力学计量-第四章.docx

力学计量-第四章第一节概述一、力的概念和力值计量的内容及其意义（一）力的概念力是物体与物体之回的相互作用，即一个物体对另一个物体的作用，或另一个物体对这个物体的反作用。由此，两个物体之间才有力的存在。这种作用可以改变物体的机械运动状态，或改变物体所具有的动量，使物体产生加速度，这可由牛顿第二定律表征，这就是力的“动力效应”。另外，力还可以使物体产生变形，在物体内部产生应力，典型的例子可由虎克定律表征，这就是力的“静力效应”。一般情况下，两物体相互作用时，两种效应同时存在，只是往往以一种效应为主而己。力是矢量，要完全确定一个力就必须知道它的大小（力值）、方向及作用点，这是力的三要素。（二）力的单位在国际单位制（SI），力的计量单位为牛顿，简称牛，符号为N。牛顿的定义是：加在质量为lkg的物体上，使之产生1m/s2加速度的力为1N。其量纲为F=LMT-2。即：1N=1kg1m/s2另外力单位的十进倍数单位和分数单位，可用SI词头加SI单位构成。例如，千牛（kN），兆牛（MN），毫牛（mN，微牛（N）等。（三）力值计量的内容及其意义在机械工业和建筑工业等领域经常遇到计量力的各种实际问题，在生产过程或检验过程中，都需要对各种力进行分析和研究，通过对力的计量和研究以获得各相关的技术特征。因此，在不同的情况下可根据其不同的工作条件使用不同类型的仪器，以进行力的计量。各种机器、机械都是由很多零件或部件组合而成，在原动机带动下，通过力或力矩的传递才能使其各部分产生相应的运动，以便实现机器或机械的功能。由此，就必须对零部件之间的相互作用即力（或力矩）进行测定和分析，以便确定影响负荷的各种因素及可能产生的后果，从而为机械或机械的设计和改进提供依据，提高机器或机械（仪器）的质量及其使用寿命。在材料生产工业中，为了获取材料的技术特征。比如屈服点，屈服强度，抗弯强度，抗压强度等，就必须使用不同的机器或仪器对材料施加相应的力，通过这种力的作用使材料发生相应的效应。反之通过对这种效应即力的测定便可获知材料相应的技术特征，以便评定材料的性能和质量。由此，在生产过程中通常遇到切削力、轧制力、冲压力、推力、牵引力等等各种力的测量以及材料机械性能的试验，以便保证生产过程的正常进行和产品的质量。所以力值计量是必不可少的。其内容目前已发展到除了对一般力的测量之外还适应冲击、疲劳以及各种动态力的测量。二、力的测量方法和分类力的测量方法很多，根据前面力的概念，我们可以将其归纳为利用力的“静力效应”和力的“动力效应”两种方法测力。(一) 利用力的动力效应测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：F=ma（4-1）式中：F物体所受到的力；m物体的质量；a物体在力F作用下所产生的加速度，其方向与力的方向一致。由式（4-1）可知，如果能够测定受力物体的质量及其所获得的加速度，即可测定其力值。在重力场中，地球的引力使物体产生重力加速度，这种力就称为“重力”，即：F=mg（4-2）式中：F物体所受的重力；m物体的质量；g物体在地球引力作用下产生的重力加速度。因重力加速度只是随地球的纬度和海拔高度不同而变化，因此，在一定纬度和海拔高度下其可作为一个常量。所以一定地点的物体所受的重力与物体的质量成正比。因此，可用已知质量的物体在重力场中的重力来测力，也可将重力放大后通过力的平衡比对来测力。这就是利用力的动力效应测量力的基本原理。力基准机和静重式、杠杆式、液压式力标准机，以及一些材料试验机，就是根据上式原理来测力的。例如静重式测力机（包括基准、标准）就是直接将已知质量的砝码所体现力值对被检测仪进行示值定度或检定。其力值计算公式为F=mg1-aw（4-3）式中：m砝码质量，kg；g当地重力加速度，m/s2a空气密度，kg/m3；w砝码材料密度，kg/m3。杠杆式力标准测力机，实际上就是一台大型不等臂天平，而液压式标准测力机则是按帕斯卡原理工作的液压机，它们也都是通过对已知砝码的重力放大后，作用于被检测力仪，通过比对的方法，从而对被检测力仪进行示值定度或检定。其力值计算公式为F=kmg1-aw（4-4）式中k为放大比。对杠杆式测力机等于长臂臂长与短臂臂长之比，对液压式测力机则等于工作活塞与测力活塞二者有效面积之比。试验机的摆锤测力机构是使物体所受的未知力，直接或缩小后跟已知摆陀的重力相平衡来进行测力的。利用物体的重力来测量力时，特别要注意重力加速度会随着不同纬度和不同海拔高度而不同。表4-1列出了我国主要城市重力加速度。表4-1我国主要城市重力加速度一览表（二）利用力的静力效应测量力值力的静力效应是使物体产生变形，在物体内部产生应力，从而使物体产生一些物理特征的变化。主要有以下两种形式。1.弹性变形利用被测力作用在各种结构的弹性元件上，使弹性元件产生变形，根据变形的大小来测量力的大小。百分表式、水银箱式、显微镜式各种弹性环或标准测力仪都是利用测量相应的变形量来测量力值的。2.