力标准机检测能力拓展初探

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The Preliminary exploration of Force standard machine testing capacity expansionAbstract：Articles by means of diferent force standard machine potentials for improvement analysis and detection capabilities expanddirection，after yearS of continuous assessment shows that the stability of the repeatability，showing error，orientation eror and annualstability reached 0.01%。

Key words：force standard machine；detection；capacity development1 力标准机及其发展趋势概述力标准机是指产生标准力值，用于检定/校准测力仪 (或力/称重传感器)的计量器具。力标准机是我国力值量值传递中-个呈上启下的重要环节，向上溯源国家力值基准，向下量传更低级别的测力值工作计量器具，在国家量传图和传递体系有明确的规定，力标准机根据其概念定义和技术特点通成分为四种类型：(1)静重式力标准机 (D咖 是以砝码的重力作为标准负荷，通过适当的机构按预定顺序 自动平稳地把负荷直接地施加到被检定/校准测力仪 (或称重传感器)上的力标准机。

(2)杠杆式力标准机(LD是以砝码的重力作为标准力值，经过-定的杠杆机构放大后按预定顺序 自动平稳地把力值加到被检定/校准测力仪 (或称重传感器)上的力标准机。

(3)液压式力标准机(HM)是以砝码的重力作为标准力值，经过-定的两组油缸活塞的组合油路系统放大后，按预定顺序把力值自动平稳地加到被检定/校准测力仪(或称重传感器)上的力标准机。

(4)叠加式力标准机 (包括力比较机) (BD是指用- 组比被检定/校准的测力仪准确度高的标准测力仪作为参考标准，与被检测力仪 (或力/称重传感器)串联，以液压或机械方式施加负荷的力标准机。

力标准机发展与其他计量基准/标准的发展基本-致，除了提高计量准确度、扩大测量范围、检定/校准工作 自动化、多参数同时计量、动态、连续、跟踪、快速计量等仪器的功收稿日期2013-05-08作者简介植宇辉，男，供职于广西计量检测研究院。

能外，另外还增加了提供能较方便变化的试验空间”和改善投入产出比”这两个方面，因为可方便变化的较大的试验空间可以满足更多不同类型的检测试验要求，还有在投资资金有限且量传任务不足的情况下，改善投入产出比是各识计量技术机构考虑的重要因素，如何解决这个矛盾，需要对力标准机改善投入产出比进行深入细致的研究。

2 目前力标准机使用存在的问题力标准机的现状为结构单-，为确保其力值长期稳定，- 般只用于高精度的单-量传工作，不建议用于低精度的或粗糙的量传工作、破坏性试样的试验和其他-些对力标准机性能有不良影响的检测试验。在长期的实践工作中，我们发现，-是法定计量技术机构的力值量传装备 (力标准机)，由于其法定量传任务有限，闲置率较高；二是有些生产企业由于单位投资效益比不高的成本压力，购置的试验机准确度低，配置不齐全，缺失有经验的技术人员和管理人员，相关试验设备闲置或损坏 (处于待修状态)也常见，-些必需的试验做不好或做不了；随着技术的发展，还有-些形状、结构和校准方式比较特别的仪器或试验样品出现，不断挑战现有的检测装备，企业也迫切希望有-些相关专业的社会公用实验室来满足他们在生产、试验和科研的-些需求。所以，增加力标准机的检测范围和功能，提高利用率，减少投入和增加产出，并以此建立开放的力学社会公用实验室，实现社会资源共享，成为计量技术机构众多科研人员的研究方向，上述- 些不建议的检测和试验的工作限制也要有所突破。

目前，使用较多的方法是将几种力标准机巧妙地结合为有机的-体，普遍增加 自动化功能，以达到既适当提高准确度，又增加量程范围，还可以减少资金投入的目的。例如直接将杠杆式力标准机、液压式力标准机的砝码加载器部分向上增加检测用的反力架，等于增加-个较小力值的静重机，向下拓展了测量范围，准确度-般还优于原母体标准机，-机顶两机，也节省投资；此外还有将液压式力标准机、静重式力标准机和叠加式力标准机有机结合为-体的方式等。

上述方法，虽然在-定程度上增加量程范围，减少资金投入，但没有向深度挖潜增加-些功能，仍然有许多局限性，属于初级阶段，与建立开放的力学社会公用实验室和实现社会资源共享还有不少距离。

3 不同力标准机的改进潜力分析静重式、杠杆式和帕斯卡液压式这三种力标准机有-个共通的特点，都是通过-级-级的砝码按预定顺序逐级 (或分级)加载，加载是间断和不连续的，加载速度较慢，通常是以力值的静态形式进行检测，且由于它们配置的砝码数量有限，不会因为其准确度的提高而直接增大该力标准机的量程范围，另外随着量程的增加，其体积会迅速增大，成本也急剧增加。

