我國(guó)力值計(jì)量和質(zhì)量計(jì)量的發(fā)展歷程及展望

我國(guó)力值計(jì)量和質(zhì)量計(jì)量的發(fā)展歷程及展望

一、力學(xué)計(jì)量的發(fā)展力學(xué)計(jì)量的理論基礎(chǔ)是牛頓力學(xué)。質(zhì)量是一個(gè)基本的物理量,質(zhì)量單位是國(guó)際單位制(SI)現(xiàn)有七個(gè)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(jì)量經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,建立了比較完善的力學(xué)計(jì)量體系。近年來(lái),隨著計(jì)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(dòng)化技術(shù)和智能化技術(shù)等的廣泛應(yīng)用,力學(xué)計(jì)量有了新的飛躍,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)建立了一大批量程寬、準(zhǔn)確度高的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置。本文主要闡述我國(guó)力值計(jì)量、質(zhì)量計(jì)量的發(fā)展歷程、目前水平及先進(jìn)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置和計(jì)量方法,并對(duì)其未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。二、力值測(cè)量(一)力值計(jì)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(cè)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(guó)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(jì)量標(biāo)準(zhǔn)分為兩大類(lèi),一類(lèi)是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)力值的,用于檢定、校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀或力傳感器的力標(biāo)準(zhǔn)裝置,稱(chēng)之為力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)。力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)通常有四種類(lèi)型:靜重式、杠桿式、液壓式和疊加式。另一類(lèi)是用于檢定、校準(zhǔn)、比對(duì)傳遞力值的標(biāo)準(zhǔn)器,稱(chēng)之為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀。(二)力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的類(lèi)型(1)靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)DWM)靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)或靜重式標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力機(jī),均以已知砝碼的重力直接作為標(biāo)準(zhǔn)力值,通過(guò)適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)和程序平穩(wěn)地施加到被檢定的測(cè)力儀上。靜重式就是直接加荷式,所以有時(shí)也稱(chēng)之為直接加荷式標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力機(jī)?？紤]到空氣浮力影響,質(zhì)量為m的砝碼在重力場(chǎng)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(diǎn)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(diǎn)重力加速度的測(cè)量不確定度、砝碼和空氣密度的測(cè)量不確定度,其計(jì)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(guó)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(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)的1000klbf(約4.5MN),力值相對(duì)擴(kuò)展不確定度為0.002%(k=3);中國(guó)最大的靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)是保存在中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院的1MN力值國(guó)家基準(zhǔn),力值相對(duì)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(jià)昂貴,世界各國(guó)均建立作為力值計(jì)量的最高標(biāo)準(zhǔn)(基準(zhǔn))。(2)杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)LM)杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)或杠桿式標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力機(jī),利用不等臂杠桿系統(tǒng)(單級(jí)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(cè)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(zhǎng)臂與短臂長(zhǎng)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(cè)量不確定度;其計(jì)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(guó)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(jiǎn)稱(chēng)HM)液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)或液壓式標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力機(jī),以帕斯卡原理為基礎(chǔ),通過(guò)兩個(gè)面積不等的無(wú)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(cè)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(cè)力機(jī)的放大比遠(yuǎn)大于杠桿式測(cè)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(guó)際上最大的液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)為中國(guó)計(jì)量院(NIM)的20MN、日本NMIJ的20MN、德國(guó)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(jià)昂貴。因此,世界上只有少數(shù)國(guó)家將其建立作為大力值計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。(4)疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)BM)近年來(lái),由于傳感器技術(shù)的快速發(fā)展,可測(cè)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(wèn)世,國(guó)際上將此種類(lèi)型的力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)稱(chēng)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(jiǎn)單造價(jià)相對(duì)較低,準(zhǔn)確度又能滿(mǎn)足檢定、校準(zhǔn)的需要,因此被世界各國(guó)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(jì)量性能也將會(huì)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(cè)力機(jī)不同,它不是采用絕對(duì)測(cè)量方法,而是采用相對(duì)比較測(cè)量方法,是用一個(gè)(組)標(biāo)準(zhǔn)較高的測(cè)力儀作為標(biāo)準(zhǔn),通過(guò)適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu),與被檢定的測(cè)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(cè)量,用以確定被檢測(cè)力儀的計(jì)量特性。