利用引进某些物理效应的各种力传感器力传感器是利用将被测力作用在传感器的应变片等物质上，使这些物质发生对应的变化并输出相对应的物理特征（电容、电阻等），再通过相应的测量电路反映出被测力的大小。（其具体内容在第六节详述）。三、力值计量器具检定系统力值计量就是通过各种不同的力值计量器具，根据不同的测量原理，测定出被测力大小而进行的一系列测量工作。为了保证力值传递的一致性和准确性，就必须建立相应的力值计量器具检定系统，以此规定力值的国家基准通过各级力值计量标准向力值工作计量器具传送力值单位量值的程序，并指明其不确定度和基本检定方法。我国的力值计量器具检定系统有两个，一个是力值范围在1MN以下的“力值（1MN）计量器具检定系统”，其框图如图4-1所示；另一个是力值范围超过1MN的“大力值计量器具检定系统”，其框图如图4-2所示。图4-1力值（1MN）计量器具检定系统框图图4-2大力值计量器具检定系统框图第二节力基准机和力标准机一、力基准机力值国家基准是一种用于产生基准力值的固定式仪器。我国不大于IMN的国家基准由6台不同力值范围的静重式力基准机组成。其力值范围分别为：20kN100kN；100N6kN；100N5kN和10N100N。大于1MN的国家基准由两台不同力值范围的液压式力基准机组成，一台为0.15MN，另一台为0.520MN。力基准机是用于复现和保存力值计量单位的，它是具有现代科学技术所能达到的最高准确度的测力计量机器，作为统一全国力值计量单位量值的最高依据。力基准机根据其结构不同，主要有静重式力基准机和液压式力基准机两大类。1.静重式力基准机静重式力基准机是根据力的动力效应，直接利用已知质量砝码的重力来复现基准力值的。下面以基准测力机1MN为例，简单介绍其结构。1MN基准测力机主要由机架、负荷吊挂系统、砝码及砝码加卸系统组成，砝码加卸系统中还包括液压传动系统和电器控制、显示系统。如图4-3所示。图4-3基准测力机结构示意图1-底座；2-大立柱；3-砝码；4-大转脚；5-大平台；6-丝杆；7-可动横梁；8-小平台；9-油缸；10-框架；11-吊挂系统；12-千斤顶；13-小转角机架是由固定在基础上的底座1，四根大立柱2，大平台5和组成上部机架的两根丝杆6、小平台8等组成，在丝杆上装有可动横梁7，可动横梁可在丝杆上由电动机带动升降，其升降速度的可在0.160.33mm/s范围内无级调节。测力机所产生的各级负荷吊挂系统11和十三个砝码3所组成。测力机第一级负荷20kN重的负荷吊挂系统在不使用时挂在小平台8上。吊挂系统的上部由上、中、下三根横梁和两根拉杆所组成，两根拉杆穿过可动横梁和大平台5下部与下横梁固定相连的中心吊杆，中心吊杆从砝码的中心孔中穿过。在四根大立柱上装有十三组大转脚4，砝码在不使用时就放置在大转脚4上。十三个砝码中有九个100kN、一个50kN、一个20kN和二个10kN的砝码。每个100kN砝码又是由二个20kN和二个30kN共四个单片砝码组成，50kN砝码则是由一个20kN和一个30kN的单片砝码所组成。这样每片砝码的质量最大不超过30kN左右，以便用天平进行称量。被检测力仪器是装在可动横梁上，并与吊挂系统的横梁相连接，可动横梁的上部空间是做压力传递用，下部空间是做拉力传递用，连接被检测力仪器夹头间的最大距离为100mm。在小平台8装有砝码起重油缸9，砝码的升降是由起重油缸及支持在其上的提升框架10来完成。提升框架上部是由上、下两根提升横梁和穿过大平台5的四根拉杆所组成，下部是与下提升横梁相连接的两根提升杆，提升杆穿过每个砝码的缸口，并在杆上装有与每个砝码相对应的十三对小转脚13，为了使提升框架平稳地升降，在底座和大平台上均装有滚动导向装置。当对已放在可动横梁7的测力仪器加荷时，首先上升可动横梁，通过被检测力仪器将吊挂系统升起使其脱离小平台至固定高度，此时已加上第一级20kN负荷，然后按所需要的负荷按选码器上的相应按钮发出控制指令，这时机器即按控制指令，使与需加砝码相对应的小转脚转90，转动完毕后液压系统即自动供油，使起重油缸9的活塞连同提升框架10升起至固定高度，从而通过已转90的小转脚将砝码提起至同一高度脱离大转脚（对于不需要加荷的砝码，由于与对应的小转脚没有转动而能够通过砝码的缺口，不提升砝码）。当砝码提升至固定高度后，与被提升砝码相对应的大转脚4由电一液控制的小油缸推动转离支承位置，然后提升框架下降将需要加的砝码挂到中心吊杆的凸台上，亦即将砝码的荷重加到被检测力仪器上。提升框架至最低位置时，已转90“的小转脚转回原位，加荷动作完成。在从中心吊杆上卸除砖码时，除大转脚的动作同上述相反外，其他均相同。根据控制指令砝码自动组合成所需要的负荷，砝码加卸过程中的各部动作程序也是自动完成的。砝码升降速度可在0.11.7mm/s范围内任意调节，并有可自动或手动更换的快、慢两种速度，慢速用于在吊杆上加、卸祛快速用于空程升降，操作方便稳妥可靠。为了保持在交换砝码时已加负荷的稳定，本机装有负荷保持千斤顶12，在交换砝码时可用千斤顶来保持被检测力仪器上的负荷。