楊軍，梁志國(guó)，燕虎，尹肖，李博

(中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

動(dòng)態(tài)計(jì)量技術(shù)是在20世紀(jì)六七十年代開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的。在其發(fā)展的初期到上世紀(jì)末，由于國(guó)防工業(yè)上的需求推動(dòng)和科學(xué)技術(shù)的領(lǐng)先探索，美國(guó)與前蘇聯(lián)在該技術(shù)領(lǐng)域一直處在發(fā)展的最前端，特別是20世紀(jì)七八十年代，兩國(guó)研制了各種實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)和專用裝置，組織了多次全國(guó)性或國(guó)際性動(dòng)態(tài)計(jì)量學(xué)術(shù)會(huì)議，引領(lǐng)著動(dòng)態(tài)計(jì)量技術(shù)的發(fā)展走向。但是，伴隨著技術(shù)發(fā)展進(jìn)入平穩(wěn)期、冷戰(zhàn)結(jié)束和蘇聯(lián)解體等原因，前蘇聯(lián)(俄羅斯)動(dòng)態(tài)計(jì)量技術(shù)進(jìn)展比較緩慢，而美國(guó)在這方面的公開(kāi)報(bào)道也逐步減少。

從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，歐洲各國(guó)開(kāi)始重視動(dòng)態(tài)計(jì)量，在EURAMET 的支持下，借助于國(guó)防、汽車等工業(yè)需求推動(dòng)，歐洲各國(guó)國(guó)家計(jì)量研究機(jī)構(gòu)以及相關(guān)高校、企業(yè)加大了對(duì)動(dòng)態(tài)計(jì)量技術(shù)的研究力度，技術(shù)發(fā)展非常迅速，已經(jīng)成為國(guó)際動(dòng)態(tài)計(jì)量技術(shù)研究的新的熱點(diǎn)區(qū)域，以PTB(德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院)、LNE(法國(guó)國(guó)家計(jì)量院)、NPL(英國(guó)國(guó)家計(jì)量院)為首的歐洲計(jì)量研究機(jī)構(gòu)在國(guó)際動(dòng)態(tài)計(jì)量技術(shù)發(fā)展中展現(xiàn)出強(qiáng)大的影響力和領(lǐng)導(dǎo)力。

近年來(lái)，北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所(CIMM)在動(dòng)態(tài)計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域與PTB，LNE 等歐洲國(guó)家計(jì)量機(jī)構(gòu)以及西門(mén)子、Kistler 和DHI 等傳感器生產(chǎn)商進(jìn)行了大量交流合作，了解了歐洲動(dòng)態(tài)計(jì)量技術(shù)最新發(fā)展情況。本文在多次雙邊學(xué)術(shù)交流、現(xiàn)場(chǎng)考察、大量資料查閱等基礎(chǔ)上，從技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)、管理組織特點(diǎn)、推廣與典型應(yīng)用三個(gè)方面對(duì)歐洲(不含俄羅斯等前蘇聯(lián)國(guó)家，下同)近年來(lái)動(dòng)態(tài)計(jì)量技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行梳理和分析，以期為我國(guó)動(dòng)態(tài)計(jì)量技術(shù)的發(fā)展提供參考和借鑒。

1 歐洲動(dòng)態(tài)計(jì)量技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)

1.1 可溯源動(dòng)態(tài)力學(xué)量測(cè)量方法

動(dòng)態(tài)力、動(dòng)態(tài)扭矩、動(dòng)態(tài)壓力等力學(xué)量并不能通過(guò)激光干涉等光學(xué)方法直接進(jìn)行溯源，其可溯源問(wèn)題一直是動(dòng)態(tài)計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域的難點(diǎn)。PTB 等歐洲國(guó)家計(jì)量機(jī)構(gòu)近年來(lái)在該方向做了大量工作，主要研究圍繞著通過(guò)激光干涉等方法把動(dòng)態(tài)量值溯源到靜態(tài)量或基本量，以及進(jìn)一步完善擴(kuò)展現(xiàn)有成熟方法進(jìn)行。

PTB［1-2］，LNE，CEM(西班牙國(guó)家計(jì)量院)［3-4］等先后進(jìn)行了基于激光干涉法的正弦力校準(zhǔn)技術(shù)研究，各自建立了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)裝置，如圖1所示。三套裝置均采用振動(dòng)臺(tái)激勵(lì)慣性質(zhì)量塊的方式產(chǎn)生中頻正弦慣性力，力值范圍可達(dá)10 kN;采用激光干涉儀直接進(jìn)行加速度測(cè)量，使得慣性力直接溯源到質(zhì)量、時(shí)間和長(zhǎng)度這三個(gè)基本量。其中，PTB 等還對(duì)質(zhì)量塊的加速度分布不均與補(bǔ)償問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。

