力學計量技術標準裝置的應用現狀及趨勢分析

張保勇，梁 勇

（濟寧市質量計量檢驗檢測研究院，山東 濟寧 272000）

制造業是國家支柱產業之一，力學計量在制造業中的應用極為常見，可見力學計量對國家經濟發展的重要性。而力學計量主要通過國家計量基標準裝置對不同場景下的力值等力學參數進行測量。隨著制造業不斷發展，力學計量需求越來越復雜，簡單力學計量技術標準裝置無法對由不同力、振動、速度、振源構成的復雜力值進行準確測量。于是在國家有關部門和行業專業人員的共同努力下對力學計量技術標準裝置進行優化和迭代，目前已經能夠運用力學計量技術標準裝置測量大扭矩力值、多分量力值、高頻液體質點振動力值、復雜環境力值、多目標速度振源力值、極低值高準確度力值。之所以力學計量基標準體系能夠全面完善，是因為力學計量技術標準裝置已經可以在多分量、多動態、復雜現場環境中得到準確力值測量結果，直接推動了有力值測量有關各行各業產業的轉型升級。

1 力學計量基本概念

力學計量主要通過力值的傳遞通過力學計量技術標準裝置等工具得到較為準確的力值測量結果。改革開放以前我國工業體系比較落后，力學計量技術標準體系和具體裝置比較落后，其中最常見的力學計量技術標準裝置是百分表式測力儀，只能在對受力分析單一、靜態、簡單環境中的力值進行測量，即使這樣也無法保障力值測量結果的準確率。而現階段我國主要工業體系趨近完善，目前在精確度要求較高、靜態力測量領域和重力監測領域中主要采用靜重式力學計量技術標準裝置，在精確度要求較低、測量環境比較復雜的力值測量領域中主要采用杠桿式力學計量技術標準裝置，在精確度要求較高、特定壓力測量領域中主要采用液壓式力學計量技術標準裝置，在多分量、多動態、環境比較復雜的力值測量領域中主要應用疊加式力學計量技術標準裝置，在動態化、多頻率下壓力測量領域中主要應用傳感器力學計量技術標準裝置。目前我國1 MN、5 MN力學計量技術標準裝置應用頻率最高，技術研發投入力度較大，已經取得一定成就，但是力學計量技術標準裝置應用頻率較低，技術研發投入力度較小，目前未能達到與世界接軌水平。

2 力學計量與力學計量技術標準裝置的聯系

力學計量的目的是準確得到質量、力值、扭矩、硬度、壓力、真空、震動、沖擊、轉速、恒加速度、流量、流速、容量各個力學參數的測量結果，力學參數和校準過程中需使用力學計量技術標準裝置作為測量和校準工具，力學計量技術標準裝置的精確度越高最終力學計量結果越精準。力學計量主要在機械制造業、環境監測、交通運輸、航空航天等領域應用，這些領域的特點是對力學計量結果精確度的要求比較高。力學計量應用領域逐漸向高精尖發展的同時，必須不斷優化高精度、低精度、靜態力、動態力、單分量、多分量、常見領域。特殊領域中的力學計量技術標準裝置，使力學計量技術標準裝置達到與世界接軌水平，因此二者是相互發展、相互促進的關系。

3 力學計量技術標準裝置的應用現狀

自改革開放以來力學計量技術標準裝置不斷研發、迭代，進步速度非常快，舊有測力儀不斷被新型力學計量技術標準裝置所取代。最新的力學計量技術標準裝置既可以適用單分量、靜態、實驗室環境，又可以在多分量、動態、復雜現場環境中廣泛使用。目前靜重式力標準機主要應用在精確度要求較高的靜態力測量和重力監測領域；杠桿式力標準機主要應用在精確度要求不高且測量環境比較復雜的常見力值測量領域；液壓式力標準機主要應用在精確度要求較高的特定環境壓力測量領域；疊加式力標準機主要應用在受力分析復雜、動態化、測量環境復雜下的綜合力值測量領域；力傳感器動態特性校準主要應用在動態力、多頻率、精確度要求低的壓力測量領域，但是后來該力學計量技術標準裝置具有在高精度力值測量領域中的應用前景。各個力學計量技術標準裝置準確性存在一定差異，具體應用現狀如下：