2.液压式力基准机液压式力基准机也用力的动力效应原理，通过将已知质量砝码的重力经液压放大来复现基准力值的。液压式力基准机原理，如图4-4。砝码通过反向器6加在测力活塞5（小活塞上），它对测力油缸5内的液体产生压力。这个压力通过油管7传到工作油缸内，使工作活塞（大活塞）受到一个向上的力F，此力对位于活塞上的被检测力仪3加载。在液压系统泄漏很小和完全消除机械摩擦的条件下，得图4-5所示连通器中液体的平衡方程式：图4-4液压式力基准机原理示意图1-工作油缸；2-工作活塞；3-被检测力仪；4-测力活塞；5-测力油缸；6-反向器；7-油管；8-砝码图4-5帕斯卡原理图（4-5）式中：F作用在被检测力仪上的力；W1工作活塞及其上工作台等的自重；W2被检测力仪的重力；W0测力活塞及反向器等的自重；W在测力活塞上的重力，m加在测力活塞上砝码的质量；A1工作活塞的有效面积；A2测力活塞的有效面积；H工作活塞底面与测力活塞底在的高度差，当工作活塞底面低于测力活塞底面时，H为正，反之H为负；工作油液的密度；g力基准机所在地的重力加速度。式（4-5）经整理得：（4-6）令（4-7）（4-8）则式（4-6）变为（4-9）F1即为测力机的第一级载荷，设计为已知量。对于不同被检测力仪，其重力的改变可通过在测力活塞上另加砝码来平衡。在实际中，为了消除力基准机活塞之间的机械摩擦和减小油液泄漏，工作油塞系统采用静压润滑和高压油封技术，使油塞与缸壁之间形成一层油膜。测力缸塞系统因直径小而长度大，油液泄漏量相对较小。为了消除摩擦则大多采用油缸相对于活塞低速转动的动压润滑技术。二、力标准机根据图4-1、图4-2所示的检定系统，力标准机是一种能产生标准力值的固定式标准器具，主要用于定度标准测力仪。其中不大于1MN的力标准机，按结构型式可分净重式、杠杆式、液压式和叠加式四种结构形式。不同的结构型式的力标准机，其力值范围不同，所产生力值的的不确定度也不同详见图4-1、4-2检定系统框图。1.结构EE-1型二等标准测力机采用直接加荷的原理，即直接利用已知砝码的重力来复现力值，其结构见图4-6。它主要由机架、反向器吊挂系统、砝码组、砝码加卸装置及电控系统等组成。机架由底座16、四个下立柱15、平台8、二个上立柱3、上横梁2及升降手轮1等组成。升降手轮用于调节拉向空间的高度，平台上的两副锁紧器7用于夹反向器的拉杆6。反向器吊挂系统由上梁5，螺纹压块4、拉杆6、下梁9及中心吊杆10等组成。中心吊杆上有上下两个吊盘，伸入大小砝码组的中间，它们的重量构成了第一级负荷（初始负荷）。借助于拉杆上部的花键，上下移动上梁即可对拉压空间的高度进行粗调.转动螺纹压块.则可讲行细调。小砝码组13套装在环形大砝码组12的里面，这两组砝码分别落在砝码加卸装置14的两个托盘上。当大小砝码托盘随着丝杆下降时，大小砝码组也一起下降，它们上面的第一块砝码先落到中心吊杆10的上吊盘或下吊盘上；接着借助砝码间的吊耳11，一个一个地相继吊挂在上一块砝码上，再通过反向器作用到被检测力计。反之，当托盘上升时，砝码就自下而上地依次托起而脱离中心吊杆，进行卸荷，大、小砝码可分别加卸。当电动机通过链轮带动变速箱内的蜗轮副，使两根丝杆同步升降时，即可加卸大砝码，其上下行程由接点支座上的两个限位开关限位。当另一电动机通过链轮带动变速箱内的蜗杆、蜗轮使中间丝杆升降时，即可加小砝码，其上下行程由接点座上的两个限位开关限位。电控系统原理见图4-7。合上总开关1hk显示绿色讯号，即可进行操作。J031-4型交流异步电动机2YD用于升降大砝码组，JW92-4型交流异步电动机2YD用于升降小砝码组。按动按钮1ZA或2FA，交流接触器1ZC或2FC即接通，闭合其触点使1YD正转或反转，从而带动大砝码托盘下降或上升，实现了加荷或卸荷，此时指示灯2XD或3XD燃亮；1XK，2XK分别为其行程的上、上限位开关。同样，按动按钮3ZA或4FA，3ZC或4FC即接通，闭合其触点使2YD正转或反转，从而带动小砝码托盘下降或上升，实现了加荷或卸荷，此时指示灯4XD或5XD燃亮；3XK，4XK分别为其行程的上、下限位开关。4K，3K分别为大、小砝码选择用的转换开关，可根据需要旋到选定的力级处；1K，2K分别为大、小砝码的接点支座。当砝码加卸到选定数量时，砝码托盘上的滑动触头自动使中间继电器1ZJ或2ZJ习接通，打开其触点，1YD或2YD即停转。5K与6K是二十线插头与插座。图4-6EE-1型直接加荷式二等标准测力结构图1-升降手轮；2-横梁；3-上立柱；4-螺纹压块；5-上梁；6-拉杆；7-锁紧器；8-平台；9-下梁；10-吊杆；11-吊耳；12-大砝码组；13-小砝码组；14-砝码装卸装置；15-下立柱；16-底座；17-地脚螺钉图4-7电控系统原理图2.使用（1）操作程序a.