我國力值計量和質(zhì)量計量的發(fā)展歷程及展望

我國力值計量和質(zhì)量計量的發(fā)展歷程及展望

一、力學(xué)計量的發(fā)展力學(xué)計量的理論基礎(chǔ)是牛頓力學(xué)。質(zhì)量是一個基本的物理量,質(zhì)量單位是國際單位制(SI)現(xiàn)有七個基本單位之一,其他的力學(xué)量單位均屬導(dǎo)出單位。力學(xué)量計量經(jīng)過幾十年的發(fā)展,建立了比較完善的力學(xué)計量體系。近年來,隨著計算機(jī)技術(shù)、光電技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)、微處理技術(shù)、圖像顯示技術(shù)、自動化技術(shù)和智能化技術(shù)等的廣泛應(yīng)用,力學(xué)計量有了新的飛躍,國內(nèi)外已經(jīng)建立了一大批量程寬、準(zhǔn)確度高的計量標(biāo)準(zhǔn)裝置。本文主要闡述我國力值計量、質(zhì)量計量的發(fā)展歷程、目前水平及先進(jìn)的計量標(biāo)準(zhǔn)裝置和計量方法,并對其未來發(fā)展的趨勢進(jìn)行了預(yù)測。二、力值測量(一)力值計量標(biāo)準(zhǔn)的主要結(jié)構(gòu)在上世紀(jì)70年代以前力值的傳遞標(biāo)準(zhǔn),主要采用水銀箱式和百分表式測力儀,準(zhǔn)確度低。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,一大批力基標(biāo)準(zhǔn)裝置相繼建立。目前,力基標(biāo)準(zhǔn)裝置的主要結(jié)構(gòu)形式有靜重式、杠桿式、液壓式和疊加式。我國在20世紀(jì)70年代末建立起了1MN以下的力基標(biāo)準(zhǔn)裝置,隨后又建立起了5MN、20MN和30MN等力基標(biāo)準(zhǔn)裝置,并制定了相應(yīng)的檢定規(guī)程,完善了力值的量值傳遞體系。力值計量標(biāo)準(zhǔn)分為兩大類,一類是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)力值的,用于檢定、校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)測力儀或力傳感器的力標(biāo)準(zhǔn)裝置,稱之為力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)。力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)通常有四種類型:靜重式、杠桿式、液壓式和疊加式。另一類是用于檢定、校準(zhǔn)、比對傳遞力值的標(biāo)準(zhǔn)器,稱之為標(biāo)準(zhǔn)測力儀。(二)力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的類型(1)靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)(簡稱DWM)靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)或靜重式標(biāo)準(zhǔn)測力機(jī),均以已知砝碼的重力直接作為標(biāo)準(zhǔn)力值,通過適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)和程序平穩(wěn)地施加到被檢定的測力儀上。靜重式就是直接加荷式,所以有時也稱之為直接加荷式標(biāo)準(zhǔn)測力機(jī)?？紤]到空氣浮力影響,質(zhì)量為m的砝碼在重力場中所復(fù)現(xiàn)的力值F可表達(dá)為:式中:F——力值,N;m——砝碼的質(zhì)量,kg;g——安裝地點的重力加速度,m/s這種機(jī)器的力值不確定度,主要取決于砝碼質(zhì)量的不確定度、安裝地點重力加速度的測量不確定度、砝碼和空氣密度的測量不確定度,其計量性能還與機(jī)器的結(jié)構(gòu)、負(fù)荷的加卸載方式和砝碼的穩(wěn)定性等有關(guān)。目前,世界各國均采用靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)作為量值溯源的基準(zhǔn),世界上最大的靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)為美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)的1000klbf(約4.5MN),力值相對擴(kuò)展不確定度為0.002%(k=3);中國最大的靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)是保存在中國測試技術(shù)研究院的1MN力值國家基準(zhǔn),力值相對擴(kuò)展不確定度為0.0029(k=3)。由于靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)體積龐大、造價昂貴,世界各國均建立作為力值計量的最高標(biāo)準(zhǔn)(基準(zhǔn))。(2)杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)(簡稱LM)杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)或杠桿式標(biāo)準(zhǔn)測力機(jī),利用不等臂杠桿系統(tǒng)(單級或復(fù)式),將已知砝碼的重力放大而得到標(biāo)準(zhǔn)力值,平穩(wěn)地施加到被檢定的測力儀上。