关于力标准机量值长期稳定性及某些标准机结构配置中存在缺陷的研究

按照结构分析可以得出各类型力标准机的主要不确定度影响因素以及影响的途径和程度。

静重式力标准机的主要影响因素包括砝码质量、重力加速度、空气密度、砝码密度等参数的测量不确定度, 同时还受工作台水平度 (或拉头同轴度) 、砝码摆动量等的影响。

杠杆式力标准机的主要影响因素除静重式力标准机的影响因素之外, 还包括杠杆放大比、杠杆灵敏阈等的影响。

液压式力标准机的主要影响因素除静重式力标准机的影响因素之外, 还包括液压放大比、液压系统灵敏度以及液压加载系统工作的波动程度等的影响。

比对式力标准机与上述3种力标准机不同, 它的测量不确定度影响因素除加载系统的灵敏度、波动度等因素之外, 主要依赖于标准力传感器的各项技术指标, 尤其是力传感器的重复性、复现性和长期稳定性。

由于机械结构和控制系统的复杂程度依次变大, 所以前3种力标准机的测量不确定度必然依次变大, 然而, 当整机设计调试完成之后, 它们的工作状态都可以长期保持在一定准确度水平之下, 持续不变。而作为力值复现源头的砝码组, 其质量具有非常稳定的特点, 因此在力标准机的使用过程中可认为是非常可靠的。

比对式力标准机的长期稳定性主要依赖于标准力传感器的性能, 存在较大局限性和一些不可控的因素。比如传感器自身应变片、电子线路的老化会引起数据漂移;受环境因素影响会产生灵敏度变化, 弹性元件的受力状态 (如加载速度和受力轴线) 的变化会产生数据差异;偶然发生的不规范操作等也会引起传感器灵敏度的永久性偏离。

随机选取一台100k N杠杆式力标准机和一台100k N比对式力标准机, 对其从2010年至2016年期间的周期性校准数据进行分析, 校准结果分别如图1和图2所示。所有校准试验所用到的传递标准为同一套传感器和仪表, 其标准值是采用a-b-a的方式在国家基准装置 (静重式力标准机) 上进行标定的两次数据结果的算术平均值。图中各数值点横坐标对应的是不同的力值, 纵坐标对应的是传递标准在被校力标准机上的测量结果与其标准值之间的相对误差。由图1和图2可见, 该杠杆式力标准机的长期使用特性良好且能持续稳定保持在某个量值水平上, 而比对式力标准机的校准结果则波动较大。

图1 某100k N杠杆式力标准机长期稳定性校准结果图

图2 某100k N比对式力标准机长期稳定性校准结果图

力标准机在校准力传感器时, 改变力传感器的安装方位, 将产生一些数据变化, 变化的程度可以反映出力传感器本身的一些结构不对称或其他设计缺陷。然而, 力标准机本身也会存在一些复现性问题, 因此, 通常会在力标准机中设计一些万向或随动结构, 并通过控制装配公差来尽量减少装置的复现性。图3为某杠杆式力标准机在0°、90°、180°、270°4个方位的试验数据, 可见此类力标准机的复现性可以调试到非常理想的状态。

图3 某杠杆式力标准机复现性试验结果图

然而, 对于比对式力标准机来说, 其配套的标准传感器在受力状态改变时必然产生的复现性误差却是无法避免和克服的。当安装方位改变时, 标准力传感器自身的标准值会发生变化却又难以量化分析。因此, 比对式力标准机的标准值只代表标定当时特定状态下的示值, 而不具有任意使用的普遍性, 而且, 在对被测设备进行多方位的测试时, 其自身的方位误差必然包括在测试结果之内。

静重式力标准机、杠杆式力标准机、液压式力标准机均是通过砝码的质量作为标准力值直接或间接地加载到被检设备上, 只要装置工作状态正常, 其力值加载完成后将保持静止不变, 因此可以用于对被校传感器的蠕变和滞后性能进行校准。而比对式力标准机由于标准传感器自身存在蠕变和滞后, 其伺服控制系统会追随标准传感器示值的慢变化而始终处于一个动态的平衡过程, 因此无法对被检传感器的蠕变以及滞后性能进行考核, 即使做了这些试验, 其测量结果也将是标准传感器和被测传感器蠕变或滞后性能的累加。

对于静重式力标准机、杠杆式力标准机和液压式力标准机来说, 可以通过检查其砝码是否正常摆动、吊挂部分是否灵活, 来判断砝码组部分是否处于良好工作状态;也可以通过加载合适质量的感量砝码来检测系统平衡是否被破坏等方法, 来检查杠杆系统和液压系统的工作状态是否正常。

对于比对式力标准机, 在两次溯源性校准的周期内, 很难通过一些方便有效的检查手段来发现标准传感器以及控制系统的其他隐含故障。

综合上述分析内容, 可得出以下结论:

1. 与其他结构形式的力标准机相比, 比对式力标准机结构相对简单, 成本低廉, 但其性能有明显的局限性, 尤其是长期稳定性指标, 是限制其不确定度水平和应用场合的最大因素。

2. 在量值传递体系中, 比对式力标准机不应单独作为国家标准测量设备, 而应配套必要的比对标准, 并与其他标准测量设备进行经常性的数据比较和确认。

3. 当需要利用比对式力标准机开展传感器方位误差、滞后以及蠕变等技术特性的校准时, 其自身的这些特征必须经过长期细致地考核, 并通过力标准机的控制系统将这些考核结果合理应用, 以减少本身引入的误差。

4. 在条件允许的情况下, 4种力标准机按优先选择顺序排列应为:静重式力标准机———杠杆式力标准机———液压式力标准机———比对式力标准机。