圖1 PTB 與CEM 激光干涉法正弦力標(biāo)準(zhǔn)裝置

另外，PTB 還進(jìn)行了激光干涉法脈沖力校準(zhǔn)技術(shù)研究，研制兩套脈沖力校準(zhǔn)裝置［5］，最大瞬態(tài)脈沖力值分別為20 kN 和250 kN，其中，20 kN 裝置如圖2所示。兩套裝置均采用氣炮激勵(lì)橫向慣性質(zhì)量塊沖擊的方式產(chǎn)生脈沖力，并以激光干涉絕對(duì)法沖擊加速度測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)沖擊加速度的直接復(fù)現(xiàn)，利用質(zhì)量作為可靠的中間量，完成瞬態(tài)脈沖式動(dòng)態(tài)力的絕對(duì)復(fù)現(xiàn)，根據(jù)測(cè)量模型，需要通過(guò)兩臺(tái)激光干涉儀分別測(cè)量碰撞過(guò)程中兩質(zhì)量塊的速度變化。

圖2 德國(guó)PTB 激光干涉法脈沖力校準(zhǔn)裝置

氣浮軸系在動(dòng)態(tài)扭矩方面，PTB 進(jìn)行了激光干涉法正弦扭矩校準(zhǔn)技術(shù)研究［6］，初期實(shí)現(xiàn)最高頻率達(dá)100 Hz、幅度為100 Nm 正弦激勵(lì)的扭矩校準(zhǔn)，首次實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)扭矩到基本物理量的溯源。通過(guò)不斷研究改進(jìn)，到2012年，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的正弦激勵(lì)頻率增高至1 kHz，但此時(shí)扭矩幅值只能達(dá)到2 0Nm，裝置如圖3所示。該方法是通過(guò)激光干涉儀與光柵配合測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度，再利用已知的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量作為中間量實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)扭矩的絕對(duì)復(fù)現(xiàn)。捷克CMI、土耳其UME 及德國(guó)傳感器生產(chǎn)商HBM 在EMRP 項(xiàng)目中參與了相關(guān)技術(shù)研究。

圖3 PTB 激光干涉法正弦扭矩標(biāo)準(zhǔn)裝置

在動(dòng)態(tài)壓力方面，LNE，NPL［7］的研究重點(diǎn)在溯源方法比較成熟的階躍壓力校準(zhǔn)方向，主要技術(shù)包括基于激波理論與測(cè)速的激波管和直接溯源到靜態(tài)壓力的快開(kāi)閥;PTB 主要研究方向?yàn)槊}沖壓力校準(zhǔn)方法與溯源問(wèn)題;意大利國(guó)家計(jì)量院(INRIM)、瑞典國(guó)家計(jì)量院(SP)、芬蘭國(guó)家計(jì)量院(MIKES)等在兩方面都有涉及。

法國(guó)國(guó)家計(jì)量院動(dòng)態(tài)壓力校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室LNE-ENSAM建立了一系列的階躍壓力標(biāo)準(zhǔn)裝置，組成了法國(guó)的動(dòng)態(tài)壓力國(guó)家最高標(biāo)準(zhǔn)體系，包括多套激波管裝置和多套快開(kāi)閥裝置［8-9］。激波管主要用于動(dòng)態(tài)壓力高頻校準(zhǔn)，包括TCXX 系列和TCR。TCR 為參考激波管，其它標(biāo)準(zhǔn)裝置都可以與其進(jìn)行比對(duì)。DORXX 系列為快開(kāi)閥裝置，主要用于動(dòng)態(tài)壓力低頻校準(zhǔn)。圖4 為主要標(biāo)準(zhǔn)裝置覆蓋的壓力和頻率范圍。

圖4 法國(guó)LNE-ENSAM 動(dòng)態(tài)壓力標(biāo)準(zhǔn)體系組成

PTB 和MIKES 目前正在研究基于激光干涉測(cè)量的脈沖壓力校準(zhǔn)裝置。脈沖壓力的產(chǎn)生是根據(jù)“落重”方法，在重物的沖擊下壓縮壓力腔內(nèi)介質(zhì)，由此傳遞到被測(cè)傳感器(DUT)上。但激光干涉測(cè)量的方法并不相同。MIKES 的方法是激光干涉測(cè)量重物落下的減速運(yùn)動(dòng)，與慣性質(zhì)量、活塞橫截面積等一起計(jì)算脈沖壓力幅值［10］，MIKES 研制了相應(yīng)的校準(zhǔn)裝置，其原理如圖5所示。目前正在改進(jìn)優(yōu)化方法，期望能從100 MPa 到500 MPa 達(dá)到1%的相對(duì)測(cè)量不確定度。

