浅析力学计量技术标准装置的发展现状

张平++陈俊

摘 要：伴随着科技与计量技术的发展，力学计量标准体系得到了不断完善。将信息处理技术，图形学、传感器技术，智能控制理论应用到力学计量中，对计量装置的发展起到很好的促进作用。本文着力于研究当前力学计量技术标准装置的发展现状与趋势，为今后计量装置精确度与可靠性的提高指明了方向。

关键词：力学 计量技术标准 发展 趋势

中图分类号：TJ06 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）01（b）-0217-02

在计量学领域中，自开始应用采取的方式是通过力学测量来完成对物体的定量描述。在计量测试的环节，主要包含了压力、振动、流量、质量等参数来进行计量测试。在我国的经济发展中，力学计量占据着很重要的地位。

牛顿力学作为力学计量的理论基础，以质量为依据进行力学量的计算。伴随着技术的发展与进步，结合当代信息化、数字化以及图像处理技术等，促进力学计量的方法得到长足的发展，形成一个更具完善的力学计量体系，计量标准装置更加精确、应用性更强。

本文通过对当代国内外力学计量技术标准装置的现状，并结合最新的计量应用技术方法进行研究，并对力学计量技术标准装置的长足发展趋势进行预测分析。

1 力学计量标准装置的发展现状

对于力学计量技术标准装置来讲，对于测试的内容的而不同而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，静力学原理，弹性原理，液压原理，干涉原理，多普勒效应以及压电等形式构成了不同的力学计量装置。

（1）杠杆式力标准机。

该标准机采用的是杠杆原理，通过作用力的作用实现装置的转动后，当平衡时，根据例力矩之和为零的机理来完成对力值的测量。在现实中比较常见的天平就是采用该原理来测试力值大小，如图1所示。该形式的标准机测试的精度的大小被装置的杠杆比、组合形式的不同和本身质量的精度大小有关。该装置的不确定度大小为1×10-4。

（2）传感式力标准装置。

该形式的标准机通过一定的感应元器件和附件组成一个测试系统，根据被测物体或者标准砝码的质量对该器件产生的弹性变形量的大小来判断元器件的变化量，然后采集信号的输出大小，从而进行质量衡量或者比对。如图2是一种典型的压阻式压力传感器，根据压力的变化情况来对质量测量。该装置的不确定度大小为2×10-4。

（3）液压式力标准装置。

该标准机的应用原理是根据帕斯卡进行对一个密闭液体进行压强比的判断，从而以标准砝码作为标准利用显示仪器标定质量值的大小。该测量机的应用值大小相比较于杠杆式和传感式标准机来讲，具有大的测定范围，可以达到20 MN，且有2 MN，5 MN等，液压式力标准装置的不确定度的大小为1×10-4。

（4）弹簧式力标准装置。

该装置根据弹性敏感元件在压力的作用下产生的形变量的大小，通过传动的放大机构来完成对测试的压力等大小的显示。该装置的测量的压力的范围或不确定的大小与弹性元件的形式有关，通过有膜片式、波纹管式、弹簧式等。例如平波膜片的测定的不确定度的大小为10 kN，波纹管式的测量范围为1 kN。该装置的不确定大小为1.3×10-4。

（5）叠加式力标准装置。

该测力机主要的测试机理通过设定一个标准较高的测力仪器，然后采取机械或者液压的方式完成对力值的测量，比对分析测试力仪器的性能指标。标准力仪器的性能指标大小以及安装的质量等对该装置的不确定产生影响。目前我国的关于叠加式力标准装置的范围大小为500 kN～1 MN，该装置的不确定度的大小为3.4×10-4。

关于我国的力学计量技术标准装置相比较国外来讲，存在着很大程度上的差距，不仅在力值范围上相比较而言，最大与最小值都比较窄，低于国外的发展水平，而且在力值扩展不确定度也存在着一定的差距。例如在叠加式力标准装置应用中，美国 NIST在1991年建立的53 MN BM计量装置中，力值范围为4.5～53 MN，相对不确定度为0.038%（1.7 kN）；而我国在2005年建立的50 MN BM，力值范围为5～50 MN，相对不确定度为0.20%（k=2），我国和国外计量标准上存在很大的差距与不足。

2 力学技术标准装置发展趋势

伴随着新技术与新材料的发展与应用，在力值的计量中，将电子信息技术与数字信息处理技术融入其中，其主要的发展方向如下。

（1）量限向两端延伸。

计量装置的测量的量限范围的大小由于受到测试要求与环境要求提高，对于力学计量技术标准装置微小力值与超大的力值大小的设计研究与延伸，成为当前力值计量的一个重要的发展内容。

（2）由静态向动态发展。

对于计量装置的测量一个重要的发展方向是以动态的力校准来完成对信号测定准确度的提高。将信息处理技术融入到力学标准装置中，对动态信号进行数据的采集与分析，动态的跟踪信号的变化大小，成为今后发展的方法之一。

（3）广泛采用传感技术和激光技术。

将传感器技术与激光技术融合到力学技术标准装置中，利用计算机技术，根据压电效应、压阻效应以及多普勒效应等原理结合最新的传感元器件与传感技术，提高计量装置的测试的精确度。利用激光技术，通过正弦逼近的方法对信号进行改进与处理，校准的不确定度的灵敏大小得到提高。将计算机技术与力值标准装置结合形成一个良好的视窗风格形式，对人为误差降低具有很重要的作用。力学计量装置的自动化控制与数据获取的可靠性成为今后发展的内容之一。

3 结语

伴随着信息化与数字化技术的发展，在整个力学计量的设计过程中，将最先进的技术与手段融合到力学计量中来，建立一个功能与服务强大的数字化计量平台成为今后发展的一个重要的内容之一。

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