力值计量标准现状及研究进展
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4] 准的重复性及方位误差 [1， 。因此， 在同一环境条件 下由同一间实验室建立完整的力值计量基 、 标准 是十分必要的 。 国际上各国实验室建立的静重式 力基准机的现状见表 1， 国内中小力值计量标准的 现状见表 2。
表1
各国实验室建立的静重式力基准机的现状表 力值范围 力值扩展不确定度 （k=3 ）
1
引
言
力值计量标准分为两大类， 一类是产生标准力 值的， 用于检定 、 校准标准测力仪或力传感器的力 标准装置， 称之为力标准机。力标准机通常有四种 杠杆式、 液压式和叠加式 。另一类是 类型： 静重式、 用于检定、 校准、 比对传递力值的标准器， 称之为标 [1] 准测力仪 。 力计量单位牛顿 （N ） 的定义是： 使质量为 1 kg 2 的物体产生 1 m/s 加速度所需要的力， 砝码在空气 中使用所产生的力可表示为： f =mg （1 － ρa / ρw） （1 ） 因此， 利用地球引力场中砝码的重力产生力值 建立力值基、 标准， 砝码质量直接溯源到质量标准， 可以获得较高的准确度， 此种类型的力标准机称之
关键词 ：力值计量标准； 静重式力标准机； 砝码逆程交换； 独立加码； 逆负荷现象； 力传感器； 叠加式力标准机 中图分类号 ：T09 ；TB931 文献标识码 ：A 文章编号 ：1674-5124 （2009 ）03-0011-06
Research development and summary of force measurement standards
2.2 中小力值计量标准的研究进展 2.2.1 力标准机 “独立加码” 方法 根据力标准机的量程按单个 1、 2、 2、 5 和数个 10 的倍数关系配置的一组砝码， 采用一种抑制砝码 逆程交换的力标准机独立加码的方法， 满足全量程 范围内所需的以 1 为倍数关系递增或递减的任一 力级， 在一台力标准机上， 实现不同量程以不同的力 值间隔及速度加载，同时实现每个量程均以 10 个 力级等间隔、 等速率加载。由于力标准机的每一个 砝码在加卸时的运行方向 、 速度和重力都可以单独 实施控制， 因此在施加需要交换砝码的力级时， 根 据负荷大小按规定的加卸速度， 完成对加砝码下降 到吊挂与卸砝码离开吊挂交换过程的力平衡控制， “逆负荷现象” 的目的[6]。 达到克服或减小 2.2.2 独立加码方法的实现方式 该机配有 9 个 以 100 kN 静重式力标准机为例， 砝码 （吊挂 2 kN、 砝码 1 kN、 1 kN、 2 kN、 5 kN、 10 kN、 20 kN、 20 kN、 20 kN、 20 kN ） ， 应用 “ 独立加码 ” 方式 实现砝码逆程交换 。 加 、 卸砝码的平台由独立的 18 组运动机构 （精密滚珠丝杠升降平台） 、 18 组伺 服电机及驱动器、 多轴控制器和力传感器变送器构 1、 1、 2、 5 和 10 的倍数关 成。力标准机的砝码按 2、 系进行组合， 按照不同量程以不同的力值间隔与速 度加载，通过主控微机管理控制砝码的组合加 、 卸 与交换。力标准机的结构型式见图 1。
TANG Chun-qian （National Institute of Measurement and Testing Technology ， Chengdu 610021， China ） Abstract: Metrology performances has been compared for diverse force standard machines all over the world ， and it has been expounded that research situation of Chinese force metrology standards and some advanced technologies.A new technology of loading weight respectively is suggested ， which is effective for reducing load fluctuation caused by counter -span exchanging weihgts of deadweight force standard machines and for solving counter-force phenomenon. A system of build-up force standard machine is developed ， its force transducers are acted as reference standards and its value can trace to primary force standards directly. All above are expected to offer a referrence for designing and developping a large scale force metrology standards. Key words: Force metrology standard； Deadweight force standard machine； Counter -span exchanging weihgts； Loading weight respectively；Counter-force phenomenon；Force transducer；Build-up force standard machine
