力学计量

力学计量精思国计，细量民生1一、力学计量概述同几何量计量一样，力学计量也是发展最早的计量领域之一。1、力学计量的内容：它包括质量、力值、扭矩、硬度、压力、振动、冲击、流量、流速、转速、容量、加速度等的计量测试。其理论基础是牛顿力学定律，即力=质量×加速度。在科研、生产、国防等各个领域都起着非常重要的作用。精思国计，细量民生22、力学计量的原理和发展动向力学计量中所应用的原理十分广泛。例如：各种形式的杠杆原理，包括阿基米德定律在内的液体静力学原理，包括胡克定律在内的弹性原理，包括帕斯卡原理在内的液压原理，迈克尔逊干涉原理，互易原理，多普勒效应．频闪效应，压电、压磁、压阻效应等等。发展动向：(1)量限向两端延伸(2)由静态向动态发展(3)广泛采用传感技术和激光技术(4)适应多种对象和多种环境的要求(5)适应法制计量要求(6)加强基础研究力学计量的几个基本概念二、质量计量1、质量计量的概念、单位及其复现质量是描述物体的惯性及该物体吸引其他物体的引力性质的物理量，是惯性质量与引力质量的统称。所有物质都具有两种性质：惯性和引力。惯性是每个物体所具有的保持其原有运动状态的性质，它表现为每个物体对任何改变其运动的外界作用的抵抗。精思国计，细量民生3在SI中质量的单位是千克(kg)，它等于国际千克原器的质量。这个原器是90％铂和10％铱合金制成的圆柱体，其高度和直径均为39cm，密度为21.5g/cm3，作为质量的国际基准保存于国际计量局内。2、衡量原理和衡量方法1）衡量原理衡器是一种利用作用于物体上的重力等各种衡量原理，确定物体的质量或作为质量函数的其他量值、数值、参数或特性的计量仪器，也称为衡量仪器、称量仪器或称重仪器。精思国计，细量民生4被称物体的重力与已知质量的标准砝码的重力，在衡器上进行比较的过程称为衡量。衡量原理一般可分为3种，即杠杆原理、传感原理及液压原理。(1)杠杆原理杠杆是一种在外力作用下绕固定轴转动的机械装置，平衡时，作用在杠杆上的所有外力矩之和为零。天平就是根据这一原理而制成的计量器具。精思国计，细量民生5精思国计，细量民生6(2)传感原理以电阻应变式称重传感器为例．它由电阻应变计、弹性体和某些附件组成，当被称物或标准砝码的质量作用在传感器上时，弹性体产生变形，应变计的电阻就发生变化并通过电桥产生一定的输出信号，从而可以进行质量的比较或衡量。(3)液压原理根据帕斯卡原理，加在密闭液体上的压强．能够按照原来的大小由液体向各个方向传递。液压秤就是根据这一原理制成的。精思国计，细量民生7精思国计，细量民生82）衡量方法(1)直接称量法又称比例衡量法，它是对准确度无特殊要求的一种普通衡量法，衡量时只考虑衡器的零位，然后由衡器的示值直接得到被称物体的质量。用这种方法衡量时，衡器的固有误差(如天平的不等宵性等)、空气浮力修正零位漂移的不确定度等都会带入测量结果小。(2)在高准确度的质量计量中，大多采用3种精密衡量法，即交换衡量法，替代衡量法和组合比较法，以消除或减小各种误差，其中用得最多的是交换衡量法和替代衡量法。精思国计，细量民生9三、力值计量1、力的概念、分类和单位概念：力是使物体动量发生改变而获得加速度或者使物体发生变形的作用。这种作用可以产生两种效应：一是使物体的运动状态发生改变，叫做动力效应或外效应；二是使物体发生变形或在物体内产生应力．叫做静力效应或内效应。按照物体相互作用的发生方式分类：万有引力、电磁相互作用力、弱相互作用力、强相互作用力以及超电荷力。精思国计，细量民生10力是矢量，力有三要素：大小(力值)、方向及作用点。在SI中，力的计量单位是牛顿(N)，1N就是使1kg质量的物体产生lm／s2加速度的力。2、力值计量的原理和方法1）利用力的动力效应计量力值。力的动力效应是使物体产生加速度,根据牛顿第二定律,当物体的质量及其加速度被测定之后,力值也就被测定出来了。