张保勇，梁 勇

（济宁市质量计量检验检测研究院，山东 济宁 272000）

制造业是国家支柱产业之一，力学计量在制造业中的应用极为常见，可见力学计量对国家经济发展的重要性。而力学计量主要通过国家计量基标准装置对不同场景下的力值等力学参数进行测量。随着制造业不断发展，力学计量需求越来越复杂，简单力学计量技术标准装置无法对由不同力、振动、速度、振源构成的复杂力值进行准确测量。于是在国家有关部门和行业专业人员的共同努力下对力学计量技术标准装置进行优化和迭代，目前已经能够运用力学计量技术标准装置测量大扭矩力值、多分量力值、高频液体质点振动力值、复杂环境力值、多目标速度振源力值、极低值高准确度力值。之所以力学计量基标准体系能够全面完善，是因为力学计量技术标准装置已经可以在多分量、多动态、复杂现场环境中得到准确力值测量结果，直接推动了有力值测量有关各行各业产业的转型升级。

1 力学计量基本概念

力学计量主要通过力值的传递通过力学计量技术标准装置等工具得到较为准确的力值测量结果。改革开放以前我国工业体系比较落后，力学计量技术标准体系和具体装置比较落后，其中最常见的力学计量技术标准装置是百分表式测力仪，只能在对受力分析单一、静态、简单环境中的力值进行测量，即使这样也无法保障力值测量结果的准确率。而现阶段我国主要工业体系趋近完善，目前在精确度要求较高、静态力测量领域和重力监测领域中主要采用静重式力学计量技术标准装置，在精确度要求较低、测量环境比较复杂的力值测量领域中主要采用杠杆式力学计量技术标准装置，在精确度要求较高、特定压力测量领域中主要采用液压式力学计量技术标准装置，在多分量、多动态、环境比较复杂的力值测量领域中主要应用叠加式力学计量技术标准装置，在动态化、多频率下压力测量领域中主要应用传感器力学计量技术标准装置。目前我国1 MN、5 MN力学计量技术标准装置应用频率最高，技术研发投入力度较大，已经取得一定成就，但是力学计量技术标准装置应用频率较低，技术研发投入力度较小，目前未能达到与世界接轨水平。

2 力学计量与力学计量技术标准装置的联系

力学计量的目的是准确得到质量、力值、扭矩、硬度、压力、真空、震动、冲击、转速、恒加速度、流量、流速、容量各个力学参数的测量结果，力学参数和校准过程中需使用力学计量技术标准装置作为测量和校准工具，力学计量技术标准装置的精确度越高最终力学计量结果越精准。力学计量主要在机械制造业、环境监测、交通运输、航空航天等领域应用，这些领域的特点是对力学计量结果精确度的要求比较高。力学计量应用领域逐渐向高精尖发展的同时，必须不断优化高精度、低精度、静态力、动态力、单分量、多分量、常见领域。特殊领域中的力学计量技术标准装置，使力学计量技术标准装置达到与世界接轨水平，因此二者是相互发展、相互促进的关系。

3 力学计量技术标准装置的应用现状

自改革开放以来力学计量技术标准装置不断研发、迭代，进步速度非常快，旧有测力仪不断被新型力学计量技术标准装置所取代。最新的力学计量技术标准装置既可以适用单分量、静态、实验室环境，又可以在多分量、动态、复杂现场环境中广泛使用。目前静重式力标准机主要应用在精确度要求较高的静态力测量和重力监测领域；杠杆式力标准机主要应用在精确度要求不高且测量环境比较复杂的常见力值测量领域；液压式力标准机主要应用在精确度要求较高的特定环境压力测量领域；叠加式力标准机主要应用在受力分析复杂、动态化、测量环境复杂下的综合力值测量领域；力传感器动态特性校准主要应用在动态力、多频率、精确度要求低的压力测量领域，但是后来该力学计量技术标准装置具有在高精度力值测量领域中的应用前景。各个力学计量技术标准装置准确性存在一定差异，具体应用现状如下：