圖5 MIKES 脈沖壓力校準(zhǔn)裝置示意圖

PTB 前期提出通過(guò)激光干涉測(cè)量活塞的壓縮位移和介質(zhì)體積彈性模量來(lái)計(jì)算脈沖壓力［11］，現(xiàn)在主要研究通過(guò)壓力腔內(nèi)壓力介質(zhì)受壓折射率的改變導(dǎo)致激光光程變化來(lái)測(cè)量壓力的方法［12］，期望達(dá)到較小的測(cè)量不確定度，其原理如圖6所示。

圖6 PTB 脈沖壓力校準(zhǔn)原理示意圖

1.2 高精度運(yùn)動(dòng)參數(shù)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)技術(shù)

在高精度振動(dòng)沖擊校準(zhǔn)方面，PTB 走在世界的前列。PTB 線振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)覆蓋(0.1 Hz ～20 kHz)，線沖擊加速度標(biāo)準(zhǔn)覆蓋50 m/s2-100 km/s2，它們的測(cè)量不確定度均處于世界最高水平。另外，PTB 還在角振動(dòng)校準(zhǔn)、三軸振動(dòng)校準(zhǔn)、激光測(cè)振儀校準(zhǔn)等方面開(kāi)展了研究工作。

在角振動(dòng)加速度校準(zhǔn)技術(shù)研究方面［13-14］，PTB 研制了標(biāo)準(zhǔn)裝置，其頻率范圍為0.3 Hz ～1 kHz。角振動(dòng)臺(tái)采用氣浮式轉(zhuǎn)動(dòng)激勵(lì)發(fā)生器，由信號(hào)發(fā)生器和功放進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。激光干涉儀入射衍射光柵并由衍射光柵條數(shù)計(jì)算得到角加速度的幅值，根據(jù)角加速度傳感器的輸出，得到被校傳感器的振動(dòng)幅值靈敏度。圖7 為其裝置實(shí)物照片。

圖7 PTB 角振動(dòng)加速度校準(zhǔn)裝置

在三軸振動(dòng)計(jì)量方面，PTB 研制了三軸振動(dòng)國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，可對(duì)三軸加速度傳感器的三個(gè)方向靈敏度和橫向靈敏度進(jìn)行同步校準(zhǔn)。

圖8 PTB 三軸振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置

激光測(cè)振儀作為一種使用越來(lái)越廣泛的非接觸測(cè)振儀器，成為動(dòng)態(tài)力學(xué)量溯源的主要技術(shù)手段，其高頻校準(zhǔn)尤其受到重視，除了傳統(tǒng)的在標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)上與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)振儀進(jìn)行共點(diǎn)比對(duì)的方法外，PTB 等針對(duì)其高頻相位校準(zhǔn)問(wèn)題，研究了單光源激光測(cè)振儀校準(zhǔn)方法［15］，簡(jiǎn)化了裝置光路調(diào)節(jié)，減小了測(cè)量不確定度。其光路的原理示意圖如圖8。

圖8 單光源激光測(cè)振儀絕對(duì)校準(zhǔn)光路示意圖

1.3 動(dòng)態(tài)測(cè)量放大器的校準(zhǔn)

應(yīng)變、電壓放大器和電荷放大器等作為動(dòng)態(tài)測(cè)量中傳感器的后端調(diào)理儀器，其動(dòng)態(tài)性能直接影響到系統(tǒng)的性能。近年來(lái)，PTB 等對(duì)這類放大調(diào)理儀器的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)方法進(jìn)行了深入研究，通過(guò)模型分析，細(xì)化系統(tǒng)誤差，從而降低測(cè)量不確定度。

圖9(a)～9(c)分別為NPL，PTB 與LNE 應(yīng)變放大器標(biāo)準(zhǔn)裝置原理示意圖［16］。它們結(jié)構(gòu)并不相同，但都能實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變放大器的幅頻和相頻特性校準(zhǔn)，以及基于D/A 轉(zhuǎn)換的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。其中PTB 的標(biāo)準(zhǔn)最高校準(zhǔn)頻率達(dá)10 kHz。