其力值不確定度主要取決于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀的性能指標(biāo)、被檢測(cè)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(dòng)態(tài)特性校準(zhǔn)目前,力傳感器動(dòng)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(gè)液壓力源,被測(cè)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(shí),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(gè)下降時(shí)間為(20~50)μs的斜坡負(fù)階躍力激勵(lì),階躍力大小由試件截面積控制。傳感器輸出信號(hào)到信號(hào)采集系統(tǒng)供處理。正弦力法是利用一個(gè)振動(dòng)臺(tái),被測(cè)傳感器安裝在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上,被測(cè)傳感器頂面安裝已知質(zhì)量(m)的質(zhì)量塊,當(dāng)振動(dòng)臺(tái)做正弦振動(dòng)時(shí),根據(jù)牛頓第二定律,力傳感器承受的動(dòng)態(tài)力為F=ma,a可由加速度計(jì)測(cè)量。改變振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)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(cè)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(lái)的誤差較大,所以校準(zhǔn)不確定度較低,目前仍沒(méi)有廣泛使用。(三)力值計(jì)量發(fā)展趨勢(shì)國(guó)際上各國(guó)實(shí)驗(yàn)室建立的靜重式力基準(zhǔn)機(jī)的現(xiàn)狀,如表1所示,國(guó)內(nèi)中小力值計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀,如表2所示。在我國(guó),大于1MN的力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)稱(chēng)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(lèi)。典型的大力值標(biāo)準(zhǔn)機(jī)國(guó)內(nèi)水平現(xiàn)狀,如表3所示。目前,國(guó)內(nèi)2MN液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)大約有12臺(tái),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(cè)力油缸、活塞間的靜摩擦和砝碼交換時(shí)的逆負(fù)荷效應(yīng)帶來(lái)的不確定度分量最小為3×10目前,國(guó)內(nèi)大于1MN的疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)見(jiàn)報(bào)道的有三臺(tái):浙江省計(jì)量院在2006年建立了一臺(tái)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(jì)算機(jī)技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)不斷的應(yīng)用在力值計(jì)量中,其發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面:(1)自動(dòng)控制技術(shù)充分利用當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)的最新成就,各類(lèi)視窗風(fēng)格功能齊全的校準(zhǔn)軟件廣泛地應(yīng)用于各類(lèi)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(wú)一例外的都實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制。(2)動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)的重要性和目前發(fā)展?fàn)顩r,動(dòng)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(dòng)態(tài)信號(hào)分析和處理技術(shù),研究動(dòng)態(tài)力的發(fā)生機(jī)理及信號(hào)采集將是動(dòng)態(tài)力值計(jì)量的主要研究方向。(3)隨著實(shí)際測(cè)試環(huán)境和要求的提高,對(duì)超大力值和微小力值標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力機(jī)的研制,是今后力值計(jì)量的一個(gè)重要發(fā)展方向。三、質(zhì)量測(cè)量(一)原器原器所代表的“實(shí)物”基準(zhǔn)質(zhì)量在國(guó)際單位制(SI)中是力學(xué)計(jì)量中唯一的基本單位。質(zhì)量在SI中用符號(hào)kg(公斤或千克)表示,它等于“國(guó)際千克原器”的質(zhì)量。1889年,第一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)批準(zhǔn)了“國(guó)際米制委員會(huì)通過(guò)的千克原器”,決定“今后該原器作為質(zhì)量單位”并保存在國(guó)際計(jì)量局原器庫(kù)里。國(guó)際千克原器是目前世界上基本單位中唯一的“實(shí)物”基準(zhǔn),各國(guó)的千克原器都是國(guó)際千克原器的復(fù)制品。我國(guó)共有兩個(gè)千克原器。(二)中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院nim的最低校準(zhǔn)/檢測(cè)能力在質(zhì)量計(jì)量過(guò)程中,砝碼是“從屬于天平的實(shí)物量具”,砝碼的質(zhì)量必須通過(guò)天平來(lái)測(cè)量,因此可以從砝碼以及天平研究的現(xiàn)狀來(lái)反映質(zhì)量計(jì)量的發(fā)展水平。砝碼方面,溯源到國(guó)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(cè)量范圍和擴(kuò)展不確定度,如表5所示。代表中國(guó)最高計(jì)量能力的中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院(NIM)被列入國(guó)際互認(rèn)協(xié)議(MRA)的附錄C的最高校準(zhǔn)/檢測(cè)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(jì)量的研究目前,急需更新質(zhì)量基準(zhǔn)——“千克”?，F(xiàn)行的質(zhì)量基準(zhǔn)是鉑銥合金砝碼——“千克”原器,它是實(shí)物標(biāo)準(zhǔn),它的質(zhì)量隨時(shí)間變化(在巴黎國(guó)際計(jì)量局存放的國(guó)際“千克”原器每10年增長(zhǎng)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(duì)質(zhì)量計(jì)量的影響在質(zhì)量計(jì)量過(guò)程中,環(huán)境對(duì)質(zhì)量計(jì)量的影響非常大。除了空氣對(duì)流對(duì)計(jì)量結(jié)果有影響外,人體的熱輻射、人在試驗(yàn)室移動(dòng)所帶來(lái)的空氣對(duì)流等對(duì)試驗(yàn)室結(jié)果都有較大的影響。如何采用有效的方法來(lái)定量評(píng)價(jià)這些量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,是近期質(zhì)量計(jì)量研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。(3)磁化對(duì)質(zhì)量計(jì)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(duì)試驗(yàn)結(jié)果有較大的影響。如何定量確定標(biāo)準(zhǔn)砝碼、被測(cè)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(jì)量的今后重點(diǎn)發(fā)展方向當(dāng)今科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn),為力學(xué)計(jì)量這門(mén)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(jì)量提供了現(xiàn)