力学计量技术标准装置的应用现状及趋势分析

崔紫楹

关键词： 力学计量技术 标准装置 应用现状 趋势分析

中图分类号： TP393.08 文献标识码： A 文章编号： 1672-3791（2023）15-0253-04

在机械加工中，测量力的方法有很多，由于力学计量标准的不同，其测量方法与结果也有一定的差别。实际测量所需的计量单位各不相同，为充分利用力学计量标准装置的功能，适应各种测量要求，对各种力学计量标准装置进行分析，可提高加工机械产品的精确性，为生产过程提供质量保证，并在力学计量中使用，本文还对标准力学计量单位的适用范围及潜在的应用进行了讨论。

1 力学计量基本概念

力学计量是基于牛顿力学原理的计量系统，它包含了力计量、密度计量、质量计量等多个方面，计量内容和计量方法也各不相同。随着科学技术的迅速发展，力学测量技术也随之产生，应根据目前复杂、极端的应用环境要求，选用机械测量技术，以多目标速度和多分力为依据，对测量力学进行优化，以获得适宜的测量力学效应。随着我国机械工业的不断发展，科学技术水平不断提高，机械测量设备不断更新、优化。现有的机械测量方法有杠杆式、液压式、传感器式、弹簧式等，可根据不同的要求，测量的力的大小也在不断地扩展，以适应各种测量要求。力的测量需要较高的技术指标和特定的性能，不同的测量环境，其衡量标准也不尽相同。不同的计量标准，其适用范围和实际状况也不尽相同。为适应实际测量的要求，力学的计量标准也得到了广泛的发展。对机器测量设备的效能与效益的研究，将会对资讯科技的发展起到积极的推动作用[1]。

2 国内外力学计量技术标准装置发展概况及应用现状

在机械工程中，计量测试标准装置是国家一级基础设施。我国的计量测试标准装置已达到国际先进水平。力学计量技术标准装置是对力学计量技术规范的检验、复现和校准，其主要由力学试验设备和仪器、测量分析方法和仪器组成，通常包括力学参数测试方法和测量不确定度评定方法。当前，国内计量单位制中有5 个一级、19 个二级以及80 多个三级的单位，这些级别对应有不同种类的工程设备，但这些单位都是通过相应计量技术规范进行考核的。

我国在力学计量基础领域中最主要的标准装置是国家一级、二级、三级和四级单位量值传递关系以及其他重要单位量值传递。目前，国内各地区对力学计量技术标准装置都非常重视，对力学标准装置的研制、校准技术规范进行了大量研究工作，并制订了相应的研究与发展计划。其中北京已经针对力学校准设备等开展了大量工作，但在一些其他地区仍然没有开展类似工作。国家在计量领域中建立统一标准和计量器具备案管理制度，是为了保证我国计量量值体系稳定、可靠，确保量值溯源体系中各參数的量值准确性[2]。

目前，在我国工程设备中对力学参数检测方法、实验装置和复现水平已经达到国际先进水平，但仍存在一些问题，如实验装置不完善、复现水平较低等问题。国内外各单位研制或已颁布力学检测方法及复现标准规范，并制定相应技术文件和校准方法。例如：中国科学院建立了多项国家、行业及企业级标准器，已有国家一级标准器3 项，二级标准化器1 项，国家二级、三级标准器7 项。国内多个单位研制或已颁布力学校准设备、标准器具等技术文件，例如：北京市质检所制定了《工程设备用仪器检定规程》等一系列技术规范；西安交通大学及其他单位研制了多种大型仪器设备和其他类型的实验室仪器；中国科学院还制定了多项国家和行业领域校准方法、规程[3]。

3 力学计量技术标准的分类

从不同的角度出发，计量技术标准可以分为测量基准、标准、方法和参考数据等。在对力学计量技术标准进行分类的时候，需要综合考虑各类标准的作用以及特点。

首先，测量基准主要是在对测量数据进行比对分析以后得出，其主要分为长度和几何尺寸基准两大类。长度测量的基础包括圆周和半径等。几何尺寸基准也分为几何尺寸、形状和尺度等，其中形状和尺度又有多种分类方法。其次，测量方法主要包括温度测定方法、应力松弛测定方法、变形测定方法和位移测量方法等，其中又包含了变形参数测量技术以及温度变化的控制标准等。再次，参考数据主要指对仪器设备或者测量仪器产生影响的数据值，其一般有校准周期和准确度等。最后，测量结果的解释，通常指通过对实验值进行分析与解释而得出的结论。

从力学计量技术标准应用效果来看，可以分为两类：一种是在实验室内利用现有的计量器具或技术规范以及其他工具来进行计量测试，这种类型就属于力学计量技术标准当中最基本、最重要的一类；另一种是在实验室外进行研究或应用的力学计量技术标准。其主要是利用现有仪器设备来完成对不同方面的研究分析工作等。

