力值计量force measurement.doc

10质量2班1010132217 程志刚力值计量【摘要】力学计量是计量学开展最早的领域之一。力学计量主要包括质量、力值、压力、振动、流量等计量测试。力学计量在国民经济中起着非常重要的作用。本文主要涉及了力学计量中的一个重要分支力值计量。力值计量在建筑、材料、国防和工业生产中有重要作用，其任务是统一力值，保证各种标准测力仪器和测力设备准确可靠。【关键字】力学计量 力值计量 力值传递系统 力值不确定度 力值计量标准 力值计量发展趋势力的本质使物体间的相互运动，力以改变物体的机械运动状态或其动量，力是使物体动量发生改变而获得加速度或者使物体发生变形的作用。力是矢量，力有三要素：大小(力值)、方向及作用点。在SI中，力的计量单位是牛顿(N)，1N就是使1kg质量的物体产生lms2加速度的力。【7】按照随时间变化的特性分类，有静态力和动态力。静态力的施加速度相当缓慢平稳，达到目标力值后便保持不变或变动极不显著。动态力可分为力随时间周 期变化(重复力与交变力)、突然变化(冲击力)及随机变化(随机力)等。 按照力值测量范围分类，在实际应用中，通常有微小力值(10N以下)、中小力值(10NIMN)及大力值 (1MN以上)。力的本质是物体之间的相互作用，这种作用在宏观上可以改变物体的机械运动状态或所具有的动量，使物体产生加速度，这是力的动力效应或外部效应;也可以使物体产生变形，在物体中产生应力和应变，这是力的静力效应或内部效应。实际上，在物体受力的作用时，这两种效应常常是同时发生的。力值单位的复现、传递及力值测量的原理与方法，通常可归纳为利用力的动力效应和静力效应。要完全确定一个力，必须知道其大小、方向 和作用点，这是力的三要素。力值就是力的大小，在工程计量中习惯上把由力值导出的扭矩、转矩、机械功率等，也归于力值计量的范畴。按照相互作用的发生方式来分类，宇宙中目前存在引力、电磁力、弱作用力、强作用力4种力，可能存在并正在探索中的还有超电荷力。在这些力中，引力是 物体间由于引力质量而具有的相互作用力，又称万有引力。电磁力是带电物体之间、磁铁或通电导线之间的相互作用力的统称，固体内部的应力、接触力、弹性力、摩擦力、粘滞力等，都是物体原子和分子间电磁作用力的宏观表现。弱作用力和强作用力发生于原子核 内部的质子、中子及其他基本粒子之间，统称为核力。超电荷力使不同结构的物体可能产生稍为不同的下落加速度，又称为第五种力。按照函数的分类方法，力分为4种:力等于常数，如一定地点和高度的重力;力是时间的函数，如 冲击力;力是距离的函数，如引力;力是速度的函数，如粘滞力。【8】 一、 力值的计量方法（1）利用力的动力效应计量力值。力的动力效应是使物体产生加速度,根据牛顿第二定律,当物体的质量及其加速度被测定之后,力值也就被测定出来了。静重式标准测力机就是利用已知质量的砝码在已知重力场中所产生的重力来复现力值的; 杠杆式和液压式标准测力机则是利用杠杆和液压系统,对此重力进行放大来复现较大的力值的。【7】 （2）力的静力效应计量力值。力的静力效应是使物体产生变形或内应力,测定了物体变形或内部应力相对应的参量也就测定了力值,大部分测力计正是利用这一原理来工作的。如果物体是一个好的弹性体,则根据材料力学的虎克定律,在弹性范围内物体的变形量与作用力成正比,在确定了变形量与力值的对应关系后,再通过测定物体的弹性变形量即可得到力值。计量变形量的方法很多,例如用百分表式标准测力仪、读数显微镜、测微显微盘等计量环体的变形,用电阻应变式测力传感器、差动变压器、电容器等计量弹性体的变形。【7】二、力值传递系统力值计量在我国分为五大类：（1）是国家力基准机,这是我国力值计量的最高基准,是统一我国力值计量的唯一依据； （2）是精度为110-5210-5的高精度力传感器,一般作为标准用于检定二等标准测力机；（3）是各省市作为标准使用的二等标准测力机; （4）是各种型号规格的三等标准测力机和标准力的传感器； （5）是各种型号规格的材料试验机、工作测力计和普通精度的负荷测力传感器。【7】作为力值的传递标准，在上世纪70 年代以前，主要采用水银箱式和百分表式测力仪，准确度低。随着科学技术的快速发展，一大批力基标准装置相继建立。目前，力基标准装置的主要结构形式有静重式、杠杆式、液压式和叠加式。