圖9 NPL，PTB 與LNE 應(yīng)變放大器校準(zhǔn)原理示意圖

另外，PTB 還建立了電荷放大器、IEPE 放大器動(dòng)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)裝置［17］，并基于系統(tǒng)模型(如圖10所示)分析了放大器內(nèi)阻對(duì)校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的影響［18］。

圖10 PTB 電荷放大器校準(zhǔn)裝置模型

1.4 基于模型的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)方法

建立動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的模型并用于測(cè)量不確定度的分析和動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差修正一直是PTB 等歐洲各國(guó)家計(jì)量機(jī)構(gòu)的研究目標(biāo)，為此，他們進(jìn)行了大量基礎(chǔ)性理論分析工作和針對(duì)具體參數(shù)傳感器的試驗(yàn)研究工作。這些研究工作大多基于線性時(shí)不變系統(tǒng)(LTI)的理論和參數(shù)建模的方法［19］。

在共性理論方法方面，PTB，INRIM，SP，NPL 等做了大量研究工作。SP 的Hessling［20-21］等推薦了一種綜合數(shù)字濾波器用于動(dòng)態(tài)信號(hào)離線修正，可應(yīng)用于所有線性時(shí)不變系統(tǒng)。

PTB 的Elster［22-23］等同樣針對(duì)線性時(shí)不變系統(tǒng)研究了補(bǔ)償濾波器的設(shè)計(jì)方法，并能用于在線修正，但濾波器結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。

PTB，NPL，SP 的研究人員對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)量分析中針對(duì)LTI 的數(shù)字反卷積算法進(jìn)行了系統(tǒng)研究，包括最小相位全通分解法、基于精確逆濾波器的異步時(shí)間反演算法、無(wú)限沖激穩(wěn)定響應(yīng)法、基于頻域最小二乘擬合的有限沖擊響應(yīng)逆濾波器等，并比較分析了它們各自適合的分析對(duì)象［24］。

INRIM 的Malengo 等研究了傳感器動(dòng)態(tài)模型參數(shù)辨識(shí)中的最小二乘擬合方法，包括總體最小二乘法［25］和加權(quán)最小二乘法等?？傮w最小二乘法適合于當(dāng)自變量本身的不確定度不可忽略時(shí)或自變量和因變量相關(guān)時(shí)，正適合于動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)信號(hào)處理中的曲線擬合。

PTB 還研究了加速度計(jì)的建模方法，包括通過(guò)沖擊激勵(lì)和建模得到加速度計(jì)的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)［26］，通過(guò)絕對(duì)法寬頻正弦校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和二階系統(tǒng)的參數(shù)辨識(shí)得到傳感器的動(dòng)態(tài)模型［27］，并對(duì)兩種方法進(jìn)行了模型數(shù)據(jù)和實(shí)際校準(zhǔn)結(jié)果的交叉比對(duì)研究［28］。

PTB［29］，LNE［30］，CEM 等在動(dòng)態(tài)力和動(dòng)態(tài)扭矩校準(zhǔn)方法研究中，針對(duì)力傳感器和扭矩傳感器在實(shí)際系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)性能會(huì)受到負(fù)載、連接件等的直接影響問(wèn)題，研究了通過(guò)對(duì)校準(zhǔn)裝置的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模分析和校準(zhǔn)試驗(yàn)的傳感器模型本構(gòu)方法。如在激光干涉法正弦力標(biāo)準(zhǔn)裝置中，系統(tǒng)的模型可簡(jiǎn)化為圖11所示。其中上端質(zhì)量mH包括加載質(zhì)量塊質(zhì)量和傳感器上部質(zhì)量，下端質(zhì)量mB包括適配塊質(zhì)量和傳感器下部質(zhì)量。

圖11 正弦力校準(zhǔn)裝置模型

激光干涉法脈沖力校準(zhǔn)裝置中可以根據(jù)需要將裝置的各個(gè)部分的接觸及碰撞簡(jiǎn)化成不同的質(zhì)量彈簧系統(tǒng)［31］，得到不同數(shù)量質(zhì)量部分的簡(jiǎn)化模型，5 個(gè)質(zhì)量部分的脈沖力校準(zhǔn)裝置模型如圖12所示。