4 力学计量标准装置的应用类型分析

4.1 静重式力基、标准机

静重力基、标准机主要以重物的力量为基准力值，并利用一定的程序，运用静态力基、标准机相关程序及测力仪对其进行监控，在静态力和重力检测领域，采用标准机进行力值测量，可以提高力值的精度。一般情况下，在静重式力基、标准机等行业中使用的频率较高，其主要原因在于，在重力测量技术中，采用的是力量仪的标准设备，它的精度更高，而且它的测量困难也更少，因此，在重力测量中，它更适宜于采用静重式力基、标准机。静重式力基、标准机在力学计量中占有很大的比例，由于它的特殊性和优越性，在各种工业领域都有很高的使用频率[4]。

4.2 杠杆式力标准装置

杠杆式力标准装置是一种以杠杆为基本原理实现力学计量的标准装置，这是最常用的计量装置。在目前的技术发展迅速的今天，杠杆式力标准装置的使用和特性进一步发展。采用杠杆原理，能对受力进行变换，并能精确地完成平衡状态下的受力测量。杠杆式力标准装置采用了力矩和为零的基本原则，并结合实际使用的资料，具有较高的测量精度。

杠杆与重量变换装置可以将物体施加到物体上，通过累积砝码得到物体的应力状态。杠杆式力标准装置能更直观、精确地计算出受力值。在杠杆式力标准装置的实际工作中，利用砝码来达到与被测量对象的平衡，由其产生真实的力，在不平衡的情况下，再加上一个砝码来达到平衡。观测人员决定被测量对象的作用力，其数值就是被测量的对象。在使用时，仅需使用一个砝码和杠杆转换装置即可完成对杠杆的实际作用力。总体来说，其应用软件是非常简单和直观的，而且在应用阶段就能很好地运行游戏。采用把手式力标准器，使其测量的准确度和质量得到了极大的改善。

杠杆式力标准装置主要应用在一个或多个不等臂的操纵杆上。它的工作原理是把已知的固体重力进行放大，然后把它加到测力仪上，从而得到测力仪的力值。杠杆原理与力学的基本原理相结合，可以极大地缩短传统的测力仪的工作步骤，从而使整个力学计量程序变得简单。力学计量方法与操作简单，力测量精度不高，采用常规的机械测量设备，其误差最大可达到1×10^-4。在一般条件下，使用静重式力基、標准机比杠杆式力标准装置要少。随着对测力精度的要求越来越高，测力技术标准单元的应用范围也越来越窄。很多力学计量都不要求有很高的精度，因而在一般力值测量中，杠杆式力标准机的使用更为频繁，并且不易受外部环境等因素的影响。杠杆式力标准机只要在适当的场合使用杠杆式力标准机，就能有效地减少机械测量人员的质量[5]。

4.3 传感式力标准装置

在实际生产中，传感式力标准装置的使用较为普遍。由于采用了完整的测量体系，采用高精度的传感信号实现了真实力值的传递。该测量系统可对传感器的软件及附属组件进行定位，利用测量对象的重量、质量，对测量对象的弹性变形进行科学评价，利用输出信号实现了数据的采集，并对质量和传感部件的弹性变化进行了对比。在质量测量和工作结束后，该传感器的力量标准单位才能在实践中得到应用，由信号输出所采集的资料所得到的测量值更为精确。现在，最常用的是压缩式压力传感器，相对于常规的杆式力标准装置，传感式力标准装置的工作原理要复杂得多，虽然在实践中具有一定的实用价值，但并不具有绝对优势。

4.4 弹簧式力标准装置

弹簧式力标准装置利用弹簧传感元件对被测对象进行测量。测量对象的实际数据由弹性敏感元件获取。弹簧能准确地测量被测对象的压力，在实践中取得了很好的效果，为了得到实际测量对象的尺寸，了解被测量对象的身体强度和弹性部件的真实关系，通常用内衬材料波纹管。该方法测量的弹性材料精度较高。相对于常规的力学计量标准设备，它的运行更为复杂，具有广泛的使用范围和较高的精度，可以在实际应用中发挥重要作用。但是，在实际操作中，必须掌握标准设备的使用方法。弹性式压力标准设备由于其复杂程度和复杂程度而受到限制。

4.5 液压式力标准装置

液压式力标准装置也是一种很普遍的标准测量仪器。这种仪器通过帕斯卡设备将压力加到密封的液体上，因此可以测量被测物体，可以在显示器上看见一个固定的数值，实际数据是由标准重量和被测物体的对比得到的。相对于其他的计量仪器，它具有广泛的应用范围和广泛的特点，在其他标准设备不能满足要求的情况下，采用液压动力标准设备，其测量精度可达到20 mN。在采用常规液压动力仪进行受测物的受力时，应严格按其应用方法来确定受测物的受力范围，并使其规范化。相对于弹性压力标准机构，它的使用更便捷、更灵活，已被广泛地应用于机械制造行业。

