力學(xué)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研究

一、力基標(biāo)準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)形式作為力值的傳遞標(biāo)準(zhǔn)，在20世紀(jì)70年代之前，主要采用銀箱式和百分表式測(cè)量?jī)x，可靠性低。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,一大批力基標(biāo)準(zhǔn)裝置相繼建立。目前,力基標(biāo)準(zhǔn)裝置的主要結(jié)構(gòu)形式有靜重式、杠桿式、液壓式和疊加式。我國(guó)在20世紀(jì)70年代末建立起了1MN以下的力基標(biāo)準(zhǔn)裝置,隨后又建立起了5MN、20MN和30MN力基、標(biāo)準(zhǔn)裝置,并制定了相應(yīng)的檢定規(guī)程,完善了力值的量傳體系。二、現(xiàn)在測(cè)量力值(一)加荷式力值計(jì)量靜重式力基、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)或靜重式基、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力機(jī),均以已知砝碼的重力直接作為基、標(biāo)準(zhǔn)力值,通過(guò)適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)和程序平穩(wěn)地施加到被檢定的測(cè)力儀上。靜重式就是直接加荷式,所以有時(shí)也稱之為直接加荷式基、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力機(jī)。考慮到空氣浮力影響,質(zhì)量為m的砝碼在重力場(chǎng)中所復(fù)現(xiàn)的力值F可表達(dá)為:式中:F——力值,N;m——砝碼的質(zhì)量,kg;g——安裝地點(diǎn)的重力加速度,m/sρ這種機(jī)器的力值不確定度,主要取決于砝碼質(zhì)量的不確定度、安裝地點(diǎn)重力加速度的測(cè)量不確定度、砝碼和空氣密度的測(cè)量不確定度。其計(jì)量性能還與機(jī)器的結(jié)構(gòu)、負(fù)荷的加卸載方式和砝碼的穩(wěn)定性等有關(guān)。力值不確定度可達(dá)1×10-5。(二)測(cè)力儀的力值不確定度杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)或杠桿式標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力機(jī),利用不等臂杠桿系統(tǒng)(單級(jí)或復(fù)式),將已知砝碼的重力放大而得到標(biāo)準(zhǔn)力值,平穩(wěn)地施加到被檢定的測(cè)力儀上。其所復(fù)現(xiàn)的力值F可表達(dá)為:式中:k——杠桿放大比,即杠桿長(zhǎng)臂與短臂長(zhǎng)之比。這種機(jī)器的力值不確定度除了靜重因素外,主要取決于杠桿比的測(cè)量不確定度;其計(jì)量學(xué)性能同杠桿的構(gòu)造與組合方式、刀刃與刀承的構(gòu)造以及加工安裝的質(zhì)量有關(guān),力值不確定度可達(dá)1×10-4。(三)測(cè)力機(jī)的最大力值液壓式力基、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)或液壓式基、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力機(jī),以帕斯卡原理為基礎(chǔ),通過(guò)兩個(gè)面積不等的無(wú)機(jī)械摩擦的缸塞副,將已知砝碼的重力放大而得到基、標(biāo)準(zhǔn)力值,平穩(wěn)地施加到被檢定的測(cè)力儀上。所復(fù)現(xiàn)的力值F可表達(dá)為:式中:W——砝碼的重力,N;WSH——測(cè)力活塞與工作活塞底面的高度差,m;ρ——油液密度,kg/mW由于這種測(cè)力機(jī)的放大比遠(yuǎn)大于杠桿式測(cè)力機(jī),因而通常用作大力值基、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)。最大力值有20MN、5MN、2MN(含500kN組)和600kN等,力值不確定度一般可達(dá)1×10-4。我國(guó)大力值(不小于1MN)國(guó)家基準(zhǔn)由最大力值為5MN和20MN的兩臺(tái)液壓式基準(zhǔn)測(cè)力機(jī)組成,其力值不確定度分別為2×10-4和1×10-4。(四)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀的測(cè)量特性這種力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)與前述三種測(cè)力機(jī)不同,它不是采用絕對(duì)測(cè)量方法,而是采用相對(duì)比較測(cè)量方法,是用一個(gè)(組)標(biāo)準(zhǔn)較高的測(cè)力儀作為標(biāo)準(zhǔn),通過(guò)適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu),與被檢定的測(cè)力儀串聯(lián)(疊置)后,以液壓方式或機(jī)械方式施加負(fù)荷,進(jìn)行比較測(cè)量,用以確定被檢測(cè)力儀的計(jì)量特性。其力值不確定度主要取決于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀的性能指標(biāo)、被檢測(cè)力儀的串聯(lián)方式、安裝質(zhì)量以及加荷機(jī)構(gòu)的性能等。國(guó)內(nèi)已有最大力值為500kN和1MN的疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī),其力值不確定度一般可達(dá)到3×10-4。(五)細(xì)胞不同頻率下的廢水處理系統(tǒng)目前,力傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)主要有兩種方法:階躍力法和正弦力法。階躍力法是利用一個(gè)液壓力源,被測(cè)傳感器放在由脆性材料試件構(gòu)成的支梁上,當(dāng)載荷施加到一定量時(shí),脆性材料達(dá)到強(qiáng)度極限,試件突然斷裂,傳感器受到一個(gè)下降時(shí)間為(20~50)μs的斜坡負(fù)階躍力激勵(lì),階躍力大小由試件截面積控制。傳感器輸出信號(hào)到信號(hào)采集系統(tǒng)供處理。正弦力法是利用一個(gè)振動(dòng)臺(tái),被測(cè)傳感器安裝在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上,被測(cè)傳感器頂面安裝已知質(zhì)量(m)的質(zhì)量塊,當(dāng)振動(dòng)臺(tái)做正弦振動(dòng)時(shí),根據(jù)牛頓第二定律,力傳感器承受的動(dòng)態(tài)力為F=ma,a可由加速度計(jì)測(cè)量。改變振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)頻率,可得到不同頻率下的正弦力。上述兩種方法都可在一定頻率和力值范圍內(nèi)使用,并能取得較好的測(cè)量結(jié)果,但仍有很大的局限性,例如頻率范圍不夠?qū)挕⒘χ荡笮∈芟拗?加之安裝方式帶來(lái)的誤差較大,所以校準(zhǔn)不確定度較低,目前仍沒有廣泛使用。三、計(jì)量變量的發(fā)展趨勢(shì)近年來(lái),隨著數(shù)控加工技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)不斷地應(yīng)用在力值計(jì)量中,其發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面:(一)全方位校準(zhǔn)軟件充分利用當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)的最新成就,各類視窗風(fēng)格功能齊全的校準(zhǔn)軟件廣泛地應(yīng)用于各類力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)中,提高了校準(zhǔn)速度,減少了人工操作,消除了人為誤差。目前推出的力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)無(wú)一例外地都實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。(二)態(tài)力校準(zhǔn)的研究鑒于動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)的重要性和目前的發(fā)展?fàn)顩r,動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)的研究正進(jìn)一步深化,并取得了一些進(jìn)展。借助于動(dòng)態(tài)信號(hào)分析和處理技術(shù),研究動(dòng)態(tài)力的發(fā)生機(jī)理及信