3.1 靜重式力基、標準機

靜重式力基、標準機主要將重量固定的砝碼動力作為標準力值，然后通過特定程序應用靜重式力基、標準機相關程序和測力儀進行監測，最后才能提高靜重式力基、標準機在靜態力、重力檢測領域中力值測量精確度。正常情況下重力檢測領域中各行各業應用靜重式力基、標準機的頻率比較高，其根本原因是該在力計量技術標準裝置在重力檢測中的應用效果比較精準且測量難度較小，重力測量中更適合應用靜重式力基、標準機。力學計量中重力檢測所占比重較大，而且靜重式力基、標準機可以一直保持較高測量精度，其專業性和優越性使靜重式力基、標準機在各個行業重力檢測領域中的應用頻率居高不下。靜重式力基、標準機在重力監測領域中的力值測量公式如下所示：

公式（1）中各指標意義如下：F表示重力監測領域中的力值測量結果，單位為N；m表示重力場中靜重式力基、標準機所用砝碼的固定質量，單位為kg；g表示重力加速度，單位為m/s2；ρ1和ρ2分別表示重力場中的空氣密度和砝碼的密度，單位為kg/m3。

3.2 杠桿式力標準機

杠桿式力標準機主要應用于單級或復式不等臂杠桿系統，工作原理是將已知的固定砝碼重力放大，達到標準力值后將其施加到測力儀對待檢測機構力值進行測量。杠桿原理和力學計量原理相融合可以大幅度減少力學計量技術標準裝置的力值測量步驟，精簡了整個力學計量流程。但是力學計量存在流程簡單、操作簡便的問題，杠桿式力標準機測量精確度低的問題難以避免，該力學計量技術標準裝置最大不確定度可達1×10-4。正常情況下，靜重式力基、標準機的適用場景少于杠桿式力標準機，力值測量精確度要求越高則表示該力計量技術標準裝置的適用場景越少，很多力學測量并不需要得到非常精確的測量結果。因此綜合考慮下杠桿式力標準機在通用力值測量場景中的應用頻率更高，而且不容易受到外界環境等因素的影響。由于杠桿式力標準機只需在合適場景中應用杠桿式力標準機即可有效縮減力學測量工質量。杠桿式力標準機在大部分通用力值測量領域中的公式如下所示：

公式（2）中各指標意義如下：F、m、g、ρ1和ρ2各指標意義與公式（1）完全一致；k表示杠桿長臂長度與杠桿斷臂長度的比值。

3.3 液壓式力基、標準機

液壓式力基、標準機主要通過兩個面積不一致且無機械摩擦的缸塞副和砝碼固定重量值得到標準力值，然后將標準力值施加到測力儀上即可得到特定壓力測量領域中的力值測量結果。在精確度要求較高、特定壓力測量領域中主要采用液壓式力學計量技術標準裝置，壓力檢測中應用此類力學計量技術標準裝置的效果優于其他力學計量技術標準裝置類型，液壓式力標準機不確定度最小可達1×10-4、最大可達2×10-4。雖然液壓式力基、標準機的應用場景比較有限，但是在特定場景中應用液壓式力基、標準機是非常必要的，液壓式力基、標準機無法被其他力學計量技術標準裝置替代。正常情況下，液壓式力基、標準機在壓力測量中的力值測量精確度更高，而靜重式力基、標準機、杠桿式力標準機雖然可以用于壓力監測，但是無法得到較為準確的力值測量結果，因此當前液壓式力基、標準機逐漸成為壓力檢測中應用頻率最高的力學計量技術標準裝置。液壓式力標準機的力值測量公式如下所示：

公式（3）中各指標意義如下：F指標意義與公式（1）、（2）一致；W1表示壓力測量中砝碼自身重力，單位為N；W2表示該力學計量技術標準裝置測力活塞和掛吊的重力，單位為N；W3表示該力學計量技術標準裝置工作活塞和反向器的重力，單位為N；W4表示壓力測量中測力儀的重力，單位為N；G表示平衡重塊的重力，單位為N；S1、S2分別表示該力學計量技術標準裝置工作缸塞和測力缸塞的有效面積，單位為m2；H表示測力活塞與工作活塞的距離，單位為m；ρ表示壓力測量中液壓式力基、標準機油液的密度，單位為kg/m3；