圖12 5 個(gè)質(zhì)量部分的脈沖力校準(zhǔn)裝置模型

激光干涉法正弦扭矩校準(zhǔn)裝置也根據(jù)校準(zhǔn)裝置各部件的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模［32］，得到的質(zhì)量彈簧阻尼模型如圖13所示。該校準(zhǔn)裝置模型中扭矩傳感器簡(jiǎn)化成一個(gè)線性質(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng)，由扭轉(zhuǎn)彈簧和阻尼器耦合的兩個(gè)慣性質(zhì)量力矩單元構(gòu)成。

PTB［33］與SP 對(duì)使用比較法的中心加載正弦力校準(zhǔn)裝置進(jìn)行了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模分析，同時(shí)研究動(dòng)態(tài)力傳遞路徑和校準(zhǔn)修正方法。

圖14 正弦力比較法校準(zhǔn)示意圖及模型

NPL，SP，INRIM，MIKES 等分別通過(guò)激波管動(dòng)態(tài)壓力校準(zhǔn)和脈沖壓力校準(zhǔn)以及參數(shù)辨識(shí)的方法，對(duì)壓力傳感器的動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行了分析和比較，并對(duì)典型參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)研究［34］。

1.5 動(dòng)態(tài)測(cè)量不確定度分析

近年來(lái)，歐洲有關(guān)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)不確定度的研究非?；钴S，其基本思想大都脫胎于摩特卡洛法。

摩特卡洛法是一種已知系統(tǒng)傳遞模型情況下，利用對(duì)服從預(yù)計(jì)概率分布的輸入信號(hào)激勵(lì)進(jìn)行隨機(jī)抽樣而進(jìn)行分布傳播的方法。其特點(diǎn)是其不管測(cè)量模型本身是線性還是非線性的，不對(duì)輸出量分布進(jìn)行假設(shè)，不需要對(duì)靈敏度系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，可用于復(fù)雜測(cè)量模型。因此摩特卡洛法在動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量不確定度的分析方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

2006年，SP 的J P Hessling 從延遲誤差、響應(yīng)誤差極限、漸進(jìn)效應(yīng)、頻帶效應(yīng)、譜分布函數(shù)幾個(gè)方面討論動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差的范圍問(wèn)題，給出了估計(jì)模型和過(guò)程方法［35］。2009年，又從動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)模型出發(fā)，定義了模型估計(jì)誤差，基于動(dòng)態(tài)測(cè)量不確定度主要由激勵(lì)信號(hào)的誤差經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)測(cè)量模型傳播，而激勵(lì)信號(hào)經(jīng)由動(dòng)態(tài)測(cè)量模型的誤差也帶來(lái)不確定度，兩者的范圍搜索、傳播均使用蒙特卡洛方法進(jìn)行估計(jì)，然后對(duì)其進(jìn)行合成［36］。2011年又研究了動(dòng)態(tài)不確定度的擴(kuò)散傳播規(guī)律［37］。

而S Eichst?dt 則對(duì)于動(dòng)態(tài)測(cè)量中如何有效運(yùn)用蒙特卡洛方法進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，包括給出系統(tǒng)傳遞函數(shù)、系統(tǒng)誤差函數(shù)、輸入概率分布密度函數(shù)、不確定度傳播關(guān)系、不確定度合成等［38］。

歐洲各NMIs 已經(jīng)把蒙特卡洛方法成功應(yīng)用于動(dòng)態(tài)測(cè)量分析實(shí)踐中。如PTB 的Barbora Arendacka 對(duì)于具體的振動(dòng)加速度校準(zhǔn)中緊固件帶來(lái)的影響進(jìn)行了專門(mén)研究，給出了包含隨機(jī)誤差、安裝效應(yīng)誤差、安裝位置誤差、位置誤差等幾個(gè)方面的特征不確定度模型，豐富和發(fā)展了緊固件帶來(lái)的不確定度的估計(jì)理論與實(shí)踐。NPL 則把蒙特卡洛方法應(yīng)用于鎖定放大器的動(dòng)態(tài)測(cè)量分析［39］。

2 歐洲動(dòng)態(tài)計(jì)量技術(shù)研究組織特點(diǎn)

2.1 各國(guó)廣泛參與

歐洲各國(guó)開(kāi)展動(dòng)態(tài)計(jì)量技術(shù)研究的機(jī)構(gòu)不僅包括PTB，NPL，LNE 等世界知名國(guó)家計(jì)量機(jī)構(gòu)，還包括SP，MIKES，CEM，INRIM，CMI，TüBITAK-UME 等其他國(guó)家計(jì)量機(jī)構(gòu)以及一些高校和傳感器生產(chǎn)商、防務(wù)研究機(jī)構(gòu)。根據(jù)不完整統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)歐洲各國(guó)家計(jì)量機(jī)構(gòu)開(kāi)展的動(dòng)態(tài)計(jì)量技術(shù)(不包含已經(jīng)普遍研究的線振動(dòng)沖擊計(jì)量技術(shù))研究如表1所示。