3.1 静重式力基、标准机

静重式力基、标准机主要将重量固定的砝码动力作为标准力值，然后通过特定程序应用静重式力基、标准机相关程序和测力仪进行监测，最后才能提高静重式力基、标准机在静态力、重力检测领域中力值测量精确度。正常情况下重力检测领域中各行各业应用静重式力基、标准机的频率比较高，其根本原因是该在力计量技术标准装置在重力检测中的应用效果比较精准且测量难度较小，重力测量中更适合应用静重式力基、标准机。力学计量中重力检测所占比重较大，而且静重式力基、标准机可以一直保持较高测量精度，其专业性和优越性使静重式力基、标准机在各个行业重力检测领域中的应用频率居高不下。静重式力基、标准机在重力监测领域中的力值测量公式如下所示：

公式（1）中各指标意义如下：F表示重力监测领域中的力值测量结果，单位为N；m表示重力场中静重式力基、标准机所用砝码的固定质量，单位为kg；g表示重力加速度，单位为m/s2；ρ1和ρ2分别表示重力场中的空气密度和砝码的密度，单位为kg/m3。

3.2 杠杆式力标准机

杠杆式力标准机主要应用于单级或复式不等臂杠杆系统，工作原理是将已知的固定砝码重力放大，达到标准力值后将其施加到测力仪对待检测机构力值进行测量。杠杆原理和力学计量原理相融合可以大幅度减少力学计量技术标准装置的力值测量步骤，精简了整个力学计量流程。但是力学计量存在流程简单、操作简便的问题，杠杆式力标准机测量精确度低的问题难以避免，该力学计量技术标准装置最大不确定度可达1×10-4。正常情况下，静重式力基、标准机的适用场景少于杠杆式力标准机，力值测量精确度要求越高则表示该力计量技术标准装置的适用场景越少，很多力学测量并不需要得到非常精确的测量结果。因此综合考虑下杠杆式力标准机在通用力值测量场景中的应用频率更高，而且不容易受到外界环境等因素的影响。由于杠杆式力标准机只需在合适场景中应用杠杆式力标准机即可有效缩减力学测量工质量。杠杆式力标准机在大部分通用力值测量领域中的公式如下所示：

公式（2）中各指标意义如下：F、m、g、ρ1和ρ2各指标意义与公式（1）完全一致；k表示杠杆长臂长度与杠杆断臂长度的比值。

3.3 液压式力基、标准机

液压式力基、标准机主要通过两个面积不一致且无机械摩擦的缸塞副和砝码固定重量值得到标准力值，然后将标准力值施加到测力仪上即可得到特定压力测量领域中的力值测量结果。在精确度要求较高、特定压力测量领域中主要采用液压式力学计量技术标准装置，压力检测中应用此类力学计量技术标准装置的效果优于其他力学计量技术标准装置类型，液压式力标准机不确定度最小可达1×10-4、最大可达2×10-4。虽然液压式力基、标准机的应用场景比较有限，但是在特定场景中应用液压式力基、标准机是非常必要的，液压式力基、标准机无法被其他力学计量技术标准装置替代。正常情况下，液压式力基、标准机在压力测量中的力值测量精确度更高，而静重式力基、标准机、杠杆式力标准机虽然可以用于压力监测，但是无法得到较为准确的力值测量结果，因此当前液压式力基、标准机逐渐成为压力检测中应用频率最高的力学计量技术标准装置。液压式力标准机的力值测量公式如下所示：

公式（3）中各指标意义如下：F指标意义与公式（1）、（2）一致；W1表示压力测量中砝码自身重力，单位为N；W2表示该力学计量技术标准装置测力活塞和挂吊的重力，单位为N；W3表示该力学计量技术标准装置工作活塞和反向器的重力，单位为N；W4表示压力测量中测力仪的重力，单位为N；G表示平衡重块的重力，单位为N；S1、S2分别表示该力学计量技术标准装置工作缸塞和测力缸塞的有效面积，单位为m2；H表示测力活塞与工作活塞的距离，单位为m；ρ表示压力测量中液压式力基、标准机油液的密度，单位为kg/m3；