3.4 疊加式力標準機

疊加式力標準機主要應用一組標準較高的疊置串聯測力儀，在采用機械方式或者液壓方式對測量結構施加負荷，最后通過比較測量即可得到力值檢測結果。疊加式力標準機最為常見的最大力值基準為500 kN、1 MN，該力學計量技術標準裝置的不確定度可達3×10-4。正常情況下若力值測量場景為重力監測領域精確度要求較低、測量環境比較復雜的力值測量領域、壓力測量領域，則可以分別應用靜重式力標準機、杠桿式力標準機、液壓式力標準機，只有疊加力測量難以適用以上任何一種力學計量技術標準裝置時才會選擇應用疊加式力標準機進行力值測定。疊加式力標準機的力值測量精確度只與測力儀施加負荷方式、串聯方式、安裝質量、自身性能有關，實際測量疊加力時可以針對以上精確度影響因素減少測量誤差。

3.5 力傳感器動態特性校準

力傳感器動態特性校準力學計量技術標準裝置在階躍力法下主要在外力作用下使脆性材料達到強度極限并斷裂，然后傳感器可以在極短時間內受到斜坡負階躍力激勵，最后根據截面積和傳感器系統即可得到較為準確的測量結果；力傳感器動態特性校準力學計量技術標準裝置在正弦力法下可以直接傳感器數值，質量塊重量根據 F=ma公式，即可得到力傳感器動態特性校準結果。但是整體來說力傳感器動態特性校準誤差遠超以上四類力學計量技術標準裝置，因此力傳感器動態特性校準并未像以上四類力學計量技術標準裝置一樣得到廣泛推廣。

4 力學計量技術標準裝置的發展趨勢

隨著我國力學計量基標準體系的不斷完善，大扭矩力值、多分量力值、高頻液體質點振動力值、復雜環境力值、多目標速度振源力值等問題部分得到解決，但是主要解決思路是對現有力學計量技術標準裝置進行改進，使其力值測量精確度得到提高、適用力值測量領域得到拓展。未來力學計量技術標準裝置將向自動化、動態力、極值力的方向發展，最終力學計量技術標準裝置將能夠在自動化技術、動態力測量技術、極限測量技術下提高力值測量精確度、降低測量操作難度。

（1）自動化。力學計量技術標準裝置自動化可以解決人為帶來的誤差問題，力學計量技術標準裝置很難完全擺脫人為參與，只要人為參與到力值測量中就會導致誤差問題出現，只是很多時候人為導致的誤差與力學計量技術標準裝置本身存在的誤差相比可以忽略不計。未來，力學計量技術標準裝置將通過自動化操控提高力值測量精確度，同時拓寬各類力學計量技術標準裝置的應用范圍。

（2）動態力。力學計量技術標準裝置能夠用于測量動態力的比較少，而且不能保證力學計量技術標準裝置在動態力測量中的精確度。未來，力學計量技術標準裝置研究人員可以在力傳感器動態特性校準方面加大研發投入，通過傳感器和相關配套系統，既可以實現力學計量技術標準裝置自動化，又可以讓力學計量技術標準裝置應用在動態力測量中。

（3）極值力。力學計量技術標準裝置極值力研究主要指1 N以下以及10 MN以上的力值測量，極值力測量能夠應用在很多高精尖領域中，例如航空航天領域中可以運用力學計量技術標準裝置對1 N以下的力值進行測量，一次判斷飛行器或飛行載具是否存在安全隱患。目前力學計量技術標準裝置力值測量范圍主要在1 MN、5 MN等量級，1 N以下以及10 MN的力學計量技術標準裝置較少，而且不能保障力值測量精確度。未來，研究人員必須在極值力研究方面加大投入，完善我國力學計量基標準體系，減少力學計量技術標準裝置應用領域缺陷，減少力學計量技術標準裝置的短板。

5 結論

綜上所述，目前靜重式力標準機主要應用在精確度要求較高的靜態力測量和重力監測領域；杠桿式力標準機主要應用在精確度要求不高且測量環境比較復雜的常見力值測量領域；液壓式力標準機主要應用在精確度要求較高的特定環境壓力測量領域；疊加式力標準機主要應用在受力分析復雜、動態化、測量環境復雜下的綜合力值測量領域；力傳感器動態特性校準主要應用在動態力、多頻率、精確度要求低的壓力測量領域，但是后來該力學計量技術標準裝置具有在高精度力值測量領域中的應用前景。未來力學計量技術標準裝置將繼續向自動化、動態力、極值力的方向發展，提高力學計量技術標準裝置的應用范圍，完善我國力學計量基標準體系，讓我國力學計量技術標準裝置在測量與校準方面的能力得到國際認同，這樣才有望提高我國制造業工業產品附加值，讓我國真正成為制造業強國。