表1 歐洲各NMIs 開(kāi)展的動(dòng)態(tài)計(jì)量技術(shù)研究

在這些研究中，除了上述已經(jīng)介紹的技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)外，SP，INRIM，PTB 等機(jī)構(gòu)還進(jìn)行了動(dòng)態(tài)真空校準(zhǔn)技術(shù)研究，主要通過(guò)真空到大氣壓的階躍壓力激勵(lì)來(lái)得到真空計(jì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)［40-41］。

另外，HBM，Kistler 等傳感器生產(chǎn)商根據(jù)自身需要研制了一些動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)裝置并形成了部分產(chǎn)品，同時(shí)積極參予PTB 等國(guó)家計(jì)量機(jī)構(gòu)領(lǐng)導(dǎo)的研究項(xiàng)目以及制定標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃。

2.2 聯(lián)合研究與EUROMET 支持

近年來(lái)歐洲在動(dòng)態(tài)計(jì)量技術(shù)發(fā)展方面做了大量工作，取得長(zhǎng)足的技術(shù)進(jìn)步和廣泛的國(guó)際影響力，不僅得益于歐洲各國(guó)自身的支持，也離不開(kāi)EURAMET 對(duì)各國(guó)計(jì)量機(jī)構(gòu)展開(kāi)相關(guān)聯(lián)合研究的大力支持，特別是ERMP 項(xiàng)目支持，如:

1)2008 年至2011年，PTB 協(xié)調(diào)，LNE，NPL 參與，實(shí)施了名為“Development of methods for the evaluation of uncertainty in dynamic measurements”［42］的EURAMET 跨學(xué)科計(jì)量計(jì)劃，旨在發(fā)展動(dòng)態(tài)計(jì)量中的測(cè)量不確定度評(píng)估方法，并希望能與“Guide to the expression of uncertainty in measurement”對(duì)接。計(jì)劃包含形成一些通過(guò)實(shí)例應(yīng)用證明的動(dòng)態(tài)測(cè)量分析的改進(jìn)方法，并支持了“Workshop on The Analysis of Dynamic Measurements”系列學(xué)術(shù)交流會(huì)。

2)上世紀(jì)末開(kāi)始，LNE-ENSAM(France)牽頭在EURAMET 支持下實(shí)施了“Dynamic pressure measurement in liquid and gas”［43］計(jì)劃，參加單位還有INRIM(Italy)，PTB(Germany)，SP(Sweden)等，旨在協(xié)調(diào)促進(jìn)歐洲各國(guó)動(dòng)態(tài)壓力校準(zhǔn)測(cè)試技術(shù)研究和合作交流。

3)2011 年至2014年，由德國(guó)PTB 協(xié)調(diào)在EURAMET 支持下開(kāi)展了EMRP 項(xiàng)目IND09:“Traceable Dynamic Measurement of Mechanical Quantities”［44］研究工作，參與的國(guó)家計(jì)量研究機(jī)構(gòu)包括PTB，NPL，LNE，MIKES，CEM，SP，INRIM，CMI，TüBITAKUME 等9 個(gè)，而HBM，SPEKTRA，VW，PORSCHE 等傳感器生產(chǎn)商和工業(yè)應(yīng)用機(jī)構(gòu)作為項(xiàng)目合作者參與，例外還包含一些短時(shí)參與的相關(guān)高校，總支持經(jīng)費(fèi)達(dá)360 萬(wàn)歐元。項(xiàng)目主要針對(duì)力、壓力、扭矩等動(dòng)態(tài)力學(xué)量的可溯源問(wèn)題，儀表放大器的校準(zhǔn)問(wèn)題，數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)方法與建模問(wèn)題等進(jìn)行研究，為歐洲建立動(dòng)態(tài)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供技術(shù)支持。項(xiàng)目分為5 個(gè)技術(shù)工作方向，相互協(xié)作關(guān)系如圖15所示。