操作前应检查各易松零件的坚固性；各活动部件的灵活性及各传动件的啮合性；检查各按钮动作的准确性，如托盘的升降动作与动作按钮所示字样是否相应，各停止按钮是否灵敏；检查砝码加卸的次序性及按选定力级加卸的可靠性，即检查转换开关4K、3K按钮所指的数字是否与砝码加卸的数量相应；检查在加卸过程中砝码与机架及未施加的砝码是否有碰擦现象；检查各润滑部位的润滑情况及各限位开关作用是否正常。b.在拉压间上安装被检测力仪器。当做压力试验时，先调节上梁的位置（松开两边的制动螺母，提升上梁到适当位置并使两拉杆上的轴线高度一致后再固紧），将压力测力仪器放在平台上的压板的中间；再转动螺纹压块，使之与测力仪器稍微接触，并使测力仪器上座对正螺纹压块的中心，此时两拉杆6上的刻线正好露出在锁紧器的上表面。然后同时松开二副锁紧器，初始负荷已加上。当做拉力试验时，类似地调好空间高度，根据拉力测力仪器选择好适当的接头，类似地加上初始负荷。c.加荷时转动操纵板上的转换开关4K或3K，使其旋钮箭头对准选定的力级处，按动“加荷”按钮（即1ZA或3ZA），便开始加挂大砝码或小砝码，加完后自动停车，此时即可观测测力计的进程示值。d.卸荷的方法与加荷类似，将转换开关旋到要卸的力级处（若不做回程检定，则可一次卸到初始负荷，此时将旋钮箭头对准零即可），按动“卸荷”按钮（即2FA或4FA），便开始卸除大砝码或小砝码，卸完后自动停车，此时即可观测测力仪的回程示值。卸到初始负荷后，应锁紧反向器拉杆，回转螺纹压块，初始负荷就随之卸除，此时即可观测测力仪的回零示值。e.检定完毕应关闭总电源，取下被检测力仪器。（2）维护a.应对传动丝杆及变速箱定期涂注不含酸性的润滑油。b.未经表面处理的立柱应经常涂以油脂，防止锈蚀。c.接点支座上的诸接点应定期进行清理，使其接触良好。d.加荷前必须装夹好被检测力仪，使其与螺纹压块4（对拉力测力仪来说它就是螺纹接头）稍微接触，不得有明显的间隙，以免松开锁紧器7时产生冲击现象。e.保持砝码及反向器吊挂系统的清洁，防止锈蚀。3.杠杆式力标准机杠杆式力标准机是根据力的动力效应，将已知质量砝码的重力经不等臂杠杆放大来产生力值的。杠杆式力标准机结构示意图，如图4-8所示。图4-8杠杆式力标准机结构示意图1-砝码；2-不等臂杠杆；3-被检拉式测力仪其中A为重点，受砝码1重力W作用，B为力点，安装被检测力仪3（加一个反向器可安装液压式测力仪），重臂和力臂分别为L，和Lz。当杠杆2平衡时，力点B所受的力F为：（4-10）令L1L2=N杠杆比则式（4-10）可写成F=NW（4-11）若在杠杆的A点加质量为m的砝码，则此砝码在空气中的重力为W=mg（1-a/w）于是：式（4-11）为W=Nmg（1-a/w）（4-12）从式（4-12）可看出，在不等臂杠杆的长臂端加上质量为m的砝码，当杠杆平衡时，短臂端所产生的力等于长臂端砝码重力的N倍。杠杆式力标准机产品有EEI型。4.液压式力标准机液压式力标准机的工作原理与液压式力基准机相同，都是采用帕斯卡原理，通过液压系统放大已知砝码的重力来产生力值。液压式力标准机的产品有EEZ型。蔽压式力标准机同杠杆式力标准机相比，由于其液压放大比、远远大于杠杆比值，因此，在大力值的标准测力机中，往往采用液压式。另外，由于其采用液压加载因此具有平稳安全的特点。但同时在结构上又必须解决呼塞处的摩擦和泄漏问题，因此大多在缸塞处采用油缸低速转动的动压润滑技术。5.叠加式力标准机这种型式的力标准机是由高稳定性的力源与标准力传感器组成。第三节标准测力仪标准测力仪是用于传递标准力值，进行计量检定和力值定度的标准器具。按照其原理可分为机械式和电测式两大类。前者按测量方法又可为百分表式、水银箱式及光学式；后者即为将在第六节介绍的各种测力传感器。标准测力仪是根据力的静力效应测力的。首先，使被测力作用于弹性体上，使之变形，然后通过测量弹性体的变形大小来测力。机械式是利用机械的方法测变形量，其中百分表式标准测力仪是利用百分表来测弹性体的变形量，如图4-9（a）所示。水银箱式是利用测微筒来测量水银箱（弹性体）受力变形后其容积的变化，如图4-9（b）所示。而光学式则是将弹性体的变形经光学放大后，用读数显微镜来测量，如图4-9（c）所示。采用不同工作原理及不同测量方法的标准测力仪，其测力准确度不一样。用于基准力值与标准力值之间传递比对的标准测力仪有0.01和0.03两级，它们通常是电测式和光学式。用于标准力值和一般工作机之间传递的标准测力仪有0.1，0.3和0.5三级，它们通常采用千分表式或水银箱式。下面分别介绍几种常见标准测力仪的结构，使用和校检等方面的内容。图4-9机械式标准测力仪（a）千分表式；（b）水银箱式；（c）光学式1-弹性体；2-千分表；3-指示机构；4-水银箱；5-水银；6-测微筒；7-玻璃标尺；8-光源；9-读数显微镜一、EY显微镜式标准测力仪EY-001100型标准测力仪是显微镜式光学测力仪，它们的极限负荷为100N至1MN。主要用于检定负荷不小于1MN的标准测力机和高精度试验机。（一）主要技术参数极限负荷（kN）0.1，0.3，0.6，1，3，6，10，30，60，100，300，600，1000。