4.6 叠加式力标准装置

叠加式力标准装置采用一套高标准的叠加式功率计，利用机械或液压的方法对测量结构进行载荷，并对其进行对比，得出功率值的检测结果。对于叠合力标准装置，最常用的最大受力数据范围为1 mN 至500 kN。通常，在力值测试场合为重力场、复杂测试环境时，可选用静态力标准机、杠杆式力标准机、液压式力标准机。仅当叠加力测量方法不能满足上述两种标准的要求时，采用叠加力标准仪进行力值测试。叠加力标准器的受力精度仅取决于加载方式、串联方式、安装质量和自身性能，在实际测试中可以根据上述精度影响因素减小测量误差。

5 力学计量标准装置的应用发展趋势

对力学计量标准装置的发展状况进行分析，有助于推动其应用，有助于力测量，为实践工作提供动力。现有的测量设备相对于常规的机械测量设备有了较大的发展和优化。因此，要适应力学计量工作的实际需求，推动技术革新与创新，必须对其发展趋势进行深入研究。

5.1 自动化发展

科技的飞速发展促进了自动化技术的发展，使力量计能够更好地满足各种要求，从而使其更精确。自动控制技术可以方便地测量，保证测量的准确性和质量。科技与自动化技术的结合，能更好地改善机器制造的效能，并能克服传统工艺的繁杂与多元化，解决工艺上的低效率问题，使之能与生产中的研发保持协调，降低人力、物力的损耗，提高社会及经济效益，并能有效地弥补工程中的失误。智能设计方案能够满足实际工作的要求，使资料更为可靠、内容更为完备，是今后的力学计量标准设备发展的方向[6]。

机械测量技术标准化设备的自动化能够很好地解决人工造成的误差问题。力学计量技术标准化装置难以完全脱离人工干预，只要有人工参与，就会产生误差，但与人工的误差相比，力学计量技术标准设备的误差几乎可以忽略不计。在将来，力学计量技术标准化单位将会采用自动化的方法，以改善力测量的准确度，并扩展各种力学计量技术中的标准件。

5.2 扩展的测量范围

随着机械现代化，在机械加工过程中，必须测量力的大小。为了满足当前的测量要求，对力学计量仪器做了进一步的优化和改进，以适应更大的测量范围。由于测量环境的限制，其测量范围必然会影响其正常工作。为充分利用力学计量标准装置的优势，在以后的设计中拓宽测量范围，提高仪器的使用性能，满足各种测量需求，突破测量的限制，使其更好地应用到生产中去。采用机械式控制技术，可以达到较低或较大的强度。拓展了测量界，扩大了计量装置的应用领域，扩大了计量装置的应用领域，成为今后的发展方向。

5.3 动态力

力学计量技术标准设备可以用于动态力的测定，但不能保证标准件的精度。今后，在力敏元件的动态性能标定方面，标准的机械测量仪器研究者将会加大研发投入。采用传感器及相应的辅助装置，使常规的机械测量装置既能实现自动控制，又能进行动态力的测量。

5.4 激光技术的应用

在力学计量技术不断创新与发展的进程中，采用激光技术可以提高测量精度，使用更方便，能够降低外界对信号的干扰与影响。该系统具有稳定可靠的特性，能够确保测量过程中的力、时间、精度、无外界干扰、操作简单。激光应用是当今世界发展的一个重要方面。同时，在信号传递过程中，及时发现缺陷和问题，也能有效地防止测量错误，提高检测的准确度和质量。

5.5 信号传感技术的发展

目前，在常规的机械测量中，采用了传感技术。机械测量规范技术的高精度为力量测带来了便捷性，强化传感技术会有更好的效果。由于其灵敏度高、测量精度高，已成为当前应用领域的重要组成部分。加强传感技术是机械创新与技术革新的一个关键环节。

5.6 增加标准的灵敏度

在测力时，通过增加标定的灵敏度，可以在某种程度上改善测力的精准度。目前，计算机技术与标准机械装置的发展，为及时反馈力数值信息，减少人为误差，提高测量效率，提供了快速、准确的解决方法。随着现代机械化技术的不断发展，仪器的检测精度不断提高，仪器的科学性和有效性得到了进一步提高。将力学测量结果与机械测量结果相结合，有利于在机械加工中进行实际操作，增加了信息处理技术，提高了数据的敏感性，为力测量系统的使用提供了便利。

6 结语

综上所述，力学计量技术已广泛应用于各个行业，技术的发展使得力学计量技术的技术水平也随之提高，在新的形势下，更多的先进技术与力学测量技术相结合，达到了更高的水平和更高的效率，有力地促进了力学测量技术的发展。因此，有关部门要在这方面做一些探讨，以便满足力学计量的需要，推动力学计量工作的迅速发展。