高富榮，譚洪輝，黃振宇

（廣東省計(jì)量科學(xué)研究院，廣東 廣州 510405）

1 引 言

力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)力值用于檢定、校準(zhǔn)測(cè)力儀（或稱重傳感器）且符合國(guó)家計(jì)量技術(shù)法規(guī)的機(jī)器。力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)通常有四種類型：靜重式、杠桿式、液壓式和疊加式。疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)（簡(jiǎn)稱疊加機(jī)或BM）是用一個(gè)或一組（通常為三個(gè)）比被檢定的測(cè)力儀準(zhǔn)確度高的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀作為標(biāo)準(zhǔn)，與被檢測(cè)力儀串聯(lián)，以液壓或機(jī)械方式施加負(fù)荷，采用比較測(cè)量方法的力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)。近年來(lái)，隨著力傳感器技術(shù)發(fā)展，疊加機(jī)得到了越來(lái)越多的應(yīng)用[1-5]，但對(duì)于疊加機(jī)計(jì)量性能的評(píng)價(jià)方法，有值得討論之處。

2 疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的準(zhǔn)確度

疊加機(jī)主要由參考標(biāo)準(zhǔn)、力加載機(jī)構(gòu)（又稱力源）、控制系統(tǒng)三大部分組成。參考標(biāo)準(zhǔn)由一個(gè)或一組的高準(zhǔn)確度測(cè)力儀構(gòu)成，并事先在力基準(zhǔn)機(jī)或者上一級(jí)的力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)上完成標(biāo)定。工作時(shí)，力源對(duì)參考標(biāo)準(zhǔn)和被檢測(cè)力儀（或傳感器）同時(shí)加載，由于兩者受力串聯(lián)，承受同一載荷。載荷大小由參考標(biāo)準(zhǔn)的輸出確定，當(dāng)輸出達(dá)到由基準(zhǔn)或上一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定的定度值時(shí)，所施加的載荷為一標(biāo)準(zhǔn)力值，控制加載機(jī)構(gòu)將該力值保持穩(wěn)定，并記錄下被檢測(cè)力儀的輸出。逐級(jí)加載和卸載，即可完成對(duì)被檢測(cè)力儀的檢測(cè)。

從組成結(jié)構(gòu)上分析，影響疊加機(jī)力值準(zhǔn)確度的因素主要有參考標(biāo)準(zhǔn)力傳感器的技術(shù)特性（包括零點(diǎn)輸出、零點(diǎn)飄移、重復(fù)性、直線度、滯后、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、蠕變、輸出溫度影響等）、力源的剛性和壓向工作臺(tái)的水平度等。

根據(jù)疊加機(jī)的工作原理，它的力值數(shù)據(jù)由所使用的參考標(biāo)準(zhǔn)給出，而參考標(biāo)準(zhǔn)必須先在國(guó)家力基準(zhǔn)機(jī)上進(jìn)行定度才能使用，疊加機(jī)的輸出數(shù)據(jù)實(shí)際上是參考標(biāo)準(zhǔn)定度的結(jié)果，即其量值溯源到國(guó)家基準(zhǔn)。另一方面，疊加機(jī)的機(jī)架及加載機(jī)構(gòu)在通常狀態(tài)下能夠保持很好的穩(wěn)定性，不會(huì)突然出現(xiàn)影響整機(jī)計(jì)量性能的失效情況。因此，在首次校準(zhǔn)后，疊加機(jī)的計(jì)量準(zhǔn)確度主要取決于參考標(biāo)準(zhǔn)傳感器的技術(shù)特性，尤其是傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

需要強(qiáng)調(diào)的是，在考核參考標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性時(shí)，所采用的數(shù)據(jù)必須是未經(jīng)修正的結(jié)果。如JJG 144-2007《標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀檢定規(guī)程》[6]所述，當(dāng)直接使用傳感器的輸出信號(hào)時(shí)，無(wú)法通過數(shù)學(xué)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，在此前提下考核其長(zhǎng)期穩(wěn)定性才具有實(shí)際意義。反之，當(dāng)傳感器使用力值單位（如N、kN）時(shí)，若在重新校準(zhǔn)后對(duì)定度數(shù)據(jù)或擬合公式進(jìn)行了修正，則此時(shí)無(wú)論是考核其長(zhǎng)期穩(wěn)定性還是示值誤差，都無(wú)法真實(shí)反映傳感器的性能，也就無(wú)法保證疊加機(jī)的準(zhǔn)確度。

