扭矩标准装置结构及不确定度现状分析

　　扭矩是基本的力学量之一,在国防工业及与其相关的机械工业和精密仪表工业中经常遇到计量扭矩的各种实际问题。扭矩的计量工作,是保证生产过程的正常进行和保证产品质量的工作基础。

　　扭矩是一个导出量(M=r×F,M=rFsinα),从理论上说,可以通过对杠杆长度、砝码质量以及当地重力加速度等分量进行测量、计算得到标准扭矩值。然而,由于在实际校准过程中还将引入一些其它的不确定因素,无法将其一一精确量化合成到装置不确定度分析中,因此还应该通过溯源与比对来验证理论分析结果。尽管工作原理相同,不同的标准装置由于结构上的差异,所涉及的不确定因素将有所不同,且各项因素对测量结果的影响程度也不尽相同。以下将对国内外扭矩标准装置的不确定度水平、结构情况等内容做出分析。

　　1　国内外扭矩标准装置的不确定度现状

　　近年来,德国、意大利等国扭矩基准装置经过技术革新,其不确定度已达到了0.002%(k=2),法国、英国、芬兰等国家扭矩基准装置的不确定度也为0.01%(k=2),正在通过比对得以验证。

　　目前,我国扭矩标准装置的测量不确定度从理论上分析,最高为0.01%(k=3),分别由国家计量院和中国航空工业第304研究所建立。在以往两者之间进行的几次比对中,都未能取得理想的结果,原因主要是目前国内扭矩标准装置采用的结构都比较原始而简单,存在若干难以克服的不确定因素,易于受到比对用的标准传感器及其连接方式等技术和客观因素影响。这就需要我们对国际上在相关领域处于先进水平的国家的标准装置进行研究、比较,为进一步提高我国扭矩标准装置的技术性能提供技术方案。

　　2　静重式扭矩标准装置的工作原理及不确定度分析

　　目前,国内外高准确度的扭矩标准装置普遍采用静重式结构方式,因为这种结构比较简单,所涉及的不确定因素相对较少,其基本原理如图1所示。

　　静重式扭矩标准装置是通过加挂在杠杆两端的砝码来产生标准扭矩值的,即

　　根据以上公式,再考虑装置本身敏感程度以及环境影响等因素,该装置的不确定度来源主要有以下七项:

　　a.砝码质量测量不确定度u(m);b.重力加速度测量不确定度u(g);c.空气密度测量不确定度u(ρa);d.砝码密度测量不确定度u(ρw);e.杠杆臂长测量不确定度u(L);f.装置不敏感带来的不确定度u(s);g.试验过程中环境温度有1°C波动时引起的不确定度u(T)。

　　以上不确定度因素都可以经过具体计算来进行合成。按这样的计算方法,可以通过提高以上各因素的测量准确度以及改善环境条件来使标准机测量不确定度降到很小。然而事实并非如此,在实际比对的过程中,理论上不确定度为0.01%(k=3)的扭矩标准装置有时只能达到0.03%乃至于更差。究其原因,主要是在工作过程中,受其结构本身和测试手段(如扭矩传感器的安装状态)等的影响,将会引入一些其它的不确定度因素,而这些因素大多难以克服并难以进行量化分析。以下将对此进行具体介绍。