静重式标准测力机就是利用已知质量的砝码在已知重力场中所产生的重力来复现力值的;杠杆式和液压式标准测力机则是利用杠杆和液压系统,对此重力进行放大来复现较大的力值的精思国计，细量民生112）力的静力效应力的静力效应是使物体产生变形或内应力,测定了物体变形或内部应力相对应的参量也就测定了力值,大部分测力计正是利用这一原理来工作的。如果物体是一个好的弹性体,则根据材料力学的虎克定律,在弹性范围内物体的变形量与作用力成正比,在确定了变形量与力值的对应关系后,再通过测定物体的弹性变形量即可得到力值。计量变形量的方法很多,例如用百分表、读数显微镜、测微显微盘等计量环体的变形,用电阻应变计、差动变压器、电容器等计量弹性体的变形。精思国计，细量民生123、力值传递系统力值计量在我国分为五大类：第一类是国家力基准机,这是我国力值计量的最高基准,是统一我国力值计量的唯一依据；第二类是精度为±1×10-5～±2×10-5的高精度力传感器,一般作为标准用于检定二等标准测力机；第三类是各省市作为标准使用的二等标准测力机;第四类是各种型号规格的三等标准测力机和标准力的传感器；第五类是各种型号规格的材料试验机、工作测力计和普通精度的负荷测力传感器。精思国计，细量民生13四、硬度计量1、硬度的概念硬度是指物体的软硬程度,是固体材料的一种机械特性。硬度是固体材料抵抗弹性形变、塑性形变和破坏的能力。硬度值的获得不仅与材料的弹性极限、弹性模量、屈服极限、塑性、脆性以及材料的其他许多性质都有关系,而且与人为规定的方法和条件有关。精思国计，细量民生142、硬度实验为了确定材料的硬度所采用的试验方法称为硬度试验法。硬度试验方法按施加负荷的情况可以分为静负荷试验法和动负荷试验法两大类。①静负荷试验法的原理是：在一定的静负荷作用下,把规定材料与形状的压头压入被试材料的表面,计量压痕的深度或大小来获得硬度值。②动负荷试验法的原理是:在一定的动负荷作用下,用规定材料与形状的冲头冲击被试材料,通过计量冲头回跳高度等参数来获得硬度值。不同的实验方法，硬度表示方式不同。精思国计，细量民生152、振动与冲击计量①振动是一个与平均值相比其运动参量随时间时大时小交替变化的现象，振动计量的主要参数有振幅、频率、相位、速度和加速度。为要获得频率分量丰富的波形，振动计量仪器除了要有准确的校准灵敏度外，还须有足够宽的频率响应和良好的幅值线性。②冲击是物体之间短时内的碰撞，(例如在数微秒的作用时间内，可产生高达数百m／s2的冲击加速度)．冲击计量的主要参数有持续时间、波形、速度和加速度。精思国计，细量民生16加速度测试系统框图精思国计，细量民生17测量装置激励装置(振动台)反馈控制速度/m·s-1时间/s第二级：信号调理电路第三级：显示与记录第一级：传感器从加速度计获取带有去除噪声积分后得到的放大后的“噪声”的电压输出后的信号速度电压信号电压信号加速度计放大器滤波器积分器显示记录汽车振动加速度振动与冲击计量的主要目的:检定或校准包括振动与冲击传感器在内的测振仪器，它包括三项内容：(1)确定被校传感器输出电量E与它所承受的振动或冲击输入量(比如加速度a)之间的比例，此比例称为传感器的灵敏度(比如加速度灵敏度Sa)，即Sa=E／a；(2)确定该灵敏度在所需的频率和幅度范围内的变化(比如是否成线性)，即确定传感器的频率响应和幅值响应等；(3)确定该灵敏度在传感器实际使用条件下的变化，即确定传感器的温度、灵敏度、磁灵敏度、应变灵敏度、声灵敏度、横向灵敏度比及电缆影响等，以便进行修正。精思国计，细量民生18五、转速计量转速即旋转角速度或旋转频率，它是衡量物体旋转快慢的一个物理量。在描述旋转机械的运转性能时，转速是一项重要的参量。旋转角速度的SI单位是弧度／秒(rad／s)，人们常用的转速单位是转／分(r／min)。转速表是测量旋转物体转速的计量仪器的统称。精思国计，细量民生19转速计量方法：电子计数法、激光测速法。电子计数法基本原理：利用转速传感器先将机械旋转频率变换为电脉冲信号．送入通用电子计数器计数后，由晶振时基来控制电子计数门，通过测量单位时间内的脉冲数便可获得转速。