1、长 春 大 学 毕业设计（论文）译文纸共 6 页 第 1 页装订线国家标准与技术研究院研究期刊1991 年 9 月-10 月 ，第 5 号，96 卷美国 国家标准与技术研究院和 联邦物理技术研究院关于力标准机的相互比较的总结概要西蒙娜 L.亚尼夫 国家标准与技术研究院 美国马里兰州盖瑟斯堡 20899 测量;标准;力量传感器。公布时间：1991年7月十日1 .介绍本文总结了在美国国家标准技术研究院（NIST）和联邦物理技术研究院(PTB)之间关于执行力的比较测量的结果。详细描述的研究文献1中可以找到。这项研究的目的是确定了这两个机构在50kn至4.5mn范围间力量表现的可比性，这样测力传感器校
2、准的结果将会更容易被另一个研究所接受。这个比较是急切需要的，因为在两个机构之间所使用的测力形式是存在显著差异。在NIST，这项研究里所包括的整个范围内的力量都是通过静重所产生，。在PTB,超过1mn的力是通过静重产生而更高的力量是通过液压传动系统实现的。整个程序的相互比较是由NIST和PTB共同开发的。在测量中所使用的协议是由PTB提供。这个项目的计划是在1988年晚些时候开始。在1989年9月，初始测量所涉及的所有力传感器在PTB进行了第一次的比较。这些最初的测量后，紧接着是在1989年10月在NIST所惊醒的一组类似的测量。为了验证所使用的力传感器的稳定性比较, 最后的一组测量数据在198
3、9年11月的ptb获得。2.力标准机两个机构的力标准机的详细描述的研究文献1-4中可以找到。因此,这里只对一个机器给出简短描述。2.1 NIST的静重式力标准机NIST只有三个最大的静重式力标准机出现在这份比较研究中，这些被成为1Mlbf,300Klbf和112Klbf的机器的详细描述在文献1.2中可以查到。表1总结了这些机器最重要的特性。最大的两个机器的图纸在图1和2,112 klbf机器的照片在图3中指出。长 春 大 学 毕业设计（论文）译文纸共 6 页 第 2 页装订线估计总不确定性的垂直分力应用任何重量都是0.002%。如果修正为实际的空气密度校准和期间的实际质量调整每个重量,作用力的
4、不确定性可以减少到0.001%。图4中的示意图说明了静重式力标准机的工作原理。三台机器中的每一个都有一堆大权重,图4中的是低栈的较大的权重。只有112 klbf机有较小的由螺旋千斤顶支撑的重量的第二个栈。应用重负荷、液压千斤顶引发了吊架和校准的设备加载框架,通过在压缩或紧张。随着加载框架了,大重量从重量堆栈的顶部按顺序被提起。在112年klbf机、小重量降低到螺旋千斤顶加载框架,从底部开始按顺序的重量堆栈。应用能力负荷所需的时间在每台机器在表1中给出。垂直位置的压缩和紧张压台吊架根据需要调整以适应每个校准设置。每台机器的最大设置空间是表1中给出。调整安全坚果,这样他们会支持载重量加载如果校准设
5、置变得不稳定。垂直加载框架的成员不清晰可见图1和2,因为加载框架的宽度约等于相应的提升框架的宽度。2.2 PTB的力标准机为了涵盖整个力量范围的比较，ptb利用了两个力标准机。第一个机器叫做1MN机，是由静重来提供力源，第二个15MN标准计是有液压力传动系统提供力源的.这些机器的相关详细描述可在参考文献1.3.4查到。1MN静重力标准机机的原理图如图5所示。15MN液压力标准机的示意图如图6所示。液压力标准机所实现的力量的整体不确定性大约在100 ppm5。1MN机的不确定性和NIST的机器差不多3.力传动标准总共有六个力传感器用于相互比较。其中,五个力传感器,有力源100 kN,200 kN