3.4 叠加式力标准机

叠加式力标准机主要应用一组标准较高的叠置串联测力仪，在采用机械方式或者液压方式对测量结构施加负荷，最后通过比较测量即可得到力值检测结果。叠加式力标准机最为常见的最大力值基准为500 kN、1 MN，该力学计量技术标准装置的不确定度可达3×10-4。正常情况下若力值测量场景为重力监测领域精确度要求较低、测量环境比较复杂的力值测量领域、压力测量领域，则可以分别应用静重式力标准机、杠杆式力标准机、液压式力标准机，只有叠加力测量难以适用以上任何一种力学计量技术标准装置时才会选择应用叠加式力标准机进行力值测定。叠加式力标准机的力值测量精确度只与测力仪施加负荷方式、串联方式、安装质量、自身性能有关，实际测量叠加力时可以针对以上精确度影响因素减少测量误差。

3.5 力传感器动态特性校准

力传感器动态特性校准力学计量技术标准装置在阶跃力法下主要在外力作用下使脆性材料达到强度极限并断裂，然后传感器可以在极短时间内受到斜坡负阶跃力激励，最后根据截面积和传感器系统即可得到较为准确的测量结果；力传感器动态特性校准力学计量技术标准装置在正弦力法下可以直接传感器数值，质量块重量根据 F=ma公式，即可得到力传感器动态特性校准结果。但是整体来说力传感器动态特性校准误差远超以上四类力学计量技术标准装置，因此力传感器动态特性校准并未像以上四类力学计量技术标准装置一样得到广泛推广。

4 力学计量技术标准装置的发展趋势

随着我国力学计量基标准体系的不断完善，大扭矩力值、多分量力值、高频液体质点振动力值、复杂环境力值、多目标速度振源力值等问题部分得到解决，但是主要解决思路是对现有力学计量技术标准装置进行改进，使其力值测量精确度得到提高、适用力值测量领域得到拓展。未来力学计量技术标准装置将向自动化、动态力、极值力的方向发展，最终力学计量技术标准装置将能够在自动化技术、动态力测量技术、极限测量技术下提高力值测量精确度、降低测量操作难度。

（1）自动化。力学计量技术标准装置自动化可以解决人为带来的误差问题，力学计量技术标准装置很难完全摆脱人为参与，只要人为参与到力值测量中就会导致误差问题出现，只是很多时候人为导致的误差与力学计量技术标准装置本身存在的误差相比可以忽略不计。未来，力学计量技术标准装置将通过自动化操控提高力值测量精确度，同时拓宽各类力学计量技术标准装置的应用范围。

（2）动态力。力学计量技术标准装置能够用于测量动态力的比较少，而且不能保证力学计量技术标准装置在动态力测量中的精确度。未来，力学计量技术标准装置研究人员可以在力传感器动态特性校准方面加大研发投入，通过传感器和相关配套系统，既可以实现力学计量技术标准装置自动化，又可以让力学计量技术标准装置应用在动态力测量中。

（3）极值力。力学计量技术标准装置极值力研究主要指1 N以下以及10 MN以上的力值测量，极值力测量能够应用在很多高精尖领域中，例如航空航天领域中可以运用力学计量技术标准装置对1 N以下的力值进行测量，一次判断飞行器或飞行载具是否存在安全隐患。目前力学计量技术标准装置力值测量范围主要在1 MN、5 MN等量级，1 N以下以及10 MN的力学计量技术标准装置较少，而且不能保障力值测量精确度。未来，研究人员必须在极值力研究方面加大投入，完善我国力学计量基标准体系，减少力学计量技术标准装置应用领域缺陷，减少力学计量技术标准装置的短板。

5 结论

综上所述，目前静重式力标准机主要应用在精确度要求较高的静态力测量和重力监测领域；杠杆式力标准机主要应用在精确度要求不高且测量环境比较复杂的常见力值测量领域；液压式力标准机主要应用在精确度要求较高的特定环境压力测量领域；叠加式力标准机主要应用在受力分析复杂、动态化、测量环境复杂下的综合力值测量领域；力传感器动态特性校准主要应用在动态力、多频率、精确度要求低的压力测量领域，但是后来该力学计量技术标准装置具有在高精度力值测量领域中的应用前景。未来力学计量技术标准装置将继续向自动化、动态力、极值力的方向发展，提高力学计量技术标准装置的应用范围，完善我国力学计量基标准体系，让我国力学计量技术标准装置在测量与校准方面的能力得到国际认同，这样才有望提高我国制造业工业产品附加值，让我国真正成为制造业强国。