液壓式標準測力儀的設計與實現

摘 要：【目的】標準測力儀是力值由基準機或標準機傳遞到工作計量器具的重要儀器。在大力值計量領域，傳統的應變式測力儀器受材料和自身原理所限，其自身體積和重量隨著量程的增加迅速增加，實際計量工作中對大力值測力儀的小型化和便攜化存在迫切需求。針對此需求，基于帕斯卡原理設計了一種液壓式標準測力儀。【方法】液壓式標準測力儀的主體結構為帶有柱塞的液壓缸，缸體上設置有油路接口連接液壓傳感器。在工作時，外部載荷通過柱塞傳導至液壓缸內部，從而將力值載荷轉換為液壓缸內部液體壓強，并通過液壓傳感器進行測量，基于力值與壓強的對應關系實現對大力值的準確測量。【結果】結果顯示，所設計的液壓式標準測力儀的力值—壓強響應曲線具有較好的線性關系，經標定后液壓式標準測力儀的最大測量范圍可達5 000 kN，相對誤差優于0.3%，示值重復性不超過0.15%，符合國家檢定規程對于0.3級標準測力儀的相應要求。【結論】設計并制造了一種液壓式標準測力儀，并通過試驗驗證了液壓測力方案在大力值測量領域的可行性，該裝置的放大比由柱塞有效面積決定，在超大力值測量領域具有良好的應用前景。

關鍵詞：液壓式標準測力儀；大力值計量；測力傳感器

中圖分類號：TH715" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2025）04-0042-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.04.009

Design and Implementation of Hydraulic Standard Force Dynamometer

WANG Xueyang1 WANG Zizheng2 BAI Jianuo1 WANG Yiming1

（1.Henan Institute of Metrology， Zhengzhou" 450000， China; 2.Shaanxi University of Science amp; Technology， Xi'an 710021， China）

Abstract： [Purposes] Standard force dynamometers are important instruments for transmitting force values from force standard machine to working measuring instrument. In the field of large force measurement， traditional force dynamometers based on strain gauges are limited by materials and their own principles， and their volume and weight rapidly increase with the increase of measurement range. There is an urgent need for miniaturization and portability of large force dynamometers in practical measurement work. To solve this problem， this article designs the hydraulic standard force dynamometer based on Pascal's principle. [Methods] The main body of the hydraulic standard force dynamometer is a hydraulic cylinder with a plunger， and an oil interface is set on the cylinder body to connect the hydraulic sensor. In working condition， the external load is transmitted to the inside of the hydraulic cylinder through the plunger， thereby converting the force value into the liquid pressure inside the hydraulic cylinder， and measuring it through hydraulic sensors. Based on the correspondence between force value and pressure， accurate measurement of the force value is achieved. [Findings] The experimental results show that the force-pressure response curve of the designed hydraulic standard force dynamometer has good linearity. After calibration， the maximum measurement range of the hydraulic standard force dynamometer can reach 5 000 kN， the relative error is better than 0.3%， and the relative error is less than 0.3%， which meets the requirements of the 0.3 level standard force dynamometer. [Conclusions] In this paper， the hydraulic standard force dynamometer was designed and manufactured， which verified the feasibility of the hydraulic force measurement scheme in the field of large force measurement experimentally. The amplification ratio of the device is determined by the effective area of the plunger， and it has good application prospects in the field of ultra-large force measurement.

Keywords： hydraulic standard force dynamometers; large force measurement; force sensor

0 引言

在力值計量中，我國現行檢定系統表中要求采用力標準機和標準測力儀交替的方式實現力值量值從國家計量基準到工作計量器具的量值傳遞［1-2］。其中標準測力儀是力值由力基準機或力標準機傳遞到各類材料試驗機和專用力源的重要儀器［3-6］。目前，標準測力儀基于應變式測量原理，主要由彈性體和應變傳感器構成，當外力施加在物體上時，彈性元件會發生彈性變形，其內置的應變傳感器則檢測并轉換這種變形信號，從而實現對力值的測量［7］。但隨著量程的增加和準確度的提高，傳統應變式測力儀需要使用更厚實的材料和更復雜的結構設計，這些因素都會導致測力儀的體積增加［8］。尤其是對于1 000 kN以上大力值的計量，由于測力儀的體積和自重較大，通常需要專用起重設備進行搬運和安裝，給現場計量工作帶來諸多不便［9-11］。

隨著對大力值（＞1 000 kN）量值傳遞與溯源工作需求的不斷增加，液壓式力值計量方案因其具有較大的放大比，在大力值計量領域具有更廣闊的應用前景。目前，國內多個省、市級法定計量機構均已引進液壓式力標準裝置，如山西省計量院、無錫市計量院等。

