力基准机和力标准机

出处：按学科分类—工业技术 企业管理出版社《计量专业工程师手册》第248页（3585字）

1．静重式力基、标准机

静重式力基、标准机也称静重式基、标准测力机，它们把已知质量的砝码产生的重力作为基、标准力值，通过适当的加载机构和程序，平稳而直接地施加到被检定或被授准的测力仪上。静重式就是直接加载式，所以习惯上也称之为直接加载式测力机。考虑到空气浮力的影响，根据式(5．3－1)，质量为m的砝码在重力加速度为g的安装地点所复现的力值F可表达为：

图5．3－1 国家1MN力基准机结构示意图

F=mg(1－ρ_a／ρ_w) (5．3－3)

式中 ρ_a——空气密度

ρ_w——砝码材料密度

图5．3－1所示为我国研制的1MN力基准机的结构示意图。底座、四根大立柱、大平台等构成下部机架，三根丝杠、小平台等构成上部机架。可动横梁借助于其上的电机在丝杠上移动，以调节拉压空间。吊挂系统的自重构成第一个力级(20kN)，它和13块砝码的不同组合构成了各个力级。在四根大立柱上装有13组大转角，用于放置那些处于非作用状态的砝码。砝码中有九个复现100kN力值，一个复现50kN，一个复现20kN，两个复现10kN。液压千斤顶通过提升框架及其上的小转角，来升降选用的砝码。机械千斤顶用于在交换砝码时，保持已加载荷的稳定。

静重式力基、标准机的力值不确定度，主要取决于砝码质量、安装地点重力加速度以及砝码密度与空气密度的测量不确定度；其计量性能还与机器的结构、载荷的加卸方式以及砝码质量的稳定性等因素有关。我国的10N～1MN力值国家基准，系由6台静重式力基准机组成，它们的扩展不确定度为2×10^－5(3σ)。

2．杠杆式力标准机

杠杆式力标准机也称杠杆式标准测力机，它利用单级或复式的不等臂杠杆系统，把已知质量的砝码产生的重力进行放大而得到标准力值，再平稳地施加到被检定或被校准的测力仪上。杠杆式及下节介绍的液压式都是放大静重后再加载的，所以习惯上也统称为间接加载式测力机。根据式(5．3－3)，这种测力机所复现的力值可表达为：

F=kmg(1－ρ_a／ρ_w) (5．3－4)

式中 k——杠杆放大比，即杠杆长臂与短臂臂长之比。

杠杆式力标准机的力值不确定度，除了静重因素外主要取决于杠杆比的测量不确定度；其计量性能还与杠杆的构造及其组合方式，刀刃与刀承的构造，以及加工、安装的质量等因素有关。目前，我国这类测力机多为单杠杆结构，其杠杆比为10∶1和20∶1，最大力值为1MN、300kN、100kN及60kN等，扩展不确定度为(3～5)×10^－4。

3液压式力基、标准机

液压式力基、标准机也称液压式基、标准测力机，它们以帕斯卡原理为基础，通过两个面积不等的无机械摩擦的缸塞系统，把已知质量的砝码产生的重力进行放大而得到基、标准力值，再平稳地施加到被检定或被校准的测力仪上。

如图5．3－2所示，作用在右侧小面积的测力活塞上的被选砝码的重力W，通过液压传递后，在左侧大面积的工作活塞上产生了大的标准力值F，用以施加到被检测力仪上。液压系统内的压力，由泵站提供的油压p维持，并使缸塞间少量的泄漏得到补给。两个油缸均绕各自的活塞旋转，或者利用静压技术，使缸塞间的机械摩擦得以消除。此时可以认为测力机处于液压静平衡状态，工作活塞上产生的力值F可表达为：

图5．3－2 液压式力基、标准机工作原理

F=(W+W₀+G)S₁／S₂+HρgS₁－W₁－W₂ (5．3－5)

式中 W——测力活塞及吊挂的重力；

G——测力仪平衡重块的重力；

S₁，S₂——工作缸塞和测力缸塞有效面积；

H——测力活塞与工作活塞底面的高度差；

ρ——油液密度；

g——安装地点重力加速度；

W₁——工作活塞及其反向器的重力；

W₂——测力仪的重力。

令初载荷F_。=W_。S₁／S₂+HρgS₁－W₁，液压放大比k=S₁／S₂，调整平衡重块并使G=W₂／k，则F可表达为：

F=F₀+kW (5．3－6)

对活塞半径为b、油缸内半径为a的缸塞系统，当以活塞压力计为模型时其有效面积S为：

S=π(a²+b²)／2 (5．3－7)

经常简化为：

S=πab (5．3－8)

若以测力机的实际系统为模型，则有：

S=π〔ab+(a－b)²／3〕 (5．3－9)

用式(5．3－9)算出的值，比式(5．3－7)要小π(a－b)²／6，而比式(5．3－8)大π(a－b)²／3。这是因为式(5．3－7)是基于活塞在无补油而自行下降的情况下导出的，而式(5．3－8)是(5．3－9)中忽略了二次微量(a－b)²的结果。引入了有效面积，相当于砝码和活塞作用于这个面积上的力全部传递给了液体，而无需考虑液体粘滞力或湿摩擦的影响。

液压式力基、标准机的力值不确定度，除了静重因素外主要取决于两个缸塞有效面积及其液压放大比的测量不确定度；其计量性能还与缸塞系统的构造、配合间隙、加工及安装的质量、液压波动的控制水平等因素有关。目前，我国这类测力机的液压放大比为125∶1、150∶1、250∶1、500∶1等，最大力值为20MN、5MN、2MN(含0．5MN组)及600kN等，扩展不确定度为(1～5)×10^－4。

4．叠加式力标准机

叠加式力标准机也称叠加式标准测力，它利用一个或一组准确度较高的测力仪作为标准，借助于适当的机构与被检测力仪串接(叠置)后，以液压或机械方式施加载荷，通过比较测量，来确定被检测力仪的计量特性。串接方式有直接和隔离两种，后者形成封闭框架，受力合理且适用于拉压两向，因而被广泛采用。

叠加式力标准机的力值不确定度，主要取决于标准测力仪的性能指标、与被检测力仪的串接方式、安装质量及加载机构的性能等。鉴于其工作原理是相对比较法，而不是前述三种绝对测量法，因而体积小、造价低、效率高，近年来已成为测力称重传感器生产厂进行出厂标定和现场检测的重要计量设备之一。目前，国内已有最大力值为500kN和1MN的叠加式力标准机，扩展不确定度一般可达(3～5)×10^－4。

【参考文献】：

［1］鲁绍曾主编，现代计量学概论第11章力学计量，中国计量出版社，1987。

［2］王江主编，现代计量测试技术第16章力学计量技术，中国计量出版社，1990。

［3］王立吉，现代计量测试发展动态，现代计量测试，1993；1∶3～9。

［4］鲁绍曾主编，计量学辞典，中国计量出版社，1995。

［5］施昌彦，王大充，液压式标准测力机的有效面积和压力波动，计量学报，1986；4∶296～304。

［6］施昌彦，测力称重计量的某些发展动向，现代计量测试，1994；6∶2～4。

［7］天津市计量管理局编，力学计量，中国计量出版社，1985。

［8］国家技术监督局编，国家计量检定系统，中国计量出版社，1991。