示值变动性：极限负荷30%100%时，不超过各级示值的0.03%；有效期内长期不稳定度：极限负荷的30%一100%时，不超过各级示值的0.03%；读数显微镜总放大倍数：60倍（目镜12、物镜5）（二）结构本测力计的工作原理是用光学读数显微镜直接计量与力值成正比的椭圆环体的变形量。以EY-10型测力仪为例，其结构见图4-10。图4-10EY-10型显微镜式一等标准测力计结构图1-手柄；2-平板；3-垫；4-挡圈；5-滤色片；6-灯架螺钉；7-垫圈；8-绿玻璃片；9-灯架臂；10-椭圆环；11-底座；12-集光灯泡；13-压紧螺钉；14-平衡佗；15-上承压座；16-标尺装置；17-镜架；18-螺母弹性体采用应力分布较均匀，变形量较大的椭圆钢环。对于极限负荷100kN以下的测力计选用Ni42CrTi，对于100kN以上的则选用65si2MnWA，其形状根据最大负荷的不同而略有不同。当外力通过上座（即上承压座）15的球面作用到椭圆环10的上部时，标尺装置16及其上的标尺就随环体的变形而移动。玻璃标尺（即分划板）是用螺钉紧固在标尺座上，标尺座则借螺钉与环体上部联成一体。在标尺上刻有间距为1mm的六条刻线，是椭圆形环受力后的变形量，在受力轴线方向上产生的移动量范围是05mm。在环体的下部固定有垫3，平板2借三只螺钉固定于垫上。平板的右端有镜架17，左端装有平衡镜架及读数显微镜重量用的平衡花14，松开手柄1即可将读数显微镜装入镜架17内，螺母18用来调整显微镜的位置，并调节目镜，可使分划板上的刻线成像清晰。借此读数显微镜就可直接测出标尺的位移量。60N以下的小负荷测力仪，其结构见图4-11。不同之处是在平板19的下面装了一个阻尼机构。平板与阻尼箱盖25借螺母24紧固于环体29的底部，盖的下面借四支螺钉固定着底座21。在标尺装置28的标尺座下部装有螺杆26，螺杆的下部装有两片阻尼片22，阻尼片完全浸没在阻尼箱内的油液中。由于小负荷测力仪的椭圆环壁较薄，加卸荷时标尺会随弹性变形而发生上下振动，油中的阻尼片便可起到消振的作用。螺母27及其下部用万能胶粘接在一起的下垫片，在测力仪搬动时用于堵住阻尼箱的溢油；螺母20及其上部用万能胶粘接在一起的垫片，在测力仪受力时应接近于堵住油孔，间隙约为0.5mm。图4-11EY-001006型显微镜式一等标准测力计结构图19-平板；20-螺母；21-底座；22-阻尼片；23-排油螺丝；24-紧固螺母；25-阻尼箱盖；26-螺杆；27-螺母；28-标尺装置；29-环体（三）使用1.操作程序（1）测力仪宜在（205）的室温下使用，周围环境应干燥、清洁、无振动、无腐蚀性气体。（2）先拧好底座11，再安放上压座巧，安放时注意编号应与弹性体相同。（3）根据所使用的显微镜重量调好平衡花14的位置。（4）将测力仪安放在被检仪器的工作台中心，使施加的力沿着测力仪的轴线方向。（5）对600N以下的小负荷测力仪，应将螺母27稍向上提起，使之与环体29脱开一段距离（略大于总变形量），以免测力仪受力时碰到环体而致使示值失准。（6）调节显微镜目镜分度环线条。，使观测者能清晰地见到显微镜中的分划板（7）对于螺旋读数显微镜，物镜的聚焦可分两步，先初调物镜与标尺的距离，使之能较清楚地见到标尺上的标线；再将显微镜中分划板的双螺旋线对准标尺的某标线，当观测者眼睛稍向下移动时，见到此标线随之下移，说明物镜距标尺太远；反之，见此标线上移，则说明太近，一直调整到眼睛上下移动时此标线不动，则焦距正好。（8）如果标尺的标线歪斜，应调整螺钉和螺母，使标线处于水平位置。（9）计量前应进行不少于3次的满负荷预压试验，直至卸荷后示值的回零差不大于0.1分度为止。（10）加卸荷应缓慢平稳，加荷过程中不应卸荷，卸荷过程中不应加荷。（11）测力仪与被检仪器或机器的温度应相同，使用前应放在仪器上若干小时。使用时的温度应与测力仪被定度时的温度尽量一致，不同时可实测的温度系数进行修正。（12）测力仪应在规定的有效期内使用，凡超过有效期或经过调修拆装及不正确使用者，应重新进行检定。2.维护（1）在测力仪上施加的力不得超过其规定的最大负荷。（2）安装底座11时，应将其螺纹拧到底，使底座的内端面与弹性体的下端面接触，以免压伤螺纹。（3）对于小负荷测力仪，使用完毕应将螺母27盖住环体29下部与螺杆26的间隙，以免测力仪偶然倾倒时流出油液。阻尼箱中油液的粘度应适当，换油时可借螺丝23来排油。（4）测力仪不准任意拆卸，零部位（包括读数显微镜）不准任意更换；否则需重新检定后方可使用。（5）应保持测力仪及其附件的清洁，其上不应有裂纹、锈蚀、污垢及其他疵病。（6）测力仪及其附件用完后要稳固地安放在坚固的专用仪器箱中。二、ES型百分表式标准测力仪ES型百分表式标准测力仪是较典型的用于标准力值和一般工作机之间传递的标准测力仪。按其弹性体可分为压式、拉式和拉压两用式。（一）结构下面以ES-03拉压两用椭圆状标准测力仪为例介绍其结构。