評(píng)價(jià)疊加機(jī)力值準(zhǔn)確度的方法主要有直接法和間接法兩種。其中，直接法是根據(jù)疊加機(jī)所使用的參考標(biāo)準(zhǔn)傳感器的計(jì)量特性對(duì)整機(jī)的力值準(zhǔn)確度進(jìn)行評(píng)價(jià)；間接法則是通過更高準(zhǔn)確度的傳遞標(biāo)準(zhǔn)對(duì)疊加機(jī)進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)，根據(jù)檢定或校準(zhǔn)的結(jié)果評(píng)價(jià)其力值準(zhǔn)確度[7]。這兩種方法在JJF 1094-2002《測(cè)量?jī)x器特性評(píng)定》分別稱為分部法和比較法[8]。JJG 734-2001《力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)檢定規(guī)程》中規(guī)定的力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)檢定方法即屬于間接法[9]，其中對(duì)于疊加機(jī)力值誤差的定義與檢定方法，沒有從其他類型中獨(dú)立出來(lái)。根據(jù)以上的討論，可考慮對(duì)疊加機(jī)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度進(jìn)行單獨(dú)規(guī)定。

3 疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)長(zhǎng)期穩(wěn)定性考核實(shí)例

建立在廣東省計(jì)量科學(xué)研究院的3MN疊加機(jī)，由廣東省計(jì)量科學(xué)研究院和中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院聯(lián)合研制，是世界上首臺(tái)大力值機(jī)械式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)。該標(biāo)準(zhǔn)機(jī)采用三臺(tái)參考力傳感器并聯(lián)，對(duì)輸出信號(hào)取和作為整機(jī)的輸出結(jié)果。力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的主體采用了四根導(dǎo)向光柱固定上、下橫梁和工作平臺(tái)構(gòu)成的高剛性框架結(jié)構(gòu)。移動(dòng)橫梁由四根精密滾珠絲杠副傳動(dòng)，既可產(chǎn)生對(duì)下橫梁工作平臺(tái)的壓向作用力，又可產(chǎn)生對(duì)上橫梁的拉向作用力。加載機(jī)構(gòu)分為粗加載系統(tǒng)和精加載系統(tǒng)兩部分，粗加載系統(tǒng)利用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)構(gòu)，經(jīng)同步帶驅(qū)動(dòng)四組蝸輪蝸桿及四根精密滾珠絲杠上的動(dòng)橫梁來(lái)完成對(duì)參考標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施額定負(fù)荷90%的粗加載；精加載系統(tǒng)采用與參考標(biāo)準(zhǔn)同軸安裝的壓電陶瓷力發(fā)生裝置，通過微機(jī)控制系統(tǒng)的程序控制，完成對(duì)參考標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施額定負(fù)荷90%～100%范圍內(nèi)的精加載[1]。

在2006年8月利用直接法對(duì)該疊加機(jī)進(jìn)行考核，通過1 MN力值國(guó)家基準(zhǔn)（力值擴(kuò)展不確定度為0.002%，k=3）對(duì)三臺(tái)參考力傳感器分別進(jìn)行定度，并將定度數(shù)據(jù)取和作為該機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)力值使用。在2007年3月再次利用直接法對(duì)該疊加機(jī)進(jìn)行檢定。兩次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果在表1中列出，比較兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，在該期間內(nèi)疊加機(jī)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性優(yōu)于±0.01%。同時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)估算該疊加機(jī)的力值相對(duì)擴(kuò)展不確定度優(yōu)于 0.03%（k=2）。

表1 用直接法評(píng)估得到的力值長(zhǎng)期穩(wěn)定性

另一方面，在2007年11月及2008年9月，使用在5 MN力基準(zhǔn)機(jī)（力值擴(kuò)展不確定度為0.03%，k=3）上檢定合格的標(biāo)準(zhǔn)傳感器，按照間接法對(duì)該3 MN疊加機(jī)進(jìn)行了兩次檢定，兩次實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)非常接近，在此只選取2008年9月的數(shù)據(jù)列于表2之中。此外，在2009年6月，使用三個(gè)在1MN力值國(guó)家基準(zhǔn)上分別校準(zhǔn)過的傳感器并聯(lián)組成傳遞標(biāo)準(zhǔn)，同樣按照間接法對(duì)3MN疊加機(jī)進(jìn)行了一次檢定，結(jié)果也列入表2。將這三次實(shí)驗(yàn)結(jié)果與2007年3月的定度結(jié)果進(jìn)行比較，若不考慮溯源至不同基準(zhǔn)所造成的差異，則后面三次用間接法檢定得到的結(jié)果與定度結(jié)果之間的差值，所反映的仍然是疊加機(jī)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。從表2的數(shù)據(jù)可以看出，從2007年3月至2009年6月期間，該疊加機(jī)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性優(yōu)于±0.02%。

表2 用間接法評(píng)估得到的力值長(zhǎng)期穩(wěn)定性

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果作出圖1，表明該臺(tái)3MN疊加機(jī)在接近三年的時(shí)間內(nèi)具有優(yōu)秀的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。綜合其他性能指標(biāo)[1]，可以確定該疊加機(jī)的準(zhǔn)確度達(dá)到了0.03級(jí)。

