两种小力值校准装置研究

    0　概述

    力值测量广泛地应用于航空、航天、船舶、兵器等国防科技领域,在民用工业中也扮演着重要的角色。随着我国科技工业,尤其是国防科技工业的快速发展,力值测量的范围不断向两端扩展。

    近些年来,对小力值的测试和校准的需求越来越多。随着微型武器、新材料等学科的快速发展,随着纳米计量和微纳米机电系统等相关专业的快速发展,在其科研和生产中进行了大量的小力值的测量,如在小型卫星推进器、薄膜机械性能测试、显微硬度、纳米硬度、纳米材料弹性模量测试等的试验过程中,都需要对小力值进行准确的测试。在纳米硬度的测量中,其力值最大仅为10mN,在一些硅薄膜、复合硅薄膜等薄膜材料的机械性能测试过程中使用的负荷传感器,其量程范围为0~4·5 N,其分辨力要达到0·005 N(5 mN),力值测量误差一般要求在1%以内。这些微小/小力值测量的准确与否直接影响着科研和生产过程,这对小力值的校准提出了很高的要求。

    我国的微小力值校准水平与先进国家相比还有一定差距。我国目前已建的力值标准范围为1N~20MN。而对于1 N以下的力值,目前没有专门的标准装置。

    1　小力值校准装置的技术指标

    我所在“十一五”期间进行了小力值校准技术的研究,设计了两套小力值校准装置,用来校准不同量程范围的小力值。具体指标见表1。

    2　等臂杠杆式小力值校准装置

    2·1　工作原理

    杠杆式力标准装置是用砝码产生的重力通过杠杆机构放大后产生力值的装置。当杠杆保持平衡状态时,按公式(1)进行力值的计算:

    F =Kmg(1-ρ_a/ρ_w)                (1)

式中:K为杠杆放大比; m为砝码质量, kg;g为当地重力加速度, m/s²;ρ_a为空气密度, kg/m³;ρ_w为砝码密度, kg/m₃。

    对杠杆式力标准装置,杠杆的灵敏限^[1-2]是影响力值测量的关键指标,杠杆的灵敏限决定杠杆对力值的微小变化的反应能力和杠杆式力标准机的力值测量下限值。空气密度和砝码密度的比值用于对砝码在大气环境中复现的力值进行浮力修正,修正量一般为0·015%左右。由于空气密度变化和砝码密度的测量不确定度仅对0·015%的修正量产生影响,对砝码复现力值的影响要小得多,因而杠杆臂比和砝码质量的控制是此装置设计、加工和调试时需要精确控制的关键指标。

    目前我国使用中的杠杆式力标准机大都采用一级放大,放大比一般为10∶1或20∶1。由于多了杠杆机构环节,杠杆式力标准机的力值不确定度就要大一些,通常在0·01% (k=2)以上。