圖15 ERMP:IND09 項(xiàng)目技術(shù)方向及相互關(guān)系

2.3 廣泛的學(xué)術(shù)交流

在動(dòng)態(tài)計(jì)量這一學(xué)科交叉領(lǐng)域，歐洲各研究機(jī)構(gòu)繼承了計(jì)量領(lǐng)域開(kāi)放的傳統(tǒng)，不僅有合作項(xiàng)目范圍內(nèi)定期與非定期的會(huì)議交流，還有各種形式的國(guó)際會(huì)議交流和公開(kāi)技術(shù)報(bào)告，如:

1)從2006年開(kāi)始，“Workshop on The Analysis of Dynamic Measurements”［45-47］學(xué)術(shù)交流會(huì)在歐洲主要國(guó)家計(jì)量機(jī)構(gòu)輪流承辦，主辦過(guò)的機(jī)構(gòu)包括PTB，LNE，NPL，SP，INRIM 等，至2014年已經(jīng)成功主辦了八屆會(huì)議，其中2009年的會(huì)議是作為在Lisbon 召開(kāi)的IMEKO 世界大會(huì)的一個(gè)重要主題。會(huì)議旨在通過(guò)交換思想和促進(jìn)合作來(lái)改善動(dòng)態(tài)測(cè)量中的分析方法，研討焦點(diǎn)在如何提取、精煉、轉(zhuǎn)換和提出動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)中最有用的合適信息。交流的范圍包括動(dòng)態(tài)測(cè)量分析方法可應(yīng)用的各種專業(yè)參數(shù)及其測(cè)量系統(tǒng)，機(jī)械的、電的或混合的系統(tǒng)。內(nèi)容可以是科學(xué)與技術(shù)方面的，也可以是應(yīng)用需求、前景預(yù)測(cè)、推進(jìn)合作、出版等非技術(shù)方面的。參加會(huì)議不僅包括國(guó)家計(jì)量機(jī)構(gòu)的科學(xué)家和計(jì)量人員，還包括相關(guān)高?？蒲腥藛T以及相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域的用戶。該系列會(huì)議在促進(jìn)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)交流和項(xiàng)目合作(如“Traceable Dynamic Measurement of Mechanical Quantities”項(xiàng)目)等方面發(fā)揮了重要的作用。

2)從2002年開(kāi)始，德國(guó)PTB 與中國(guó)CIMM 輪流承辦動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)雙邊學(xué)術(shù)研討會(huì)，到2014年已經(jīng)舉辦了六屆會(huì)議。研討會(huì)旨在就雙方在動(dòng)態(tài)測(cè)量領(lǐng)域的最新技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行廣泛深入交流，并探討雙方比對(duì)、技術(shù)合作。

3)近十幾年來(lái)，歐洲各國(guó)家計(jì)量機(jī)構(gòu)尤其是PTB在Metrologia，Measurement 等行業(yè)學(xué)術(shù)雜志、IMEKO等國(guó)際會(huì)議以及官網(wǎng)上發(fā)表了大量學(xué)術(shù)論文、研究報(bào)告以及進(jìn)展簡(jiǎn)報(bào)。如2002年，SP 對(duì)當(dāng)時(shí)的動(dòng)態(tài)壓力和動(dòng)態(tài)力計(jì)量技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了完整的梳理和總結(jié)，形成了兩份非常有價(jià)值的專業(yè)報(bào)告，在其官網(wǎng)上［48-49］公開(kāi)發(fā)表，獲得了非常好的反響。

2.4 參與國(guó)際組織制定國(guó)際計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)

歐洲各國(guó)家計(jì)量機(jī)構(gòu)尤其是PTB 積極參與到動(dòng)態(tài)計(jì)量相關(guān)的國(guó)際組織中，擁有較大的發(fā)言權(quán)，如BIPM/CCAUV(國(guó)際計(jì)量委員會(huì)聲學(xué)、超聲、振動(dòng)咨詢委員會(huì))主席和ISO/TC108/SC3/WG6(Calibration of vibration and shock transducers)召集人近年來(lái)一直由PTB的科學(xué)家擔(dān)任。

PTB 等也在動(dòng)態(tài)計(jì)量相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定方面發(fā)揮巨大的作用，尤其是振動(dòng)沖擊校準(zhǔn)方面。PTB 近年來(lái)負(fù)責(zé)起草完成的振動(dòng)沖擊相關(guān)ISO 標(biāo)準(zhǔn)包括:

1)ISO 16063-11:primary vibration calibration;

2)ISO 16063-13:primary shock calibration;

3)ISO 16063-15:primary angular vibration calibration;

4)ISO 16063-21:vibration calibration;

5)ISO 16063-22:shock calibration;

6)ISO 16063-23:angular vibration calibration;

