淺析力學(xué)計量技術(shù)標準裝置的發(fā)展現(xiàn)狀

張平++陳俊

摘 要：伴隨著科技與計量技術(shù)的發(fā)展，力學(xué)計量標準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)計量中，對計量裝置的發(fā)展起到很好的促進作用。本文著力于研究當前力學(xué)計量技術(shù)標準裝置的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，為今后計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) 計量技術(shù)標準 發(fā)展 趨勢

中圖分類號：TJ06 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）01（b）-0217-02

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

牛頓力學(xué)作為力學(xué)計量的理論基礎(chǔ)，以質(zhì)量為依據(jù)進行力學(xué)量的計算。伴隨著技術(shù)的發(fā)展與進步，結(jié)合當代信息化、數(shù)字化以及圖像處理技術(shù)等，促進力學(xué)計量的方法得到長足的發(fā)展，形成一個更具完善的力學(xué)計量體系，計量標準裝置更加精確、應(yīng)用性更強。

本文通過對當代國內(nèi)外力學(xué)計量技術(shù)標準裝置的現(xiàn)狀，并結(jié)合最新的計量應(yīng)用技術(shù)方法進行研究，并對力學(xué)計量技術(shù)標準裝置的長足發(fā)展趨勢進行預(yù)測分析。

1 力學(xué)計量標準裝置的發(fā)展現(xiàn)狀

對于力學(xué)計量技術(shù)標準裝置來講，對于測試的內(nèi)容的而不同而采取不同的測試裝置。在力學(xué)計量的體系中，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)計量裝置。

（1）杠桿式力標準機。

該標準機采用的是杠桿原理，通過作用力的作用實現(xiàn)裝置的轉(zhuǎn)動后，當平衡時，根據(jù)例力矩之和為零的機理來完成對力值的測量。在現(xiàn)實中比較常見的天平就是采用該原理來測試力值大小，如圖1所示。該形式的標準機測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）傳感式力標準裝置。

該形式的標準機通過一定的感應(yīng)元器件和附件組成一個測試系統(tǒng)，根據(jù)被測物體或者標準砝碼的質(zhì)量對該器件產(chǎn)生的彈性變形量的大小來判斷元器件的變化量，然后采集信號的輸出大小，從而進行質(zhì)量衡量或者比對。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質(zhì)量測量。該裝置的不確定度大小為2×10-4。

（3）液壓式力標準裝置。

該標準機的應(yīng)用原理是根據(jù)帕斯卡進行對一個密閉液體進行壓強比的判斷，從而以標準砝碼作為標準利用顯示儀器標定質(zhì)量值的大小。該測量機的應(yīng)用值大小相比較于杠桿式和傳感式標準機來講，具有大的測定范圍，可以達到20 MN，且有2 MN，5 MN等，液壓式力標準裝置的不確定度的大小為1×10-4。

（4）彈簧式力標準裝置。

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，通過傳動的放大機構(gòu)來完成對測試的壓力等大小的顯示。該裝置的測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。例如平波膜片的測定的不確定度的大小為10 kN，波紋管式的測量范圍為1 kN。該裝置的不確定大小為1.3×10-4。

（5）疊加式力標準裝置。

該測力機主要的測試機理通過設(shè)定一個標準較高的測力儀器，然后采取機械或者液壓的方式完成對力值的測量，比對分析測試力儀器的性能指標。標準力儀器的性能指標大小以及安裝的質(zhì)量等對該裝置的不確定產(chǎn)生影響。目前我國的關(guān)于疊加式力標準裝置的范圍大小為500 kN～1 MN，該裝置的不確定度的大小為3.4×10-4。

關(guān)于我國的力學(xué)計量技術(shù)標準裝置相比較國外來講，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，低于國外的發(fā)展水平，而且在力值擴展不確定度也存在著一定的差距。例如在疊加式力標準裝置應(yīng)用中，美國 NIST在1991年建立的53 MN BM計量裝置中，力值范圍為4.5～53 MN，相對不確定度為0.038%（1.7 kN）；而我國在2005年建立的50 MN BM，力值范圍為5～50 MN，相對不確定度為0.20%（k=2），我國和國外計量標準上存在很大的差距與不足。

2 力學(xué)技術(shù)標準裝置發(fā)展趨勢

伴隨著新技術(shù)與新材料的發(fā)展與應(yīng)用，在力值的計量中，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。

計量裝置的測量的量限范圍的大小由于受到測試要求與環(huán)境要求提高，對于力學(xué)計量技術(shù)標準裝置微小力值與超大的力值大小的設(shè)計研究與延伸，成為當前力值計量的一個重要的發(fā)展內(nèi)容。

（2）由靜態(tài)向動態(tài)發(fā)展。

對于計量裝置的測量一個重要的發(fā)展方向是以動態(tài)的力校準來完成對信號測定準確度的提高。將信息處理技術(shù)融入到力學(xué)標準裝置中，對動態(tài)信號進行數(shù)據(jù)的采集與分析，動態(tài)的跟蹤信號的變化大小，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)標準裝置中，利用計算機技術(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)，提高計量裝置的測試的精確度。利用激光技術(shù)，通過正弦逼近的方法對信號進行改進與處理，校準的不確定度的靈敏大小得到提高。將計算機技術(shù)與力值標準裝置結(jié)合形成一個良好的視窗風(fēng)格形式，對人為誤差降低具有很重要的作用。力學(xué)計量裝置的自動化控制與數(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，在整個力學(xué)計量的設(shè)計過程中，將最先進的技術(shù)與手段融合到力學(xué)計量中來，建立一個功能與服務(wù)強大的數(shù)字化計量平臺成為今后發(fā)展的一個重要的內(nèi)容之一。

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