静重式力标准机

静重式力标准机

姜春

苏州市计量测试研究所江苏苏州215128

摘要：由于静重式标准机准确度高、使用方便等特点，广泛应用于计量工作中。本文主要介绍我所10kN静重式力标准机的工作原理、结构和计量性能以及静重式力标准机的优点。

关键词：静重；力标准机；比对验证

一、力标准机的发展现状及分类

我国力学计量经过快速发展，已经建立了较为完善的体系，对国民的经济发展、科学技术的进步、军事发展和生产力提高的有着重要的重要。

随着标准力源的准确性对整个计量行业影响巨大，对高精度力值计量要求越来越高，力标准机体系的不断被完善，使其逐步被广泛应用在各行各业中，推动了我国力学计量技术不断发展。

力标准机根据其力产生原理可分为四类：杠杆式力标准机、静重式力标准机、液压式力标准机、叠加式力标准机。本文主要针对我所的静重式力标准机进行学习和探讨。

二、静重式力标准机

2.1简介

静重式力标准机是用来检定或者校准负荷传感器各项计量性能的标准测力机，属于复杂、高精度标准装置，在国家力值计量和力值传递领域都占有重要地位。

2.2主要技术指标

10kN静重标准机主要测量范围为100N~10kN，准确度等级为0.03级，力值误差不超过±0.03%，重复性不大于0.005%，主要用来对0.1级以下标准测力仪和力值传感器进行检定、校准工作。

2.3基本原理

静重式力标准机是以砝码的重力作为标准负荷，通过适当的机械结构和合理的控制程序把砝码自动有序平稳的施加到被校仪器上的一种测力机。由于砝码的准确度非常相对高，并且其长期的稳定性也比较好，所以静重式力标准机的精度最高。

静重式力标准机，就是将标准砝码产生的重力直接作用在测力仪上，进行力值传递。其基础是牛顿第二定律，即

式中：------物体所受的力，单位为N；

------物体在真空中的质量，单位为kg；

------物体在力F作用下产生的加速度，单位为m/s2。

牛顿第二定律表达的、、三者之间的关系是有前提条件的，在是真空条件下，不能受其他因素的影响，比如受空气阻力的干扰。现实中静重式力标准机的砝码不可能在真空中，而是在空气中，因此砝码产生的重力因受到空气浮力的作用，要比在真空中小。因此，不能直接使用牛顿第二定律的公式，需要做修正，便可得出静重力标准机砝码在空气中的重力。其公式为

其中：------砝码所产生的重力，单位为N；

------砝码的质量，单位为kg；

------空气的密度，单位为kg/m3；

-----砝码材料密度，单位为kg/m3；

------砝码所在地的重力加速度。单位为m/s2。

2.4力标准机的主要组成部分

静重式力标准机的结构大体上由砝码、砝码升降机构、砝码吊挂、砝码组合机构，动横梁及升降机构、机架、电气控制系统等部分组成。

砝码是静重式力标准机的核心组成部分，砝码的质量的长期稳定性及不确定度直接关系到标准机的准确性和力值的长期稳定性。故而砝码选材至关重要，一般选用不易生锈的不锈钢。当然，砝码选材还要考虑附近磁场、电场、摩擦等因素对其力值变化的影响。

2.4.2砝码吊挂

吊挂用于将被支撑的目标砝码力值复现到被测量负荷传感器上，属于力值传递机构。

2.4.3动横梁及升降机构

由于标准测力仪的高度有所区别，空间需要进行相应调整。动横梁主要通过自身的升降机构来调整负荷传感器工作空间，使吊挂等机构处于工作位置。

2.4.4砝码移动托盘

砝码的移动托盘可以通过电机控制进行自由上下移动。通过其上下运动可以将需要用到的砝码从固定位置取下加载到吊挂上。

2.4.5承载架

承载架又为固定架，该机构不仅仅承载不工作状态下的砝码，也要承载各零部件负荷，为机架重要组成部分。

2.4.6电气控制系统

电气控制系统不仅仅包括各机械动作的控制也包括软件系统的控制。电气控制系统的应用使得力标准机操作简单、方便、安全、可靠。电气控制系统包括自动施加和卸载砝码、自动控制和稳定负荷力、自动控制和手动控制切换、数据采集及打印、力标准机补偿及标定、实施安全保护等。

2.5静重式力标准机的优点

（1）砝码数量比较多，组合方式多样，检测范围大，测量力级多。例如：10kN静重标准机从内圈到外圈分别由小砝码、中砝码、大砝码组成。各级砝码可以单一使用，也可以组合使用，实现了多个测量力级。

（2）静重式力标准机精度高，重复性小，长期稳定性好：由于砝码选材好，长期使用力值的变化极小，故而标准机精度高，稳定性好。

（3）力源稳定性高：该标准机将砝码的质量直接复现在被测量仪器上，故而力源稳定、可靠。

（4）程序操作方便、便捷：力标准机可以通过应用软件自动或半自动加卸砝码，砝码的加卸平稳，所以操作简单、快捷、运行可靠性高。

三、标准机的力值比对验证

由于本装置精度高，为了验证其计量性能，经过了反复力值测试。首先通过了中国计量测试研究院的检定，结果合格0.03级。其次选用了高精度的标准测量仪验证了本装置力值的一致性。然后本装置还于其他单位力标准装置进行了比对。通过一系列的测试，本装置各级力值误差不大于±0.03%，力值重复性不大于0.005%。通过长时间的试验，对力标准机的示值误差、示值重复性、力标准机的稳定性等指标进行了验证，验证结果满足国家检定规程相关要求。

四、结束语

由于静重式力标准机具有使用力值范围广、精度高、砝码加荷稳定可靠、使用方便、控制性安全可靠等优点，独步被广泛用于计量检定、校准领域中。

参考文献：

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