其所復(fù)現(xiàn)的力值F可表達(dá)為:式中:k———杠桿放大比,即杠桿長臂與短臂長之比。這種機(jī)器的力值不確定度除了靜重因素外,主要取決于杠桿比的測量不確定度;其計量學(xué)性能同杠桿的構(gòu)造與組合方式、刀刃與刀承的構(gòu)造以及加工安裝的質(zhì)量有關(guān),力值不確定度可達(dá)1×10目前,國際上最大的杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī),單杠桿機(jī)為1MN,力值不確定度為0.01%~0.02%;復(fù)合雙杠桿機(jī)為2MN,力值不確定度為0.02%~0.03%。(3)液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)(簡稱HM)液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)或液壓式標(biāo)準(zhǔn)測力機(jī),以帕斯卡原理為基礎(chǔ),通過兩個面積不等的無機(jī)械摩擦的缸塞副,將已知砝碼的重力放大而得到基、標(biāo)準(zhǔn)力值,平穩(wěn)地施加到被檢定的測力儀上。所復(fù)現(xiàn)的力值F可表達(dá)為:式中:W——砝碼的重力,N;W由于這種測力機(jī)的放大比遠(yuǎn)大于杠桿式測力機(jī),因而通常用作大力值基和標(biāo)準(zhǔn)機(jī)。最大力值有20MN、5MN、2MN(含500kN組)和600kN等,力值不確定度一般可達(dá)1×10目前,國際上最大的液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)為中國計量院(NIM)的20MN、日本NMIJ的20MN、德國PTB的16.5MN,力值不確定度為0.01%。由于液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制造技術(shù)難度較大、造價昂貴。因此,世界上只有少數(shù)國家將其建立作為大力值計量標(biāo)準(zhǔn)。(4)疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)(簡稱BM)近年來,由于傳感器技術(shù)的快速發(fā)展,可測量1MN以上的大力值高精度力傳感器已經(jīng)面市。采用力傳感器作為參考標(biāo)準(zhǔn),與被檢傳感器串聯(lián),以機(jī)械或液壓方式施加負(fù)荷的力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)也相繼問世,國際上將此種類型的力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)稱之為“疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)”。由于疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單造價相對較低,準(zhǔn)確度又能滿足檢定、校準(zhǔn)的需要,因此被世界各國采用。隨著力源的控制技術(shù)及傳感器性能的提高,疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的計量性能也將會得到很大的發(fā)展和提高。這種力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)與前述三種測力機(jī)不同,它不是采用絕對測量方法,而是采用相對比較測量方法,是用一個(組)標(biāo)準(zhǔn)較高的測力儀作為標(biāo)準(zhǔn),通過適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu),與被檢定的測力儀串聯(lián)(疊置)后,以液壓方式或機(jī)械方式施加負(fù)荷,進(jìn)行比較測量,用以確定被檢測力儀的計量特性。其力值不確定度主要取決于標(biāo)準(zhǔn)測力儀的性能指標(biāo)、被檢測力儀的串聯(lián)方式、安裝質(zhì)量以及加荷機(jī)構(gòu)的性能等。其力值不確定度一般可達(dá)到3×10(5)力傳感器動態(tài)特性校準(zhǔn)目前,力傳感器動態(tài)校準(zhǔn)主要有兩種方法,即階躍力法和正弦力法。階躍力法是利用一個液壓力源,被測傳感器放在由脆性材料試件構(gòu)成的支梁上,當(dāng)載荷施加到一定量時,脆性材料達(dá)到強(qiáng)度極限,試件突然斷裂,傳感器受到一個下降時間為(20~50)μs的斜坡負(fù)階躍力激勵,階躍力大小由試件截面積控制。傳感器輸出信號到信號采集系統(tǒng)供處理。正弦力法是利用一個振動臺,被測傳感器安裝在振動臺臺面上,被測傳感器頂面安裝已知質(zhì)量(m)的質(zhì)量塊,當(dāng)振動臺做正弦振動時,根據(jù)牛頓第二定律,力傳感器承受的動態(tài)力為F=ma,a可由加速度計測量。改變振動臺振動頻率,可得到不同頻率下的正弦力。上述兩種方法都可在一定頻率和力值范圍內(nèi)使用,并能取得較好的測量結(jié)果,但仍有很大的局限性,例如頻率范圍不夠?qū)?力值大小受限制,加之安裝方式帶來的誤差較大,所以校準(zhǔn)不確定度較低,目前仍沒有廣泛使用。(三)力值計量發(fā)展趨勢國際上各國實驗室建立的靜重式力基準(zhǔn)機(jī)的現(xiàn)狀,如表1所示,國內(nèi)中小力值計量標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀,如表2所示。