力学计量标准装置的研究

力学计量标准装置的研究

一、力基标准装置的结构形式作为力值的传递标准，在20世纪70年代之前，主要采用银箱式和百分表式测量仪，可靠性低。随着科学技术的快速发展,一大批力基标准装置相继建立。目前,力基标准装置的主要结构形式有静重式、杠杆式、液压式和叠加式。我国在20世纪70年代末建立起了1MN以下的力基标准装置,随后又建立起了5MN、20MN和30MN力基、标准装置,并制定了相应的检定规程,完善了力值的量传体系。二、现在测量力值(一)加荷式力值计量静重式力基、标准机或静重式基、标准测力机,均以已知砝码的重力直接作为基、标准力值,通过适当的机构和程序平稳地施加到被检定的测力仪上。静重式就是直接加荷式,所以有时也称之为直接加荷式基、标准测力机。考虑到空气浮力影响,质量为m的砝码在重力场中所复现的力值F可表达为:式中:F——力值,N;m——砝码的质量,kg;g——安装地点的重力加速度,m/sρ这种机器的力值不确定度,主要取决于砝码质量的不确定度、安装地点重力加速度的测量不确定度、砝码和空气密度的测量不确定度。其计量性能还与机器的结构、负荷的加卸载方式和砝码的稳定性等有关。力值不确定度可达1×10-5。(二)测力仪的力值不确定度杠杆式力标准机或杠杆式标准测力机,利用不等臂杠杆系统(单级或复式),将已知砝码的重力放大而得到标准力值,平稳地施加到被检定的测力仪上。其所复现的力值F可表达为:式中:k——杠杆放大比,即杠杆长臂与短臂长之比。这种机器的力值不确定度除了静重因素外,主要取决于杠杆比的测量不确定度;其计量学性能同杠杆的构造与组合方式、刀刃与刀承的构造以及加工安装的质量有关,力值不确定度可达1×10-4。(三)测力机的最大力值液压式力基、标准机或液压式基、标准测力机,以帕斯卡原理为基础,通过两个面积不等的无机械摩擦的缸塞副,将已知砝码的重力放大而得到基、标准力值,平稳地施加到被检定的测力仪上。所复现的力值F可表达为:式中:W——砝码的重力,N;WSH——测力活塞与工作活塞底面的高度差,m;ρ——油液密度,kg/mW由于这种测力机的放大比远大于杠杆式测力机,因而通常用作大力值基、标准机。最大力值有20MN、5MN、2MN(含500kN组)和600kN等,力值不确定度一般可达1×10-4。我国大力值(不小于1MN)国家基准由最大力值为5MN和20MN的两台液压式基准测力机组成,其力值不确定度分别为2×10-4和1×10-4。(四)标准测力仪的测量特性这种力标准机与前述三种测力机不同,它不是采用绝对测量方法,而是采用相对比较测量方法,是用一个(组)标准较高的测力仪作为标准,通过适当的机构,与被检定的测力仪串联(叠置)后,以液压方式或机械方式施加负荷,进行比较测量,用以确定被检测力仪的计量特性。其力值不确定度主要取决于标准测力仪的性能指标、被检测力仪的串联方式、安装质量以及加荷机构的性能等。国内已有最大力值为500kN和1MN的叠加式力标准机,其力值不确定度一般可达到3×10-4。(五)细胞不同频率下的废水处理系统目前,力传感器动态校准主要有两种方法:阶跃力法和正弦力法。阶跃力法是利用一个液压力源,被测传感器放在由脆性材料试件构成的支梁上,当载荷施加到一定量时,脆性材料达到强度极限,试件突然断裂,传感器受到一个下降时间为(20~50)μs的斜坡负阶跃力激励,阶跃力大小由试件截面积控制。传感器输出信号到信号采集系统供处理。正弦力法是利用一个振动台,被测传感器安装在振动台台面上,被测传感器顶面安装已知质量(m)的质量块,当振动台做正弦振动时,根据牛顿第二定律,力传感器承受的动态力为F=ma,a可由加速度计测量。改变振动台振动频率,可得到不同频率下的正弦力。上述两种方法都可在一定频率和力值范围内使用,并能取得较好的测量结果,但仍有很大的局限性,例如频率范围不够宽、力值大小受限制,加之安装方式带来的误差较大,所以校准不确定度较低,目前仍没有广泛使用。三、计量变量的发展趋势近年来,随着数控加工技术、电子技术、计算机技术和信号处理技术不断地应用在力值计量中,其发展趋势主要有以下几个方面:(一)全方位校准软件充分利用当今计算机技术的最新成就,各类视窗风格功能齐全的校准软件广泛地应用于各类力标准机中,提高了校准速度,减少了人工操作,消除了人为误差。目前推出的力标准机无一例外地都实现了自动化。(二)态力校准的研究鉴于动态力校准的重要性和目前的发展状况,动态力校准的研究正进一步深化,并取得了一些进展。借助于动态信号分析和处理技术,研究动态力的发生机理及信