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中国测试
2009 年 5 月
合双杠杆机为 2 MN，力值不确定度为 0.02%～0.03%. 国际上最大的液压式力标准机 为 中 国 计 量 院 （NIM） 的 20 MN 、 日本 NMIJ 的 20 MN、 德国 PTB 的 16.5 MN， 力值不确定度为 0.01%.由于液压式力标准 造价昂贵， 因此， 世界上只有 机制造技术难度较大 、 少数国家将其建立作为大力值计量标准。 近年来， 由于传感器技术的快速发展， 可测量 1 MN 以上的大力值高精度力传感器已经面市 。 采 用力传感器作为参考标准，与被检传感器串联， 以 机械或液压方式施加负荷的力标准机也相继问世， “叠加式力标 国际上将此种类型的力标准机称之为 [1， 4] ） ” 。 由于叠加式力标准机结构简单 准机 （简称 BM 造价相对较低， 准确度又能满足检定 、 校准的需要， 随着力源的控制技术及传感 因此被世界各国采用。 器性能的提高， 叠加式力标准机的计量性能也将会 得到很大的发展和提高。
国家实验室 美国 NIST 俄罗斯 NIM 中国 NIMTT 德国 PTB 日本 NMIJ 表2 标准名称
44 N～4 448 kN 10 N～1 000 kN 10 N～1 000 kN 10 N～1 000 kN 10 N～550 kN
2×10-5 2×10-5 2×10-5 2×10-5 2×10-5
2
2.1
中小力值计量标准的现状及研究进展
中小力值计量标准的现状
5 kN～600 kN
叠加式力标准机 1 kN～1 000 kN
现有的静重式力标准机 （包括杠杆式和液压式 力标准机的砝码加载部分） 一般分为两种加载方 式： 一种为不交换砝码的加载方式， 这种方式是通 过一升降平台， 将一组 （或两组） 重叠放置的砝码 （一般以 10 个等质量砝码为 10 个力级一组） 一级 一级地加到力标准机负荷机架的吊挂上。 该方式能 够实现一组砝码一个量程 （或两组砝码两个量程） ， 等速率的逐级加载。 以 10 个力级等间隔、 另一种为交换砝码的加载方式， 这种方式是按 单个 1、 2、 2、 5 和数个 10 的 倍数关系 配置一组砝 码， 采用交换砝码的方式， 将其组合成为所需的满 “先 足多个 量 程 加 载 的 力 级 ， 按照施加递增力级 卸后加” 、 递减力级 “先加后卸” 砝码交换的方法， 在 一台力标准机上，不同量程以不同的力值间隔加 但是， 现有的静重式力标准机的加载方式， 都不 载。 能在一台力标准机的全量程范围内实现不同量程 以不同的力值间隔及速度加载， 并且每个量程均以 10 个力级等间隔 、 等速率加载， 在施加需要交换砝 [5-6] 码力级的过程中不产生 “逆负荷现象” 。 在国际上， 各国建立的力基 、 标准都是利用地 球引力场中砝码的重力产生标准力值的静重式力 标准机， 虽然力标准机砝码的质量都可溯源到国家 的质量标准， 但力标准机是由各国实验室独立建立 的， 由于操作人员的经验、 习惯和维护不到位， 可能 影响到力标准机的工作状态， 进而影响到检定 、 校
第 35 卷第 3 期 2009 年 5 月
中国测试 CHINA MEASUREMENT & TEST
Vol.35 No.3 May， 2009
力值计量标准现状及研究进展
唐纯谦
（中国测试技术研究院， 四川 成都 610021 ）
摘 要 ：在对比分析国际上各类力标准机计量性能的基础上， 阐述了我国力值计量标准的研究现状及应用关键技术
“独立加码” 的技术与方法， 解决了力标准机砝码逆程交换带来的负荷 的先进性。提出并研制了基于静重式力标准机 “逆负荷现象” 提供了一种有效的技术方法。提出并研制了利 波动性过大的问题， 为进一步研究砝码逆程交换产生的 用机械传动加载方式的叠加式力标准机， 力传感器分组并联延伸力值的试验方法， 以及力标准机参考标准量值溯源 的方法， 对研究建立新的大力值计量标准， 具有参考和借鉴意义 。
第 35 卷第 3 期
唐纯谦： 力值计量标准现状及研究进展
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由于砝码可以独立升降动作， 无需首先从放置 砝码的机架支撑转角上提升起砝码，转开支撑转 角， 然后再将砝码降落到负荷机架的吊挂上， 省去 移开支撑转 了从放置砝码的支撑转角上提升砝码 、 角的过程。 2.2.3 力标准机电动托架独立加码方式 由带有减速器的伺服电机通过蜗轮副直接驱 动滚珠丝杆托架做升降运动，托架上放置砝码， 当 托架升 、 降时砝码随之升 、 降， 通过对每一个砝码 升、 降时的运行方向 、 速度和重力控制， 完成砝码 往负荷机架吊挂上加 、 卸的过程 。 这种方式是利 用了每一个砝码托架上安装的力传感器， 对伺服 卸或交换 电机的运转实施闭环控制， 达到砝码加 、 动作的同步和一致， 砝码交换时的负荷波动性可控 独立加码电动托架的结构原理见 制在 ± 1% ～± 3% 。 图 2。