我国在20 世纪70 年代末建立起了1MN 的力基标准装置，随后又建立起了5MN、20MN 和30MN 力基、标准装置，并制定了相应的检定规程，完善了力值的量传体系【1】【3】。 三、力值不确定度在力基（标/校）准机或材料试验机中，由于各种可能的物理因素、结构及安装等因素的影响，导致其产生的对力值不能肯定的程度。注：（1）静重式力标准机的力值不确定度的主要影响因素有砝码质量、重力加速度、砝码材料密度和空气密度等。（2）杠杆式力标准机或液压式力标准机的力值不确定度的主要影响因素除（1）中四个因素外，还有放大比等因素。（3）叠加式力标准机或力比较机的力值不确定度的主要影响因素是参考标准的力值测量不确定度、长稳定度和温度影响等。【9】四、力值计量标准力值计量标准分为两大类，一类是产生标准力值的，用于检定、校准标准测力仪或力传感器的力标准装置，称之为力标准机。力标准机通常有四种类型：静重式、杠杆式、液压式和叠加式。另一类是用于检定、校准、比对传递力值的标准器。称之为标准测力仪。（一）静重式力基、标准机静重式力基、标准机或静重式基、标准测力机，均以已知砝码的重力直接作为基、标准力值，通过适当的机构和程序平稳地施加到被检定的测力仪上。静重式就是直接加荷式，所以有时也称之为直接加荷式基、标准测力机。考虑到空气浮力影响，质量为m 的砝码在重力场中所复现的力值F可表达为：F = m g (1-a /w )式中：F力值，N；m砝码的质量，kg；g 安装地点的重力加速度，m/s2；a空气密度，kg/m3；w 砝码材料的密度，kg/m3。，因此，利用地球引力场中砝码的重力产生力值建立力值基、标准，砝码质量直接溯源到质量标准，可以获得较高的准确度，此种类型的力标准机称之为“静重式力标准机（简称DWM）”。目前，世界各国均采用静重式力标准机作为量值溯源的基准，世界上最大的静重式力标准机为美国国家标准与技术研究所（NIST）的1 000klbf（约4.5 MN），力值相对扩展不确定度为0.002%（k=3）【1】；这种机器的力值不确定度，主要取决于砝码质量的不确定度、安装地点重力加速度的测量不确定度、砝码和空气密度的测量不确定度。其计量性能还与机器的结构、负荷的加卸载方式和砝码的稳定性等有关。力值不确定度可达110 - 5。中国最大的静重式力标准机是保存在中国测试技术研究院的1 MN 力值国家基准，力值相对扩展不确定度为0.002%（k=3）。由于静重式力标准机体积庞大、造价昂贵，世界各国均建立作为力值计量的最高标准（基准）。另一种类型的力标准机则是以砝码的重力作为标准负荷，经一定比例的杠杆机构放大，或经一定比例的两组油缸活塞液压系统放大而获得较大力值和较高准确度，此种类型力标准机称之为“杠杆式力标准机（简称LM）”或“液压式力标准机（简称HM）”。目前，国际上最大的杠杆式力标准机，单杠杆机为1MN，力值不确定度为0.01%0.02%；合双杠杆机为2MN，力值不确定度为0.02%0.03%。国际上最大的液压式力标准机为中国计量院（NIM）的20 MN、日本NMIJ 的20MN、德国PTB 的16.5MN，力值不确定度为0.01%.由于液压式力标准机制造技术难度较大、造价昂贵，因此，世界上只有少数国家将其建立作为大力值计量标准。近年来，由于传感器技术的快速发展，可测量1 MN 以上的大力值高精度力传感器已经面市。采用力传感器作为参考标准，与被检传感器串联，以机械或液压方式施加负荷的力标准机也相继问世，国际上将此种类型的力标准机称之为“叠加式力标准机（简称BM）”。由于叠加式力标准机结构简单造价相对较低，准确度又能满足检定、校准的需要，因此被世界各国采用。随着力源的控制技术及传感器性能的提高，叠加式力标准机的计量性能也将会得到很大的发展和提高【2】（二）杠杆式力标准机杠杆式力标准机或杠杆式标准测力机，利用不等臂杠杆系统（单级或复式），将已知砝码的重力放大而得到标准力值，平稳地施加到被检定的测力仪上。【3】其所复现的力值F可表达为：F=kmg ( 1-a/w )式中：k杠杆放大比，即杠杆长臂与短臂长之比。这种机器的力值不确定度除了静重因素外，主要取决于杠杆比的测量不确定度；其计量学性能同杠杆的构造与组合方式、刀刃与刀承的构造以及加工安装的质量有关，力值不确定度可达1104。【1】（三）液压式力基、标准机液压式力基、标准机或液压式基、标准测力机，以帕斯卡原理为基础，通过两个面积不等的无机械摩擦的缸塞副，将已知砝码的重力放大而得到基、标准力值，平稳地施加到被检定的测力仪上。