叠加式力标准机采用高精度标准测力仪作为参考标准，力值加载是连续和不间断的，加载速度较较快，原理上力值不仅可以实现静态检测，还可在-定范围实现动态检测，且其准确度的提高会直接加宽它的测量范围 (在分量程确定准确度的条件下)，最大测量力值与最小测量力值之比达到或超过 100：1，可以满足不少现实需求，另外随着量程的加大，其体积不会迅速增大，成本的提升也较缓 (降低参考标准传感器的成本也是-个重要因素)。因此叠加式力标准机的应用范围更宽，功能拓展能力更强，成本更低。

以前，由于叠加式力标准机的稳定控制技术不成熟，其整机准确度折损比较大，准确度等级-直难以提高，其他方面的能力拓展也受到很大限制，如今，叠加式力标准机不管是机械式还是液压式，其稳定控制技术已经取得突破，影响其整机准确度的因素大幅减少，整机准确度等级可以做得越来越逼近参考标准传感器的准确度等级，因此叠加式力标准机能力的深度拓展获得了难得的历史发展机遇。还有观点认为，随着控制技术进步、效率提高、制造工艺优化、功能进- 步增强和参考标准力传感器等成本进-步降低，叠加式力标准机有取代杠杆式力标准机的趋势。

4 力标准机检测能力拓展方向初讨力标准机的能力拓展若按力轴方向可分为单轴向力测量能力和多轴向力测量能力，若按力的稳定性可分为力的静态检测能力和力的动态检测能力，若按专业分为通用能力和专用能力。

(1)单轴向力检测能力是指在-个力轴方向上实现拉向力和压向力检测的能力。

(2)多轴向力检测能力是指在两个以上的轴方向进行力值检测的能力。

(3)2J的静态检测能力是指在检测期间其力值可认为是恒定的力值的检测能力。

(4)2J的动态检测能力是指为确定力值的瞬时值以及如有需要时它随时间的变化量而进行的检测能力。

(5)通用检测能力是指满足测力仪 (或力/称重传感器)各项力学计量性能检测的能力，各个地区叠加式力标准机能力拓展均适用。

(6)专用检测能力是指围绕本地或地区特殊产业的检测和科研需求而专门拓展的检测能力，当然对其他区域的叠加式力标准机能力拓展也有借鉴意义。

如上所述，目前力标准机检测能力的拓展基本还停留在初级阶段，即满足通用的、单轴向力的和静态检测能力的提升，还需要围绕实际应用，对其他几种能力拓展做进-步的研究探讨和实践验证。

5 力标准机检测能力拓展要解决的问题力标准机检测能力的深度拓展，不是简单的量程扩大、空间尺寸增加，而是要进行新的实用功能设计与应用研究，各种综合要素的切入点要恰到好处，既确保新功能稳定实现，又要保证量传准确度和长期稳定度不受影响，还要改善投入产出比，确实有不少难题要解决。

(1)要紧密围绕实际应用进行力标准机的针对性研发，并实现较好的社会经济效益。

(5)要研究确保不同准确度的检测试验不能损伤力标准机的高准确度计量性能。

(6)相关力标准机检定规程的部分技术指标要进-步提高和完善。

6 叠加式力标准机检测能力拓展的实例简介为解决上述难题，广西计量检测研究院跟踪锁定国内外相关先进技术，结合广西的汽车、液压千斤顶和预应力构件等优势特色产业和广西力值检测的战略发展需求，与浙江省绍兴市肯特机械电子有限公司联合研制了 500kN全 自动液压叠加式力标准机”和 12MN液压叠加式多功能力标准机”。

其中 500kN全自动液压叠加式力标准机”实现了高准确度、高稳定性和大的试验空间，验证了标准参考传感器和自主研发的控制仪表的配置是成功的，经过几年连续的稳定性考核的校准证书表明，其重复性、示值误差、方位误差和年稳定度达到了 0.01%，表明叠加式力标准机的高稳定控制技术已经取得突破，检定规程中叠加式力标准机的准确度等级可以适当提高。

该力标准机在实际应用研究领域，为某企业的某型号索力仪研发提供了很好 (高准确度)的试验环境，分析出由原来低准确度等级 (1%)的试验机无法确 (下转第152页).. 156。

由精密测角仪周期检定证书中 由精密测角仪周期检定证角度 块检 精密 测 角 给出的重复性；或精密测角仪 书中获得稳定性数据；或精5定装置 仪 多次重复测量角度块获得的重 密测角仪周期检 定被检角复性。 度块获得的测量数据。

由自准直仪，合像水平仪周期平 尺、平 自准直仪， 检定证书中给出的重复性；或 由自准直仪，合像水平仪周6 板 检定装 合 像水 平 自准直仪，合像水平仪多次置 期检定证书中获得稳定性置 仪 于被检平尺、平板某位置获得 数据。

