疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機的長期穩(wěn)定性與準(zhǔn)確度

高富榮，譚洪輝，黃振宇

（廣東省計量科學(xué)研究院，廣東 廣州 510405）

1 引 言

力標(biāo)準(zhǔn)機是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)力值用于檢定、校準(zhǔn)測力儀（或稱重傳感器）且符合國家計量技術(shù)法規(guī)的機器。力標(biāo)準(zhǔn)機通常有四種類型：靜重式、杠桿式、液壓式和疊加式。疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機（簡稱疊加機或BM）是用一個或一組（通常為三個）比被檢定的測力儀準(zhǔn)確度高的標(biāo)準(zhǔn)測力儀作為標(biāo)準(zhǔn)，與被檢測力儀串聯(lián)，以液壓或機械方式施加負(fù)荷，采用比較測量方法的力標(biāo)準(zhǔn)機。近年來，隨著力傳感器技術(shù)發(fā)展，疊加機得到了越來越多的應(yīng)用[1-5]，但對于疊加機計量性能的評價方法，有值得討論之處。

2 疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機的準(zhǔn)確度

疊加機主要由參考標(biāo)準(zhǔn)、力加載機構(gòu)（又稱力源）、控制系統(tǒng)三大部分組成。參考標(biāo)準(zhǔn)由一個或一組的高準(zhǔn)確度測力儀構(gòu)成，并事先在力基準(zhǔn)機或者上一級的力標(biāo)準(zhǔn)機上完成標(biāo)定。工作時，力源對參考標(biāo)準(zhǔn)和被檢測力儀（或傳感器）同時加載，由于兩者受力串聯(lián)，承受同一載荷。載荷大小由參考標(biāo)準(zhǔn)的輸出確定，當(dāng)輸出達到由基準(zhǔn)或上一級標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定的定度值時，所施加的載荷為一標(biāo)準(zhǔn)力值，控制加載機構(gòu)將該力值保持穩(wěn)定，并記錄下被檢測力儀的輸出。逐級加載和卸載，即可完成對被檢測力儀的檢測。

從組成結(jié)構(gòu)上分析，影響疊加機力值準(zhǔn)確度的因素主要有參考標(biāo)準(zhǔn)力傳感器的技術(shù)特性（包括零點輸出、零點飄移、重復(fù)性、直線度、滯后、長期穩(wěn)定性、蠕變、輸出溫度影響等）、力源的剛性和壓向工作臺的水平度等。

根據(jù)疊加機的工作原理，它的力值數(shù)據(jù)由所使用的參考標(biāo)準(zhǔn)給出，而參考標(biāo)準(zhǔn)必須先在國家力基準(zhǔn)機上進行定度才能使用，疊加機的輸出數(shù)據(jù)實際上是參考標(biāo)準(zhǔn)定度的結(jié)果，即其量值溯源到國家基準(zhǔn)。另一方面，疊加機的機架及加載機構(gòu)在通常狀態(tài)下能夠保持很好的穩(wěn)定性，不會突然出現(xiàn)影響整機計量性能的失效情況。因此，在首次校準(zhǔn)后，疊加機的計量準(zhǔn)確度主要取決于參考標(biāo)準(zhǔn)傳感器的技術(shù)特性，尤其是傳感器的長期穩(wěn)定性。

需要強調(diào)的是，在考核參考標(biāo)準(zhǔn)的長期穩(wěn)定性時，所采用的數(shù)據(jù)必須是未經(jīng)修正的結(jié)果。如JJG 144-2007《標(biāo)準(zhǔn)測力儀檢定規(guī)程》[6]所述，當(dāng)直接使用傳感器的輸出信號時，無法通過數(shù)學(xué)方法對數(shù)據(jù)進行修正，在此前提下考核其長期穩(wěn)定性才具有實際意義。反之，當(dāng)傳感器使用力值單位（如N、kN）時，若在重新校準(zhǔn)后對定度數(shù)據(jù)或擬合公式進行了修正，則此時無論是考核其長期穩(wěn)定性還是示值誤差，都無法真實反映傳感器的性能，也就無法保證疊加機的準(zhǔn)確度。