7)ISO 16063-41:Calibration of laser vibrometers。

同時(shí)PTB 還負(fù)責(zé)正在起草新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)PWI 160 63-43:基于模型參數(shù)識(shí)別的加速度傳感器校準(zhǔn)。

另外PTB 還在TC 108/SC 3/WG 6 工作組和BIPM/CCM(質(zhì)量及相關(guān)量咨詢委員會(huì))中倡導(dǎo)制定動(dòng)態(tài)力和動(dòng)態(tài)扭矩的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

3 歐洲動(dòng)態(tài)計(jì)量技術(shù)典型應(yīng)用

PTB、NPL、LNE 等知名歐洲國(guó)家計(jì)量機(jī)構(gòu)都是應(yīng)其國(guó)家工業(yè)發(fā)展需求而生，在其發(fā)展的歷史中為他們的工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量保障起到了非常重要的作用。他們?cè)趧?dòng)態(tài)計(jì)量技術(shù)的發(fā)展中也同樣注重其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，如:

PTB 在汽車的性能測(cè)試方面應(yīng)用動(dòng)態(tài)力測(cè)量技術(shù)。如在汽車撞擊試驗(yàn)中汽車高速撞向障礙物，這個(gè)障礙物是由四個(gè)力測(cè)量傳感器和一個(gè)遮擋平面組成的一個(gè)測(cè)量平臺(tái)，這個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性通過(guò)校準(zhǔn)和系統(tǒng)建模分析來(lái)確定。

PTB，SP 對(duì)材料疲勞試驗(yàn)機(jī)動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行了研究，建立相應(yīng)的校準(zhǔn)裝置。該裝置采用伺服液壓激勵(lì)加載，可以對(duì)疲勞試驗(yàn)循環(huán)力傳感器進(jìn)行比較法動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，并能研究疲勞試驗(yàn)機(jī)動(dòng)態(tài)力傳遞路徑和附加慣性力等系統(tǒng)誤差修正方法。

PTB 動(dòng)態(tài)壓力校準(zhǔn)技術(shù)研究主要面向輕武器試驗(yàn)中的動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試，除落錘式液體脈沖壓力校準(zhǔn)裝置外，他們還研制了20 MPa 氣體脈沖壓力校準(zhǔn)裝置和液體高壓快開(kāi)閥等，都是針對(duì)這方面的應(yīng)用需求。

NPL 針對(duì)小衛(wèi)星軌道修正中的推力精確控制問(wèn)題，研究了微小動(dòng)態(tài)力的測(cè)量校準(zhǔn)技術(shù)研究，研制了推力架，并通過(guò)建模和反卷積等方法實(shí)現(xiàn)了低頻循環(huán)力的補(bǔ)償［50］。

另外，在“Traceable Dynamic Measurement of Mechanical Quantities”項(xiàng)目基礎(chǔ)上，2015年～2018年，NPL，LNE，PTB 在EURAMET 支持下又開(kāi)展了EMPIR項(xiàng)目“Standards and software to maximize end user uptake of NMI calibrations of dynamic force，torque and pressure sensors”［51］的研究工作，旨在通過(guò)制定標(biāo)準(zhǔn)和軟件來(lái)加強(qiáng)動(dòng)態(tài)測(cè)量傳感器(力、扭矩、壓力)最終用戶對(duì)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的理解，從而推廣動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)及其應(yīng)用。

4 總結(jié)

近年來(lái)，歐洲在機(jī)械量動(dòng)態(tài)計(jì)量、動(dòng)態(tài)測(cè)量分析方法(建模與不確定度分析)等方面做了大量非常有特色的研究工作，具有參與廣泛性、需求針對(duì)性、專業(yè)全面性、研究系統(tǒng)性、發(fā)展持續(xù)性等特點(diǎn)，并在項(xiàng)目聯(lián)合研究、國(guó)際學(xué)術(shù)交流、動(dòng)態(tài)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)制定等方面取得豐厚的成果，具有了較大的國(guó)際影響力。歐洲在動(dòng)態(tài)計(jì)量技術(shù)方面的技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)和相關(guān)組織管理、推廣方法對(duì)于我國(guó)動(dòng)態(tài)計(jì)量技術(shù)的發(fā)展具有非常有價(jià)值的借鑒作用。特別是我國(guó)在動(dòng)態(tài)測(cè)量復(fù)雜分析方法方面的研究遠(yuǎn)落后于歐洲，其方法和研究成果對(duì)于我們的研究具有直接的指引作用。

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