本研究借鑒液壓式力標準裝置，設計了一種液壓式標準測力儀。以帕斯卡原理為基礎，采用具有特定面積比例的油缸活塞所形成的油路系統，將所承受的力值載荷等比例地轉換為腔體內部的液體壓強，并通過精密液壓傳感器進行測量，從而實現大力值測量。在保證測量準確性的基礎上，其體積和重量相較于傳統應變式測力儀更小，能夠更加便捷且準確地在工業現場進行力值的量值傳遞和溯源。

1 液壓式標準測力儀工作原理

液壓放大式力標準機是以帕斯卡原理為基礎設計制造的。帕斯卡原理指出，密閉容器內的液體會向各個方向施加相等的壓力，根據這一原理，作用于封閉液體的外力以相等的壓力向限制液體的容器或管道的表面傳遞。液壓式標準測力儀結構示意如圖1所示，當力值載荷作用在柱塞上時，會在液壓缸腔內部產生一個壓強，根據等靜壓原理可得式（1）。

[P=FS]" （1）

式中：P為壓強；F為作用在柱塞上的力值載荷；S為液壓缸有效面積。當考慮摩擦力的影響時，由式（1）可得式（2）。

[F=P?S+f]" （2）

式中：[f]為液壓缸內壁與柱塞的摩擦力，測力儀分為壓向和拉向兩種工作狀態，測量時又可分為進程和回程兩種方式，摩擦力的方向與所施加的力值相反，應為負值。由于主體結構為油缸活塞，且在制造加工時存在一定的加工誤差，液壓缸內壁與柱塞的摩擦力會引入額外的測量不確定度分量但對于大力值量程而言，摩擦力對測量結果的相對不確定度影響較小，這為液壓式測力方案在大力值計量中的應用提供了可行性。

2 液壓式標準測力儀結構設計

液壓式標準測力儀的主體結構為帶有柱塞的液壓缸，如圖1和圖2所示。缸體設置兩個油路接口，其中一個連接油泵，用于補充內部液壓油，另一個連接液壓傳感器，用于檢測缸體內液體壓強。所用液壓傳感器（CPT6020，WIKA）的量程為100 MPa，準確度為0.02%FS。為保證測量時受力方向垂直，在其頂端還配置了球形壓頭壓帽，球頭采用超高強度鋼（42CrMo）制備，具有高強度和韌性，能夠滿足5 000 kN力值載荷的加載要求。

此外，為減小液壓缸體變形所導致的柱塞有效面積發生變化，在液壓缸外圓柱面通過鋼絲纏繞的方式對液壓缸體施加了預應力，以保證測量結果的準確性。在對超大力值的輸出壓力進行測量時，壓頭對活塞施壓，液壓傳感器測得缸體內液體壓強，然后根據活塞與液體的有效接觸面積換算出活塞的受力，從而測得準確的力值。

3 液壓式標準測力儀的標定

液壓式標準測力儀的制造裝配完成之后，使用液壓放大式力標準機（10 000 kN，0.05級）對其進行標定，如圖3和圖4所示，測試力值范圍為500～5 000 kN。

本研究選取8個測量點進行標定，在每個測量點上使用力標準機對液壓式標準測力儀施加力值，待穩定后讀取儀表所顯示的壓強值。從小到大逐點進行加載，各標定點的測量結果見表1。

基于式（2），對標定數據進行一階線性擬合，擬合結果如圖5所示，其斜率為49.229，截距為-1.265。表明所制備的液壓式標準測力儀的柱塞有效面積為49.229×10-3 m2，柱塞與側壁的最大摩擦力為1.265 kN。將該參數寫入其儀表內置程序，可自動按照該公式實時顯示所承受的力值載荷。

4 液壓式標準測力儀的性能測試

在液壓式標準測力儀制造完成后，使用疊加式力標準機（2 0000 kN，0.1級，由河南省計量測試科學研究院生產）對其性能進行測試，測試力值范圍為500～5 000 kN，測試結果見表2。液壓式標準測力儀的示值重復性不超過0.15%，相對誤差優于0.3%，符合0.3級標準測力儀要求，液壓式標準測力儀的最大誤差和最大重復性均出現在500 kN測量點，除該點外其他測量點的重復性和相對誤差均不超過0.1%，這表明隨著加載力值的增加，油缸和柱塞加工裝配精度和摩擦力對測量結果的影響會進一步減小。

5 結語

本研究借鑒液壓式力標準機設計思路，基于帕斯卡原理設計了液壓式標準測力儀，通過測量油缸腔體內部液體壓強，實現對力值載荷的測量。該裝置的放大比由柱塞有效面積決定，在超大力值測量領域具有良好的應用前景。試驗結果顯示，其示值重復性不超過0.15%，相對誤差優于0.3%，符合0.3級標準測力儀要求，滿足設計預期。

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