所复现的力值F 可表达为：F = (W +W0 + G) S1/S2 + HgS1 - W1-W2式中：W砝码的重力，N；W0测力活塞及其挂吊的重力，N；G测力仪平衡重块的重力，N；S1工作缸塞的有效面积，m2 ；S2测力缸塞的有效面积，m2；H测力活塞与工作活塞底面的高度差，m；油液密度，kg/m3；W1工作活塞及其反向器的重力，N；W2测力仪的重力，N。由于这种测力机的放大比远大于杠杆式测力19机，因而通常用作大力值基、标准机。最大力值有20MN、5MN、2MN (含500 kN 组)和600 kN 等，力值不确定度一般可达110 - 4。【1】目前， 国内2 MN 液压式力标准机大约有12 台，绝大多数是70 年代制造的，力值不确定度在0.510-3110-3。国内大于2MN 的液压式力标准机建有三台：重庆航天7140 计量站在1975 年建立了一台5MN HM，力值不确定度为510-4；北京中国计量院1985 年建立了一台5MN HM，力值不确定度为310-4，1995 年建立了一台20 MN HM，力值不确定度为110-4，液压式力标准机的研制技术关键：（1）主油缸活塞间的静摩擦，大、小活塞传递比的测量和控制；（2）较大压力下大、小活塞系统的静平衡（负荷波动）的自动控制；（3）砝码交换产生逆负荷现象的自动控制。【4】液压式力标准机工作原理：由于液压式力标准机的放大比（传递比）很大（20 MN HM 为5001，5 MN HM 为2501），测力油缸、活塞间的静摩擦和砝码交换时的逆负荷效应带来的不确定度分量最小为310-5510-5，最大可达110-4。而且液压式力标准机工作活塞和油缸的加工和测量难度非常大，制造一台5 MN HM 的加工周期至少三年以上，系统的测量和调试周期至少两年以上，因此建立一台0.03 级5 MN HM 至少需要5 年以上的周期，而且耗资巨大。在20 世纪80 年代，国际上少数国家斥巨资研制液压式力标准机作为国家的力值计量标准，九十年代以后就未见这种形式的力标准机的报道。【2】（四）叠加式力标准机这种力标准机与前述三种测力机不同，它不是采用绝对测量方法，而是采用相对比较测量方法，是用一个(组)标准较高的测力仪作为标准，通过适当的机构，与被检定的测力仪串联(叠置)后，以液压方式或机械方式施加负荷，进行比较测量，用以确定被检测力仪的计量特性。其力值不确定度主要取决于标准测力仪的性能指标、被检测力仪的串联方式、安装质量以及加荷机构的性能等。【1】目前，国内大于1MN的叠加式力标准机见报道的有三台，浙江省计量院在2006 年建立了一台6 MNBM，力值不确定度为110-3；广东省计量院在2008 年建立了一台3MN BM，力值不确定度为310-4；中国测试技术研究院在1985 年建立了国内最大的力标准机30MN BM，量程内的力值扩展不确定度（k=2）0.3 MN3 MN 为310-4，1MN10 MN为510-4，3MN30MN 为110-3。叠加式力标准机的研制技术关键：以液压或机械方式加载的力产生装置的负荷波动性及灵敏阈的控制；参考标准（组）对加载速度的响应和蠕变的控制；参考标准（组）的力值复现性和重叠效应的控制。【4】目前，世界上拥有大力值测力机的国家仅有德国、日本和中国等几个国家。美国和英国于7O年代建立的50MN(5000吨力)和30MN (3000吨力)的测力机，均采用力源传感器技术，测力不确定度为03到05。德国在7O年代初建立的165MN液压式基准测力机，其不确定度已达到0.03 ，而日本8O年代初建造的20MN液压式基准测力机与我国建造的这台测力机一样，又将测量不确定度提高到0.08，从而跨人了世界大力值测量的先进行列。与日本的测力机相比，我国的这台测力机还同时具有测试10MN拉力的功能。这台精密计量设备净重200t，主机高105m，整套设备的零部件全部国产化 在这台测力机上采用的静压润滑技术还是世界首创，这一先进技术不仅保证了高水平的整机性能，而且使体积减小，为国际测力设备的发展开创了一条新路。【6】性能特点静重式力标准机10 N1 100 KN 0.310-4110-4 准确度高杠杆式力标准机1 KN1 000 KN 110-4310-4 准确度较高液压式力标准机5 KN600 KN 310-4510-4 结构较复杂叠加式力标准机1 KN1 000 KN 310-4510-4