在我國,大于1MN的力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)稱之為大力值標(biāo)準(zhǔn)機(jī),大力值標(biāo)準(zhǔn)機(jī)主要有液壓式和疊加式兩大類。典型的大力值標(biāo)準(zhǔn)機(jī)國內(nèi)水平現(xiàn)狀,如表3所示。目前,國內(nèi)2MN液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)大約有12臺,絕大多數(shù)是70年代制造的,力值不確定度在0.5×10由于液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的放大比(傳遞比)很大(20MN的HM為500∶1,5MN的HM為250∶1),測力油缸、活塞間的靜摩擦和砝碼交換時的逆負(fù)荷效應(yīng)帶來的不確定度分量最小為3×10目前,國內(nèi)大于1MN的疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)見報道的有三臺:浙江省計量院在2006年建立了一臺6MN的BM,力值不確定度為1×10隨著數(shù)控加工技術(shù)、電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和信號處理技術(shù)不斷的應(yīng)用在力值計量中,其發(fā)展趨勢主要有以下幾個方面:(1)自動控制技術(shù)充分利用當(dāng)今計算機(jī)技術(shù)的最新成就,各類視窗風(fēng)格功能齊全的校準(zhǔn)軟件廣泛地應(yīng)用于各類力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)中,提高了校準(zhǔn)速度,減少了人工操作,消除了人為誤差。目前推出的力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)無一例外的都實現(xiàn)了自動化控制。(2)動態(tài)力校準(zhǔn)的重要性和目前發(fā)展?fàn)顩r,動態(tài)力校準(zhǔn)的研究正進(jìn)一步深化,并取得了一些進(jìn)展。借助于動態(tài)信號分析和處理技術(shù),研究動態(tài)力的發(fā)生機(jī)理及信號采集將是動態(tài)力值計量的主要研究方向。(3)隨著實際測試環(huán)境和要求的提高,對超大力值和微小力值標(biāo)準(zhǔn)測力機(jī)的研制,是今后力值計量的一個重要發(fā)展方向。三、質(zhì)量測量(一)原器原器所代表的“實物”基準(zhǔn)質(zhì)量在國際單位制(SI)中是力學(xué)計量中唯一的基本單位。質(zhì)量在SI中用符號kg(公斤或千克)表示,它等于“國際千克原器”的質(zhì)量。1889年,第一屆國際計量大會批準(zhǔn)了“國際米制委員會通過的千克原器”,決定“今后該原器作為質(zhì)量單位”并保存在國際計量局原器庫里。國際千克原器是目前世界上基本單位中唯一的“實物”基準(zhǔn),各國的千克原器都是國際千克原器的復(fù)制品。我國共有兩個千克原器。(二)中國計量科學(xué)研究院nim的最低校準(zhǔn)/檢測能力在質(zhì)量計量過程中,砝碼是“從屬于天平的實物量具”,砝碼的質(zhì)量必須通過天平來測量,因此可以從砝碼以及天平研究的現(xiàn)狀來反映質(zhì)量計量的發(fā)展水平。砝碼方面,溯源到國際千克原器的分量和倍量砝碼,達(dá)到了相當(dāng)高的水平。以PTB為例,其配備的標(biāo)準(zhǔn)砝碼的測量范圍和擴(kuò)展不確定度,如表5所示。代表中國最高計量能力的中國計量科學(xué)研究院(NIM)被列入國際互認(rèn)協(xié)議(MRA)的附錄C的最高校準(zhǔn)/檢測能力,如表6所示。天平方面,瑞士METTLERTOLEDO公司為千克原器生產(chǎn)的原器天平M_one,它的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量偏差是4×10(三)質(zhì)量計量的研究目前,急需更新質(zhì)量基準(zhǔn)——“千克”。現(xiàn)行的質(zhì)量基準(zhǔn)是鉑銥合金砝碼——“千克”原器,它是實物標(biāo)準(zhǔn),它的質(zhì)量隨時間變化(在巴黎國際計量局存放的國際“千克”原器每10年增長10μg)。新質(zhì)量自然基準(zhǔn)是目前迫切的研究課題。(2)環(huán)境對質(zhì)量計量的影響在質(zhì)量計量過程中,環(huán)境對質(zhì)量計量的影響非常大。除了空氣對流對計量結(jié)果有影響外,人體的熱輻射、人在試驗室移動所帶來的空氣對流等對試驗室結(jié)果都有較大的影響。如何采用有效的方法來定量評價這些量對試驗結(jié)果的影響,是近期質(zhì)量計量研究的熱點問題之一。(3)磁化對質(zhì)量計量的影響標(biāo)準(zhǔn)砝碼或配套標(biāo)準(zhǔn)天平(質(zhì)量比較儀)由于磁化而產(chǎn)生的磁力對試驗結(jié)果有較大的影響。如何定量確定標(biāo)準(zhǔn)砝碼、被測砝碼及配套標(biāo)準(zhǔn)天平的磁化率,以及因磁化而產(chǎn)生的磁力的大小,是需進(jìn)一步研究的課題。四、力學(xué)計量的今后重點發(fā)展方向當(dāng)今科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn),為力學(xué)計量這門經(jīng)典學(xué)科的跨越發(fā)展創(chuàng)造了新的條件,多種新科學(xué)技術(shù)為力學(xué)計量提供了現(xiàn)