評價疊加機力值準(zhǔn)確度的方法主要有直接法和間接法兩種。其中，直接法是根據(jù)疊加機所使用的參考標(biāo)準(zhǔn)傳感器的計量特性對整機的力值準(zhǔn)確度進行評價；間接法則是通過更高準(zhǔn)確度的傳遞標(biāo)準(zhǔn)對疊加機進行檢定或校準(zhǔn)，根據(jù)檢定或校準(zhǔn)的結(jié)果評價其力值準(zhǔn)確度[7]。這兩種方法在JJF 1094-2002《測量儀器特性評定》分別稱為分部法和比較法[8]。JJG 734-2001《力標(biāo)準(zhǔn)機檢定規(guī)程》中規(guī)定的力標(biāo)準(zhǔn)機檢定方法即屬于間接法[9]，其中對于疊加機力值誤差的定義與檢定方法，沒有從其他類型中獨立出來。根據(jù)以上的討論，可考慮對疊加機的長期穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度進行單獨規(guī)定。

3 疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機長期穩(wěn)定性考核實例

建立在廣東省計量科學(xué)研究院的3MN疊加機，由廣東省計量科學(xué)研究院和中國測試技術(shù)研究院聯(lián)合研制，是世界上首臺大力值機械式力標(biāo)準(zhǔn)機。該標(biāo)準(zhǔn)機采用三臺參考力傳感器并聯(lián)，對輸出信號取和作為整機的輸出結(jié)果。力標(biāo)準(zhǔn)機的主體采用了四根導(dǎo)向光柱固定上、下橫梁和工作平臺構(gòu)成的高剛性框架結(jié)構(gòu)。移動橫梁由四根精密滾珠絲杠副傳動，既可產(chǎn)生對下橫梁工作平臺的壓向作用力，又可產(chǎn)生對上橫梁的拉向作用力。加載機構(gòu)分為粗加載系統(tǒng)和精加載系統(tǒng)兩部分，粗加載系統(tǒng)利用伺服電機驅(qū)動減速機構(gòu)，經(jīng)同步帶驅(qū)動四組蝸輪蝸桿及四根精密滾珠絲杠上的動橫梁來完成對參考標(biāo)準(zhǔn)實施額定負(fù)荷90%的粗加載；精加載系統(tǒng)采用與參考標(biāo)準(zhǔn)同軸安裝的壓電陶瓷力發(fā)生裝置，通過微機控制系統(tǒng)的程序控制，完成對參考標(biāo)準(zhǔn)實施額定負(fù)荷90%～100%范圍內(nèi)的精加載[1]。

在2006年8月利用直接法對該疊加機進行考核，通過1 MN力值國家基準(zhǔn)（力值擴展不確定度為0.002%，k=3）對三臺參考力傳感器分別進行定度，并將定度數(shù)據(jù)取和作為該機的標(biāo)準(zhǔn)力值使用。在2007年3月再次利用直接法對該疊加機進行檢定。兩次實驗的結(jié)果在表1中列出，比較兩次實驗結(jié)果可得，在該期間內(nèi)疊加機的長期穩(wěn)定性優(yōu)于±0.01%。同時，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)估算該疊加機的力值相對擴展不確定度優(yōu)于 0.03%（k=2）。

表1 用直接法評估得到的力值長期穩(wěn)定性

另一方面，在2007年11月及2008年9月，使用在5 MN力基準(zhǔn)機（力值擴展不確定度為0.03%，k=3）上檢定合格的標(biāo)準(zhǔn)傳感器，按照間接法對該3 MN疊加機進行了兩次檢定，兩次實驗得到的數(shù)據(jù)非常接近，在此只選取2008年9月的數(shù)據(jù)列于表2之中。此外，在2009年6月，使用三個在1MN力值國家基準(zhǔn)上分別校準(zhǔn)過的傳感器并聯(lián)組成傳遞標(biāo)準(zhǔn)，同樣按照間接法對3MN疊加機進行了一次檢定，結(jié)果也列入表2。將這三次實驗結(jié)果與2007年3月的定度結(jié)果進行比較，若不考慮溯源至不同基準(zhǔn)所造成的差異，則后面三次用間接法檢定得到的結(jié)果與定度結(jié)果之間的差值，所反映的仍然是疊加機的長期穩(wěn)定性。從表2的數(shù)據(jù)可以看出，從2007年3月至2009年6月期間，該疊加機的長期穩(wěn)定性優(yōu)于±0.02%。

表2 用間接法評估得到的力值長期穩(wěn)定性

根據(jù)以上實驗結(jié)果作出圖1，表明該臺3MN疊加機在接近三年的時間內(nèi)具有優(yōu)秀的長期穩(wěn)定性。綜合其他性能指標(biāo)[1]，可以確定該疊加機的準(zhǔn)確度達到了0.03級。

此外，綜合以上的討論及實驗結(jié)果可知，由于疊加機的力值是通過對參考標(biāo)準(zhǔn)傳感器進行定度得到的結(jié)果，因此無論用直接法還是間接法對其進行考核，所反映的都是其長期穩(wěn)定性。但是，必須保證力標(biāo)準(zhǔn)機所使用的力值數(shù)據(jù)是未經(jīng)調(diào)整或修正的，才能保證考核結(jié)果的有效性。

