小力值和10MN超大力值研究上。

3、結(jié)合激光與傳感器技術(shù)

基于多普勒效應(yīng)、光電效應(yīng)以及壓阻效應(yīng)等技術(shù)原理，充分融合先進(jìn)的傳感器技術(shù)，開發(fā)精密度更高的力學(xué)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，減少測量結(jié)果的誤差。同時(shí)，借助正弦逼近等數(shù)據(jù)處理方式，降低儀器測量的不確定度。

4 結(jié)論

綜上所述，傳統(tǒng)的力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置為我國工業(yè)發(fā)展、科學(xué)技術(shù)研究提供了必要的支撐條件。隨著信息化、智能化、自動(dòng)化、高速通信化等現(xiàn)代化技術(shù)發(fā)展，計(jì)量機(jī)構(gòu)科研人員必須更好的將這些高新科技與力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)合起來，進(jìn)一步提升我國力學(xué)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)體系水平。

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（作者單位：貴州航天計(jì)量測試技術(shù)研究所）