激光测速法原理：氦氖激光器具有亮度强、发放角小、单色性好等特点，利用定向反射膜可使激光传感器具有远距离俭取转速信号的功能。旋转物体每转动一周，传感器便感受一个激光脉冲，送到门控计数电路处理后，即能以数字直接显示被测转速。下页是这种装置的基本原理。精思国计，细量民生20精思国计，细量民生21用激光测量转速的原理图六、流量计量流量通常是指单位时间内通过输送管道有效截面的体积或质量。如果是对流体的体积进行计量,则为体积流量,如果是对质量进行计量,则为质量流量。流体一般包括气体和液体。流量计量就是对流体的体积流量、质量流量和总量的计量。体积流量的计量单位是米3/时或升/时,质量流量的计量单位是千克/时或克/时。1）流量计量方法①液体流量计量方法主要有容积法、称量法、标准体积管法等。精思国计，细量民生22容积法是使液体流入工作量器,根据从量器液位标尺上读出的数值和计时器上得到的时间,来确,通过计量容器中的液体的质量,来获得流量值。标准体积管法即在标准体积管内放置一个可移动的活塞和两个检测开关,当液体流入体积管时,推动活塞在管内移动,只要确定了活塞通过两个检测开关的时间,就可以求得流量值。精思国计，细量民生23②气体流量计量方法气体流量计量方法主要有钟罩法、活塞法和音速喷嘴法等。钟罩法适用于常压下气体流量的计量。该方法是将一钟罩型容器扣置于水或油槽中,并被槽中的水或油密封,与外部的大气隔绝。当被测气体充入钟罩或将气体从钟罩内排除时,根据钟罩上升或下降的高度（对应被测气体的体积）和所需的时间,就可以求得流量值。该法只能在常压下使用。精思国计，细量民生24活塞法是使被测气体冲入密闭的气缸,推动其中的活塞,由于气缸的内径是固定的,因而只要确定了活塞移动的距离和时间,即可求出流量值。音速喷嘴法适用于高压气体大流量的计量。当气体流过音速喷嘴,且其上游和下游的压力比达到临界状态时,通过喷嘴喉部的气体流速就达到了音速,并且不再受下游压力变化的影响。于是便可以根据经音速喷嘴流入定容槽的气体的压力和温度来求出进入槽内的气体流量。2）流量计量仪器计量流量的仪器统称为流量计。不同种类的流量计是根据不同的计量原理工作的,通常可分为容积式和推理式两种精思国计，细量民生25容积式流量计以流体本身的动力推动其运动部件移动或转动,使流体不断地充满或离开壳体与运动部件构成的空间,达到连续计量的目的。腰轮流量计、椭圆齿轮流量计及各种活塞式流量计都属于容积式。容积式流量计适用于计量高粘度流体的流量。推理式流量计是除容积式流量计之外的各种流量计的总称,是利用流体在流动过程中的物理现象或物理特性（如压力、冲量、电磁感应、光和声的多普勒效应等）与流速和流量之间的关系来工作的。推理式流量计有节流式或差压式流量计、叶轮式或速度式流量计、面积式流量计、超声流量计、电磁流量计、激光流量计等。精思国计，细量民生26七、密度计量密度是一个用于定量地描述物质特性的物理量。每种物质都有一定的密度,物质不同,密度便不同,而且在一定的状态条件下,一种物质的密度是个常数,与该物质组成的物体的形状、质量和体积无关。单位体积的某种物质的质量,称为这种物质的密度。也就是说,物体的密度等于其质量与体积之比。密度的主单位是千克/米3,也常用克/厘米3或克/毫升、千克/分米3或千克/升等。密度计量可以分为静态计量与动态计量两类。精思国计，细量民生27静态计量法是根据阿基米德定理以及杠杆平衡原理，用浮力计算密度。动态计量的仪器种类较多,比如,应用电磁效应的海水盐度仪、硫酸浓度仪、电磁密度测定仪,应用光学原理的酒精或糖溶液的浓度计,应用声学原理的超声密度计,以及应用振动原理的振动式密度计等。精思国计，细量民生28八、容量计量容量计量是指对容器的容积值的计量。容积是指容器内部所包含的空间体积;而容量是指容器所能容纳的液体或气体的体积。容量的主单位是立方米（m3）,也常用其分数单位立方分米（dm3）或升（L）、立方厘米（cm3）和立方毫米（mm3）等。