浅析力学计量技术标准装置的发展现状

摘要：随着社会的不断进步，科技与计量技术也得到了空前的发展，力学计量标准体系逐渐得到了完善。在力学计量技术中将信息处理技术、图像显示技术、传感器技术、数字化技术、计算机技术等进行合理的利用，对计量技术装置有更好的促进作用。本文就针对力学计量技术标准装置的发展现状进行简单分析。

关键词：力学计量；标准装置；发展现状

中图分类号：EB93文献标识码： A

引言

在计量学中，展开较早的一项领域就是力学计量，在我国社会经济发展的过程中，计量力学有着不可小觑的作用，力学计量技术的理论基础来自于牛顿力学，通过这几十年的发展，力学计量已经形成了相对较完善的计量体系。特别是最近几年，由于各种高新科技的快速发展，力学计量也得到了新的发展空间，国内外已经建构了很多准确度高、量程宽的计量标准装置。因此，加大对力学计量技术标准装置的研究有着重要的意义。

1、力值计量概述

在计量学中，对物体的定量描述是通过力学测量来完成的。在力学计量测试环节中，进行计量测试的参数主要有振动、压力、流量、质量等。力学计量是力值的传递标准，20世纪以前的力值计量大多采用百分表式测力仪和水银箱式测力仪，获得的测量准确度相对较低。近年来，随着科技的不断发展，各类新技术被广泛应用，力学计量中也不例外，例如：光电技术、自动化技术和智能化技术、计算机技术、图像显示技术、微处理技术、等一系列科学技术。推动了我国力学计量的发展，我国大批的量程宽、准确度高的力学计量标准装置相继建立。目前，我国力学计量标准装置的主要形式有杠杆式、静重式、液压式和叠加式。20世纪80年代初，我国建立的力学计量标准装置均为1MN以下的力学计量标准装置，随着我国力学计量技术的不断发展，力学计量的方法得到长足发展，我国相继建立了5MN，20MN和30MN的力学计量标准装置，同时也制订、出台了相应的检定规程，形成一个完善的力学计量体系，使计量标准装置更加精确，应用性也更强。

2、力学计量标准装置的发展现状

针对力学计量技术标准装置来看,其主要是通过测试的内容的不同来采取不同的测试装置。在力学计量的体系中，不同形式的杠杠原理，液压原理等构成了不同形式的力学计量装置。

2.1杠杆式力标准机

杠杆式力标准机是利用了杠杆的原理，主要是通过作用力来实现装置的转动，使其处于平衡状态时，再通过例力矩之和为零的机理来对力值进行测量的过程。在实际应用中较为常见的天平就是利用该原理来测试力值大小，如图1所示。这种形式的标准机测试的精度的大小，是根据装置的杠杆比、组合形式的不同和本身质量的精度大小来决定的。该装置的不确定度大小为1×10-4。

图1 杠杆式标准机―天平示意图

2.2静重式标准机

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：

（1）F=mg(1-Pa/Pw)

砝码质量测量、砝码和空气密度测量和当地重力加速度的测量不确定度直接影响静重式力基、标准机的测量不确定度。同时，静重式力基、标准机的结构、砝码稳定性和负荷的加载方式对静重式力基、标准机的测量性能有着直接影响。目前，静重式力基、标准机的测量不确定度能够达到1×10-5.

2.3力传感器动态特性校准

目前，力传感器动态校准主要分为阶跃力法和正弦力法两种方法，正弦力法是利用一个振动台，被测传感器安装在振动台台面上，被测传感器顶面安装已知质量(m)的质量块，当振动台做正弦振动时，根据牛顿第二定律，力传感器承受的动态力为F=ma，a可由加速度计测量。改变振动台振动频率，可得到不同频率下的正弦力。阶跃力法是利用一个液压力源，被测传感器放在由脆性材料试件构成的支梁上，当载荷施加到一定量时，脆性材料达到强度极限，试件突然断裂，传感器受到一个下降时间为(20～50)μs的斜坡负阶跃力激励，阶跃力大小由试件截面积控制。传感器输出信号到信号采集系统供处理。

2.4叠加式力标准机

叠加式力标准机进行计量采用的并非为绝对测量方法，其进行测量的方法为相对比较测量方法。叠加式力标准机在进行力学测量时，采用的是一组标准较高的测力仪，同时采用适当的结构将其与被检定的测力仪进行叠置，通过机械方式或液压方式来施加负荷，从而进行比较测量，确定被检测力仪的计量特性。在叠加式力标准机进行力学计量时，标准测力仪的性能指标、被检测力仪的串联方式、安装质量和加荷结构的性能直接决定了叠加式力标准机的力值不确定度。目前，我国拥有的叠加式力标准机最大力值为500kN和1MN，同时，叠加式力标准机的力值不确定度能够达到1×10-4。