此外，綜合以上的討論及實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，由于疊加機(jī)的力值是通過對(duì)參考標(biāo)準(zhǔn)傳感器進(jìn)行定度得到的結(jié)果，因此無(wú)論用直接法還是間接法對(duì)其進(jìn)行考核，所反映的都是其長(zhǎng)期穩(wěn)定性。但是，必須保證力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)所使用的力值數(shù)據(jù)是未經(jīng)調(diào)整或修正的，才能保證考核結(jié)果的有效性。

4 準(zhǔn)確度優(yōu)于0.03級(jí)的疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的量值溯源

根據(jù)JJG 2066-2006《大力值計(jì)量器具檢定系統(tǒng)表》，力值范圍在1MN以上的大力值力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)，可溯源至5MN或20MN液壓式大力值國(guó)家基準(zhǔn)，力值的傳遞通過在力基準(zhǔn)機(jī)上進(jìn)行檢定的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀實(shí)現(xiàn)，即采用間接法對(duì)力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)進(jìn)行考核[10]。但是，5MN力基準(zhǔn)機(jī)和20 MN力基準(zhǔn)機(jī)的力值擴(kuò)展不確定度分別為0.03%和0.01%，按照檢定系統(tǒng)表上的規(guī)定，通過這兩臺(tái)基準(zhǔn)檢定的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀準(zhǔn)確度最高為0.03級(jí)，只能用于檢定0.05級(jí)或以下級(jí)的力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)。因此，0.03級(jí)或更高準(zhǔn)確度的力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)，無(wú)法通過這種方法溯源至5 MN或20 MN的大力值國(guó)家基準(zhǔn)。量值溯源在一定程度上也成為了制約高準(zhǔn)確度疊加機(jī)研制工作的瓶頸。

為解決高準(zhǔn)確度大力值疊加機(jī)的溯源問題，可通過直接法在1MN力基準(zhǔn)機(jī)上對(duì)疊加機(jī)所使用的參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)量值溯源[11]。以3MN疊加機(jī)為例，將三個(gè)1MN參考力傳感器分別在1MN靜重式力基準(zhǔn)機(jī)上進(jìn)行校準(zhǔn)，每個(gè)傳感器校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度都可以優(yōu)于0.01%。由于疊加機(jī)的參考標(biāo)準(zhǔn)由這三個(gè)傳感器并聯(lián)組成，考慮三個(gè)輸出信號(hào)對(duì)合成輸出影響的相關(guān)性，則參考標(biāo)準(zhǔn)的力值不確定度應(yīng)等于三個(gè)力傳感器各自的不確定度的平均值[7]，可達(dá)到0.01%的水平。再考慮傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、輸出溫度、內(nèi)插誤差的影響以及疊加機(jī)壓向工作臺(tái)水平度的影響，3MN疊加機(jī)的力值擴(kuò)展不確定度可達(dá)到0.02%～0.03%（k=2）。采用以上方法，可在一定程度上解決準(zhǔn)確度為優(yōu)于0.03級(jí)的疊加機(jī)的量值溯源問題。

由于疊加機(jī)與其他形式的力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、工作效率高的優(yōu)點(diǎn)，解決高準(zhǔn)確度疊加機(jī)的量值溯源問題，對(duì)于我國(guó)大力值計(jì)量體系的發(fā)展具有重要意義。例如，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 376：2004《金屬材料 單軸試驗(yàn)機(jī)檢驗(yàn)用測(cè)力儀的校準(zhǔn)》中規(guī)定，用于檢驗(yàn)試驗(yàn)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀可分為00級(jí)、0.5級(jí)、1級(jí)和2級(jí)四個(gè)等級(jí)，所需校準(zhǔn)力的不確定度相應(yīng)為0.01%、0.02%、0.05%和0.10%[12]。但是，目前我國(guó)的大力值計(jì)量器具檢定系統(tǒng)中尚不存在0.02級(jí)的力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)，若按照ISO標(biāo)準(zhǔn)的要求，則00級(jí)、0.5級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀只能直接在基準(zhǔn)上進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)，而對(duì)于1～5MN的范圍，國(guó)家基準(zhǔn)也不能達(dá)到不確定度優(yōu)于0.02%的要求。在這種情況下，選擇長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高的力傳感器并聯(lián)的方案建立0.02級(jí)或0.03級(jí)的疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)，并通過直接法在1MN靜重式力基準(zhǔn)機(jī)上進(jìn)行量值溯源，是解決上述問題的一個(gè)有益思路。

5 結(jié)束語(yǔ)

疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的參考標(biāo)準(zhǔn)傳感器對(duì)整機(jī)性能具有主要影響。在考核疊加機(jī)的性能時(shí)，應(yīng)注意區(qū)分參考標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和疊加機(jī)的力值誤差之間的異同。采用直接法與間接法進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)，兩種可互相印證。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，對(duì)于疊加機(jī)計(jì)量性能的檢定方法，可考慮單獨(dú)編寫檢定規(guī)程。對(duì)于高準(zhǔn)確度的疊加機(jī)，可以通過直接法溯源至靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)解決其量值溯源問題。

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