由直角尺检定仪周期检定证书 由直角尺检定仪周期检定直 角尺 检 直 角尺 检 中给出的重复性：或直角尺检 证书中获得稳定性数据或7定装置 定仪 定仪多次重复测量被检直角尺 直角尺检定仪周期检 定被获得的重复性。 检直角尺获得的测量数据。

直 流标 准 003 级直 由 O 03级直流电压表周期检定 由 0.03级直流电压表周期8 检定证书中获得稳定性数 电压表 流电压表 证书中给出的重复性。

三、计量标准由实物量具 (计量标准嚣)和测量仪器 (比较仪)两部分构成平 面平 晶 2等平晶 由等厚干涉仪周期检定证书中 由等厚干涉仪周期检定证l 等 厚 干涉给出的重复性：或等厚干涉仪 书 中获得稳定性数据或等检定装置 多次重复测量 2等平晶获得的 厚干涉仪周期检定平晶获仪重复性。 得的测量数据。

研 磨面 平 由等倾干涉仪周期检定证书中 由等倾干涉仪周期检定证长平晶等 给出的重复性；或等倾干涉仪 书 中获得稳定性数据或等2 尺 检定 装倾干涉仪 多次重复测量平晶获得的重复 倾干涉仪周期检定平晶获 置性。 得的测量数据。

2等标准金 由 1米万工显周期检定证书中 由 1米万工显周期检定证2 等金 属 书 中获得稳定性数据或 1属 线 纹尺 给出的重复性；或 1米万工显3 线 纹米 尺 米万工显周期检定 2等标l米万工 多次重复测量 2等标准金属线 标准装置 准金属线纹尺获得的测量 显 纹尺获得的重复性。

正 多面棱 正多 面 棱 由自准直仪周期检定证书中给 由自准直仪周期检定证书出的重复性；或 自准直仪多次 中获得稳定性数据或 自准4 体标 准装 体自准直置 仪重复测量正多面棱体获得的重 直仪周期检定正多面棱体复性。 获得的测量数据。

2 等量块 2等量块 由电脑 比较仪周期检定证书中 由电脑比较仪周期检定证5 电脑 比较 给出的重复性 ：或电脑比较仪 书中获得稳定性数据或电标准装置 多次重复测量 2等量块获得的 脑 比较仪周期检定 2等量 仪重复性。 块获得的测量数据。

干 分表检 3等量块 由电感测微仪周期检定证书中 由电感测微仪周期检定证给出的重复性；或电感测微仪 书中获得稳定性数据或 电6 定 仪检 定 电感 测 微多次重复测量 3等量块获得的 感测微仪周期检定 3等量 装置 仪重复性。 块获得的测量数据。

百分表 检 4等量块 由电感测微仪周期检定证书中 由电感测微仪周期检定证给出的重复性：或电感测微仪 书中获得稳定性数据或 电7 定 仪检 定 电 感测 微多次重复测量 4等量块获得的 感测微仪周期检定 4等量装置 仪重复性。 块获得的测量数据。

由星度检查仪周期检定证书 由星度检查仪周期检定 小 角度测 3等量块中给出的重复性：或星度检 证书中获得稳定性数据或8 量 仪标 准 小 角度 检装置 查仪查仪多次重复测量 3等量块获 星度检查仪周期检定 3得的重复性。 等量块获得的测量数据。

环 规检 定 2 等量 块 由测长仪周期检定证书中给出 由测长仪周期检定证书中9 (环规) 的重复性 ；或测长仪多次重复 获得稳定性数据或测长仪装置 周期检定 2等量块获得的 测长仪 测量2等量块获得的重复性。

水 平仪 检 由立光计周期检定证书中给出 由立光计周期检定证书中10 定器检 定 3等量块 获得稳定性数据或立光计 的重复性；或立光计多次重复立光计 周期检定 3等量块获得的 装置 测量3等量块获得的重复性。

(责任编辑 伍 彬)(上接第156页)定的技术数据，使该型号索力仪走出长达两年的研究误区并成功获得 广西科技进步二等奖”，表明高准确度力标准机用于解决工业应用需求可以达到意想不到的良好效果。期间经历过试样断裂的强烈震动冲击，由于该机科学合理的设计冗余和保护措施，没有对其准确度和性能产生不良影响。

还有 12MN液压叠加式多功能力标准机”，具有多轴向力检测能力 ，已经获得中国专利，安静型的噪音很低 (约40dB)，节能达 50%。研制工作基本完成时，由中国计量院在绍兴做的出厂验收检测，准确度达到 0.05%。它不仅能实现高准确度力值量传，还能实现千斤项、橡胶支垫检测的多功能检测，工作效率大为提高，检测收入大幅增加，而且带来了新的工作模式 (例如将蓝领操作变为白领操作)，引发新的研究项目，验证了高准确度和低准确度的使用功能混用是可以不冲突的。

上述事例说明，只要紧密围绕产业实际需求，研发深度拓展综合检测能力的力标准机，更好地服务社会，才能真正建立开放的力学社会公用实验室，实现社会资源共享。