拉压两用测力仪是一种用百分表计量经杠杆放大后变形的椭圆状标准测力仪，其结构见图4-12。当外力通过上座的钢球或球面作用的椭圆环3的上部时，借放大机构的杠杆5将变形放大（杠杆比为5：1），再通过百分表7即可指示出放大后的变形。放大机构由上连接柱9及其螺母固定的环体上，其杠杆支点10则通过支杆4与紧固于环体上的下连接柱2相接。百分表用滚花螺钉6夹紧在放大机构的横梁上。底座1用于压向力计量，当用于拉力计量时，底座应换成拉力接头11。测力仪不使用时应将百分表和支杆取下；使用时应先装上支杆，再装百分表，支杆上好后需转动支杆，以便其与杠杆支点及下连接柱接触紧密。装百分表时百分表的压缩量应符合检定证书的要求。应注意有些测力仪的结构不相同，在使用时应按要求执行，比如压工型标准测力仪的百分表就不允许取下否则示值会发生变化。图4-12椭圆状测力计结构图1-底座；2-下连接柱；3-椭圆环；4-支杆；5-变形放大杠杆；6-滚花螺钉；7-百分表；8-上压座；9-上连接柱；10-杠杆支点；11-拉力接头（二）使用规则测力仪宜在（2010）的室温下使用，周围环境应干燥、清洁、无振动、无腐蚀性气体。测力仪使用时的温度与检定证书上的定度温度不同时，应将测力仪的示值按使用温度进行修正。百分表的编号及预压（拉）值应与测力仪检定证书相符，在对零或读数时应轻敲百分表表面中部，以消除百分表内部摩擦阻力的影响；若轻敲后示值不变者则可不敲。读数应在指针静止时立即进行。测力仪的上承压座及支杆的编号应与弹性体相同。对具有变形放大杠杆的测力仪，为使支杆两端的钢球与支座接触良好，在安装支杆时用手轻轻压杠杆，并轻轻转动支杆，此时百分表指针应无明显走动（在使用中不许转动支杆）。此测力仪上施加的负荷不得超过规定的最大负荷，并使施加的负荷必须沿着测力仪的轴线方向。测力仪在检定前必须按规定进行不少于3次极限负荷的预压（拉）试验，或在极限负荷下保持5min，以消除测力仪弹性体滞后现象影响（以测力仪卸荷后百分表指零不发生变动为止）。检定时，加卸荷应缓慢平稳，加荷过程中不应卸荷，卸荷过程中不应加荷。水银箱测力仪在读数时，必须保证水银柱弯月面与标圈上边缘相切。为了消除螺纹间隙的影响，千分筒对零时的转动方向应与读数时的转动方一致。测力仪应在检定证书规定的有效期内使用，凡超过有效期或经过调修拆装及不正确使用（如受冲击、超荷等）者，应由计量部门重新检定后方可使用。使用完毕后，应将测力仪上可卸部件逐一卸下，连同测力仪正确装入仪器箱内。测力仪应妥善保管在干燥清洁的环境中，并防止受到碰撞，挤压而损坏。测力仪弹性体应涂防锈油，百分表的机构和计量杆不得涂油，否则会影响灵敏度。（三）温度变化对弹性测力仪示值的修正当使用标准测力仪（不包括水银箱式）时，如果室温高于或低于测力低度定度时的温度，则应将测力仪的标准示值按下式进行修正，并以修正后的示值Dt2使用。（4-13）式中：Dt2测力仪检定证书所标示值；D0测力仪检定时的起始点值；K测力仪的温度系数，K=0.00027/；t2使用测力仪的室温，；t1测力仪检定的室温，。当测力仪的弹性体由合金含量不大于7%的钢材制造时，K=0.00027/。当用其他材料制造时，K值应由测力仪制造厂提供。为了提高工作效率，温度变化对弹性体测力仪示值的修正值可由有关表查得。三、标准测力仪的检定标准测力仪的检定应遵照有关检定规程进行。主要是进行示值定度，并确定其力值重复性R和力值长期稳定度Sb。有时还应根据需要给出滞后误差H，则应进行回程检定。下面根据有关检定规程简单介绍一下机械式标准测力仪的检定。（一）技术要求测力仪及其附件安放应稳固。测力仪铭牌上应标明测力仪名称、制造厂（或厂标）、型号规格、出厂编号、出厂年月等。测力仪及其附件表面无疵病。附件应齐全，不准随意更换附件。附件上都应有标号。测力仪在“室内条件”下正常工作。测力仪的准确度级别划分列在表4-2中。表4-2标准测力仪准确度级别划分及其技术要求级别0.010.030.10.30.5技术要求X12000r7000r2000r700r400rZr(%FS)0.0050.0150.050.150.25Sb(%)0.010.030.10.30.5H(%)0.010.030.10.30.5Ip(%)0.0050.0150.050.150.25Ep(%)0.010.03说明X1与测力仪测量下限对应的下限变形示值(或输出)；r测力仪指示装置的分辨力(百分表式测力r=0.1分度，水银箱式测办仪r=0.5分度，光学式测力仪r=0.0005mm，数显示测力仪取数显末位数字的一个增量)；Zr回零差(又称零点恢复)；R重复性；Sb长期稳定度，长期稳定度的考核时间通常取半年或一年，不得少于半年；H滞后，根据用户要求给出；Ip内插误差，根据用户要求给出；Ep方位误差。注：(1)也可看作测力仪测量下限力值，这时r为与指示装置的分辨力相对应的力值。(2)在有特殊要求时，允许给出表中两个级别之间的其他级别，即0.02，0.05，0.2，0.4四个非正式级别。