4 準(zhǔn)確度優(yōu)于0.03級的疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機的量值溯源

根據(jù)JJG 2066-2006《大力值計量器具檢定系統(tǒng)表》，力值范圍在1MN以上的大力值力標(biāo)準(zhǔn)機，可溯源至5MN或20MN液壓式大力值國家基準(zhǔn)，力值的傳遞通過在力基準(zhǔn)機上進行檢定的標(biāo)準(zhǔn)測力儀實現(xiàn)，即采用間接法對力標(biāo)準(zhǔn)機進行考核[10]。但是，5MN力基準(zhǔn)機和20 MN力基準(zhǔn)機的力值擴展不確定度分別為0.03%和0.01%，按照檢定系統(tǒng)表上的規(guī)定，通過這兩臺基準(zhǔn)檢定的標(biāo)準(zhǔn)測力儀準(zhǔn)確度最高為0.03級，只能用于檢定0.05級或以下級的力標(biāo)準(zhǔn)機。因此，0.03級或更高準(zhǔn)確度的力標(biāo)準(zhǔn)機，無法通過這種方法溯源至5 MN或20 MN的大力值國家基準(zhǔn)。量值溯源在一定程度上也成為了制約高準(zhǔn)確度疊加機研制工作的瓶頸。

為解決高準(zhǔn)確度大力值疊加機的溯源問題，可通過直接法在1MN力基準(zhǔn)機上對疊加機所使用的參考標(biāo)準(zhǔn)進行檢定或校準(zhǔn)，實現(xiàn)量值溯源[11]。以3MN疊加機為例，將三個1MN參考力傳感器分別在1MN靜重式力基準(zhǔn)機上進行校準(zhǔn)，每個傳感器校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度都可以優(yōu)于0.01%。由于疊加機的參考標(biāo)準(zhǔn)由這三個傳感器并聯(lián)組成，考慮三個輸出信號對合成輸出影響的相關(guān)性，則參考標(biāo)準(zhǔn)的力值不確定度應(yīng)等于三個力傳感器各自的不確定度的平均值[7]，可達到0.01%的水平。再考慮傳感器的長期穩(wěn)定性、輸出溫度、內(nèi)插誤差的影響以及疊加機壓向工作臺水平度的影響，3MN疊加機的力值擴展不確定度可達到0.02%～0.03%（k=2）。采用以上方法，可在一定程度上解決準(zhǔn)確度為優(yōu)于0.03級的疊加機的量值溯源問題。

由于疊加機與其他形式的力標(biāo)準(zhǔn)機相比具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、工作效率高的優(yōu)點，解決高準(zhǔn)確度疊加機的量值溯源問題，對于我國大力值計量體系的發(fā)展具有重要意義。例如，國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 376：2004《金屬材料 單軸試驗機檢驗用測力儀的校準(zhǔn)》中規(guī)定，用于檢驗試驗機的標(biāo)準(zhǔn)測力儀可分為00級、0.5級、1級和2級四個等級，所需校準(zhǔn)力的不確定度相應(yīng)為0.01%、0.02%、0.05%和0.10%[12]。但是，目前我國的大力值計量器具檢定系統(tǒng)中尚不存在0.02級的力標(biāo)準(zhǔn)機，若按照ISO標(biāo)準(zhǔn)的要求，則00級、0.5級的標(biāo)準(zhǔn)測力儀只能直接在基準(zhǔn)上進行檢定或校準(zhǔn)，而對于1～5MN的范圍，國家基準(zhǔn)也不能達到不確定度優(yōu)于0.02%的要求。在這種情況下，選擇長期穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高的力傳感器并聯(lián)的方案建立0.02級或0.03級的疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機，并通過直接法在1MN靜重式力基準(zhǔn)機上進行量值溯源，是解決上述問題的一個有益思路。

5 結(jié)束語

疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機的參考標(biāo)準(zhǔn)傳感器對整機性能具有主要影響。在考核疊加機的性能時，應(yīng)注意區(qū)分參考標(biāo)準(zhǔn)的長期穩(wěn)定性和疊加機的力值誤差之間的異同。采用直接法與間接法進行檢定或校準(zhǔn)，兩種可互相印證。長遠來看，對于疊加機計量性能的檢定方法，可考慮單獨編寫檢定規(guī)程。對于高準(zhǔn)確度的疊加機，可以通過直接法溯源至靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機解決其量值溯源問題。

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