2.5液压式力基、标准机

液压式力基、标准机进行力学计量的原理是在帕斯卡原理的基础上，采用两个不相等面积的无机械摩擦的缸塞副来放大已知砝码的重力，从而得到标准力值，并将得到的标准力值平稳地施加到测力仪上。液压式力基、标准机在进行力学计量时复现的力值F的表达式为：(2)F=（W+W0+G）S1/S2+HρgS1-W1-W2。

在式（2）中：W――砝码的重力，N；W0――测力活塞及其吊挂的重力，N；G――测力仪平衡重块的重力，N；S1――工作活塞的有效面积，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；ρ――油液密度密度，kg/m3；W1――工作活塞和反向器的重力，N；W2――测力仪的重力，N。由于液压式力基、标准机的放大比相对较大，通常情况下最大力值基、标准机，液压式力基、标准机的最大力值分别为：20MN、5MN、2MN和600kN。目前，液压式力基、标准机测量力值不确定度能够达到1×10-4。

3、电力计量技术的发展以及应用

如今，高新计算机技术发展之风席卷了全球大量领域，电力领域也不例外，在这阵狂风之下，电力计量技术也在进行着自己的更新与发展，电力计量自动化技术应运而生。电力计量一体化技术使得电力计量流程和技术向科学化、人性化更迈进了一步，一方面，在很大程度上降低了电力系统工作人员和管理人员的工作劳动强度，同时减轻了他们的工作压力，这样就提高了供电系统的安全指数；另一方面，大大减少了供电企业的耗能量，为供电系统的安全运行提供了保障，对有效提高供电产能及企业取得更高效益的意义非常大。

电力计量技术完成了产品设备更进一步的信息化、自动化以及智能化。目前，国内外电力供应企业在大量地使用我国国产的电力计量设备产品，这些产品包括：国产的以计算机为核心的网络管理系统、供电系统电力计算机、全数字计算机监控、电力系统安全生产图像见识监控系统、控制系统设备、供电系统自动控制系统设备、数字化管理系统设备、数字化生产管理系统设备等。

电力计量技术在各个领域的应用极其广泛，一些大型的公共建筑的电能的计量适宜使用电力仪表作为内部管理电力仪表。用户可以根据电表本身的电能计量与减少能耗的功能力无法解决的难题，它的创新方向非常之广泛。（1）加强推广工作，使数据信息采集系统广泛应用于电台、变电站等领域。（2）对用户使用的传统高耗能电子仪表进行大面积的剔退，换用科学先进的仪器，引导用户降低电量的消耗。（3）根据不同的用电时段，供电企业有效并及时地对电荷进行调整，保证用户的供电需求得到合理满足。

4、计量以及力学计量的设备仪器

力学必须要靠计量。由于力学是在力这一基本原理的基础上来解释自然界各种现象的，因此它必须得依靠准确的数字，只有这样才更具说服力。力学关系到很多数学科,例如压力，温度，光速以及速度等。为了满足各种力学实验,目前的力学仪器主要包括这些:电子微量天平(规格是MS21S)；天平(规格是MT-5)；规格为W-NK-25A的湿式气体流量;规格为QTS-25的质构仪；滴体积张力计(规格是TVT2)；规格为100KN80-250H2的高频拉压疲劳试验机；规格为W-NK-25A的湿式气体流量计；定制的微纳米综合力学测量系统；规格为1000N/100N/100N的六分量天平；规格为W-NK-50A的湿式气体流量计；此外还有这些仪器设备：风洞；规格为C18的压力传感器；规格为PAT-E03F主要用于出租小汽车方面的计价器检定装置；规格为CXT2002的智能数字压力校验仪；燃气表检定装置(规格为WSRQ-10N)；数字式压力伺服器(规格是DSM3200)；规格为LJS80mm～300)mm和IFA300-2的水表校验装置以及热膜风速仪。我在此提到的力学仪器除了高校以及其他实验室中所需的力学仪器外,还有日常生活以及职业中所需的各种力学仪器,因此是比较典型的。笔者所研究的绝不单纯是对力学实验中各种力学仪器设备进行的检定问题,因此按照上述仪器设备开展全面考察具有较强的典型性。

结束语

综上所述，随着科技的不断发展，各种新技术和新材料不断应用于力学计量中，比如计算机技术、数字化技术、智能化技术、光电技术、微处理技术、图像显示技术和自动化技术等高科技技术在我国力学计量中被广泛应用。同时，随着相应检定规程的不断制订和出台，使我国力学计量体系得到不断完善，也使我国力学计量标准装置更加精确，且应用性更强，推动了我国力学计量技术的不断发展。

参考文献

[1]任怀峰,于大伟.力学计量技术标准装置的现状分析与发展方向[J].电子世界,2014,06:227.

[2]张平,陈俊.浅析力学计量技术标准装置的发展现状[J].科技资讯,2014,02:217+219.

[3]伍卓亮.力学计量技术标准装置现状及发展趋势[J].沿海企业与科技,2009,04:19-20.