0.02和0.05两个级别也有相对应的方位误差要求。新制造的、经过调修和使用不当的测力仪需进行两次定度。（二）检定条件1.温度要求在室温1822之间，定度过程中室温变化不超过1。力基（标）准机工作台的温度与室温一致，其差值不大于0.5。2.相对湿度（70%）3.加荷条件（1）测力仪的安装保证其主轴线和力基（标）准机的加荷轴线相重合。（2）压向测力仪一般应带有上、下承压垫。测力仪表面均应平滑，不得有锈蚀、擦伤及杂物。（3）应在检定前，将测力仪在检定条件下放置足够长的时间，一般不少于8h（小时），保证其温度和检定条件的温度相同并稳定。（4）检定各个级别标准测力仪的力基（标）准机或加荷装置的力值不确定度原则上优于被检测力仪的长期稳定度指标的三倍。（三）检定项目与检定方法先进行外观等检查。安装测力仪成工作状态，调整指示装置至零点（或作为零点的起始位置）。加卸荷过程应缓慢平稳，不得有冲击和超载。预压示值检定前，应对测力仪施加3次额定预负荷。每次卸除负荷之后，检查回零。读取最后一次预负荷前后测力仪的零点读数值，按下式计算回零差Zr。（4-14）式中：x0施加最后一次预负荷前的测力仪零负荷下读数值；x01施加最后一次预负荷后的测力仪零负荷下读数值；Xn额定负荷下变形示值（简称额定示值）。选点。检定的起始点根据表2中给出的值确定，一般为额定负荷的10%20%点。检定点尽量均匀分布，一般不少于8点。按负荷递增顺序逐点进行检定。该过程一般进行三遍每遍加荷前将指示装置调至零点（或作为零点的起始位置）。读数应在达到预定负荷后，指针（或水银柱或光学标尺）静止时立即进行。注：（1）在百分表上读数时，需用有弹性的小棒轻敲百分表的表面中部，如轻敲前后示值不变，则可不敲。（2）根据送检单位的要求，测力仪可增加回程检定。按下述公式计算各检定点进程示值平均值（或称输出，下同）xi，回程示值平均值xi，示值重复性Ri，滞后从Hi，长期稳定度Sbi。xi=13j=33xij-xoj，I=1，2，n(4-15)xi=13j=33xij-xoj，I=1，2，n-1(4-15)Ri=ximax-ximinxi100%，i=1，2，n(4-16)Hi=xl-xixi100%，i=1，2，n(4-17)Sbi=xi1-xi2xi2100%，i=1，2，n(4-19)式中：xij，xij分别为在负荷作用下fi第j次重复测量时进程读数值与回程读数值；xoj，xoj分别为第j次重复测量时，进程零负荷下与回程零负荷下的读数值；n负荷点数（不包括零负荷点）；ximax，ximin在负荷作用下关，3次重复测量中进程示值的极大值与极小值；xi1，xi2在负荷作用下fi，上次检定与本次检定的进程示值平均值。注（1）在有温度修正系数的测力仪中式（4-19）的示值应修正至相同的温度（下同）。示值温度修正公式如下：Sit2=xit11+k(t2-t1)式中：xit2，xit1分别为测力仪在负荷关作用下，温度为t2和t1时的示值；k测力仪的温度修正系数。当百分表式测力仪的弹性体由合金含量不大于7%的钢材制造时，k=0.00027/，当其弹性体由其他材料制造或为其他类型测力仪时，k值应由测力仪制造厂提供。式（4-15），（4-19）中Sbi也可按下式计算：Sbi=Sbi-k(t2-t1)Sbi=xi1，t1-xi2，t2xi2，t2式中：xi1，t1在负荷fi作用下，测力仪在第一次检定时，温度为t1时示值；xi2，t2在负荷fi作用下，测力仪在第二次检定时，温度为t2时示值。根据用户需要，由检定单位给出合适的校准方程。该方程是以力值为自变量，以变形示值为函数的一次、二次或三次多项式方程。测力仪的内插误差Ipi按下式计算：Ipi=xci-xixi100%(4-20)式中：xci用校准方程求出的与负荷fi相对应的测力仪示值计算值。第四节材料试验机力值工作计量器具主要是用于材料性能试验的各种材料试验机。材料试验机的品种型号很多，它们的加荷方法、结构特征、测力原理、使用范围各不相同。一、材料试验机概述（一）材料试验机的用途及试验目的材料试验机主要用于鉴定材料的力学性能指标，从而对材料的质量进行检定。材料性能试验目的有两个：1.检定材料的性能，首先是物理机械性能所谓物理机械性能，就是材料在各种不同条件下抵抗外力的能力，（例如在高温、常温、低温下的拉力、压力弯曲、扭转、摩擦等）也就是材料在开始受力至破坏为止全部过程中所表现的力学特性，例如强度、硬度、弹性、塑性、韧性、持久性、蠕变性等。（1）拉伸图：表征力与变形的关系曲线。图4-13拉伸图图（a）退火低碳钢拉伸图。图（b）塑性材料拉伸图，如退火铝合金，调质处理的合金钢等。图（c）低塑性材料如球铁，不仅没有屈服，也不产生缩颈。Fp比例极限负荷，是保持直线关系的最大负荷，负荷超过Fp，拉伸曲线开始偏离直线；Fe弹性极限负荷，是开始产生微量塑性变型的负荷；Fs屈服极限负荷，达到首次力不增加（保持衡定）的负荷；Fb强度极限的负荷。表征材料最大的均匀变形的抗力；Fk断裂负荷，负荷到此时，试样断裂。从拉伸图上可以看到，当试验力比较小时，伸长跟试验力成正增加，保持直线关系，试验力超过Fp后，拉伸曲线开始偏离直线。变形开始阶段，卸力后试样立刻恢复原状，这种变形是弹性变形。当试验力大于Fe，再卸力时试样的伸长只能部分的恢复，而保留一部分残余变形。卸力后的残余变形是塑性变形，Fe是产生微量塑性变形的力。一般来说Fp与Fe是很接近。试验力增到一定值时，力值指示器的指针（测力仪刻度盘的指针）开始停止转动或往回走，拉伸图出现了平台，在此试验力不增加或减小的情况下，试样还继续伸长，这种现象叫屈服现象。在屈服阶段后再继续变形，试验力重新增加，随着塑性变形的增大，变形抗力不断增加的现象叫加工硬化。试验力到一个最大值Fb时，试样的某一部分截面开始急剧缩小，出现了“缩颈”现象，以后的变形主要集中在缩颈附近。由于缩颈处试样截面的急剧缩小，致使试验力下降。试验力达到Fk时试样断裂。综上所述，金属在外力作用下的变形过程分三个阶段：即弹性变形、塑性变形的断裂。大多数金属在弹性变形阶段遵守虎克定律，应力与应变比关系。（2）应力应变图（见图4-14），表征应力与应变的关系曲线。=LL0=fFS0式中：试样单位面积上所承受的力，N/mm2=MPa；F试样所受的力，N；S0试样的原始截面积，mm2L试样标距范围内的绝对伸长；L0试样的原始标距；应变：相对伸长，就是以试样的计算长度L，除绝对伸长L。（3）强度指标比例极限，是应力与应变成正比关系的最大应力。=FPS0(4-20)e弹性极限，是材料由弹性变形过渡到弹一塑性变形的应力。一般来说，以产生0.005%0.05%残余伸长的应力作为规定的图4-14应力-应变图弹性极限不代表金属对最大弹性变形的抗力，而是代表开始塑性变形的抗力，严格说来，是代表微量塑性变形的抗力。s屈服点应力是拉伸试验中达到首次力增加（保持恒定）时的应力。除退火的或热轧的低碳和中碳钢等少数合金有屈服现象外，大多数金属合金没有屈服点。因此规定发生0.2%残余伸长的应力作为屈服强度0.2为了使我们国家的力学性能试验更接近于国际标准，并且满足测试技术的不断发展。在新的金属拉伸试验方法中分别定义了规定非比例伸长应力（p），规定总伸长应力（t）和规定残余伸长应力（r）。这样定义的三种应力，实际上已把“规定比例极限”、“规定弹性极限”、“屈服强度”等这样一类的概念统一到规定伸长应力的概念上来了。这样定义是有科学道理的：理论上定义的比例极限，弹性极限在技术上是难以测定的。对于金属材料，低于技术上测定的比例极限或弹性极限，仍发现有微小的塑性变形。这表明常规拉伸试验的拉伸曲线的所谓直线段不一定是真正比例性的。这种用规定一定的非比例伸长率对应的应力作为规定比例极限、或规定弹性极限。在技术上测定也较容易办到。至于规定多大的非比例伸长率对应的应力作为规定的比例极限、弹性极限、屈服极限、应根据材料和通过试验确定，各国也有不同的标准。规定非比例伸长率：（%）尤其用规定非比例伸长率对应的非比例伸长应力表示材料的屈服程度更有优越性：该种应力是在力的作用下测定的，是反映材料在力作用下抗微塑性变形的能力；测定这种应力的常规方法易于实现测试自动化计算机化。p=FbS0（4-22）式中：b抗拉强度，是拉断前最大负荷的应力。对塑性材料来说，在Fb以前试样为均匀变形，试样各部分伸长基本上是一样的；在Fb以后，变形将集中于试样的某一部分，发生集中变形。试样上出现缩颈，由于缩颈处的截面积急剧减小，试样能担负的力减少，所以按试样原始截面积S0计算出来的条件应力也随之减少如图（4-15）曲线I所示。在Fb以后，如果改成缩颈处瞬时截面积Sx去除当时的力的，得到的真实应力z，（z=FSx）也随着变形度的增加而增大，如图（4-15）曲线II所示，这说明产生缩颈后变形抗力将继续增加，进一步产生加工硬化。Fb的物理意义：是表征材料最大均匀变形的抗力，Fb可以从测力盘指针直接读出。k=FkSk（4-23）式中：k断裂强度是拉断试样的真实应力；Fk断裂时的试验力；Sk断裂时缩颈处的截面积。断裂强度表征材料对断裂的抗力，但对塑性材料来说它在工程上意义不大，因为产生缩颈后，试样所负担的外力不但不增加反而减少，国家标准不予规定。脆性材料一般不产生缩颈，拉断前的最大力Fb就是断裂时的Fk，并且由于塑性变形小，试样截面积变化不大。FbFk，因此b就是k。以上p，e，s，0.2，b，k均为材料的强度指标。（4）塑性指标塑性断裂前金属发生塑性变形的能力，塑性以断裂后的塑性变形大小来表示。=LkL0100%=Lk-L0L0100%（4-24-1）式中：伸长率，表示其单位残余伸长；图4-15塑性材料缩颈应力-应变图Lk试样断裂后的标距长度，mm；L0试样的原始标距长度，mm；Lk断裂后试样的绝对伸长，mm。（4-24-2）式中：断面收缩率，是试样断裂后试样截面的相对收缩率；S0试样的原始截面积，mm2Sk试样断裂后测取的最小截面积，mm2与标志着材料的塑性性质，其值越