6、,500 kN,1 MN和5 MN,PTB在相当一段时间一直在使用。因此,这五个力传感器因他们的长期稳定的行为而众所周知1第六个4.7MN的换能机就不能被很好的证明。每个传感器的完整描述文献1中可以找到。减少不确定性与指示仪表相关的高分辨率指标选择有良好的稳定性。所选指标的解析是1 ppm。开始之前的相互比较,测量在PTB,使用校准标准确定桥梁的可靠性指标时不同的主要频率(分别在德国和美国50 - 60 Hz)和不同电压(分别在德国和美国220和115 V)。没有发现显著差异4.测量过程开发过程中利用执行相互比对,小心翼翼给最小化这些参数的影响,导致测量的不确定性。以下部分描述了这些参数和他们
7、的影响最小化的方法。4.1 时间间隔传感器的输出之间的差异在负载和其输出空载时代表负载传感器的响应。当负载应用到一个测力传感器或卸载测力传感器时,有最初的机械、热、电反应在各种相互联系的元素,紧随其后的是延迟的蠕变响应或漂移在换能器的输出元素的方法一个新的平衡状态。这一过程可能会进一步复杂化局部加热,由于电力拉力测量耗散的桥。长 春 大 学 毕业设计（论文）译文纸共 6 页 第 3 页装订线虽然不同的力传感器表现出不同的蠕变模式6,一般而言,蠕变速率大大减少在第一次加载或卸载后几分钟。蠕变的影响降到最低,对于每一个测力传感器包括在相互比较,达到稳定所需的时间响应后装卸决心开始之前的相互比较。在
8、大多数情况下这是发现,3分钟开始之间的时间延迟加载(或卸载)和实际的阅读是足够的。当测试进行了300年NIST klbf和1 Mlbf标准机器一个额外的1.5分钟被允许占这些对于无谓的更长的装卸时间机器。在每个实例中,每个组测量是重复一次。在所有情况下3分钟介绍了延迟时间之间的完成测量的初始和重复的一组测量的起始。4.2 机械-传感器 交互作用Machine-transducer交互可以显著影响测量的准确度。 正常的缺陷的对齐加载机器和力传感器可以导致严重弯曲,变形的剪切和扭转组件测力传感器。最小化错误由于这些nonaxial组件的变形,是理想的样品测力传感器的响应在几个对称分布位置(7、8)
9、。出于这个原因,每个测力传感器的响应得到5点位置相对于机器的轴(0、90、90、180、360)。在0位置和测量周期的开始之前,行使了测力传感器应用的最大负载测试三次,每个最大负载应用程序后返回零。经过3分钟的延迟,测力传感器仍然在同一位置,两组测量得到,每一个都隔开3分钟间隔。然后,测力传感器由90旋转,两个新测量,相隔3分钟的时间间隔,得到,等等。特殊旋转机构,安装在测力传感器,允许旋转迅速通过所有的传感器的位置。在一个测量周期(两套测量5点位置)初测力传感器是只执行一次循环的0的位置。4.3 环境条件进行测量(230.5)C,通常在NIST实验室条件下。通常在PTB实验室维持在(201)
10、C。然而,一个星期前开始测量,PTB实验室的温度提高到(231)C。力传感器和指标都保持在此温度前一个星期开始测量。4.4 力量步骤与PTB的15MN的力量实现1mn标准机相比,NIST的力量实现1 Mlbf无谓的机器。PTB的力量实现了1 MN无谓机相比实现了NIST 112 kibf 300 klbf,1 Mlbf无谓的机器。 机的负载选择列在表2中,3和4。 载入选区是由标准机器通量值的约束力量,和以下标准:1.限制了测量范围,所以没有测量低于40%的力量传感器的能力。然而,由于thelimitation的机器在某些情况下数据被加载低至20%。2.只使用加载序列,可以应用单调递增;3.每
11、个力标准机通量值,选择相同的负载下面的关系被用来转换英镑牛顿力:1 Ibf = 4.448222 N。5测量结果影响是在相互比较中选择包含类似在PTB和负载NIST的。 然而,由于机器的限制,实际使用的负载,而相似,明显不同的表2到4中可以看到。出于这个原因,NIST的读数是规范化对应PTB作用力步骤按照以下方程:长 春 大 学 毕业设计（论文）译文纸共 6 页 第 4 页装订线NIST的归一化指标阅读 =(PTB作用力kN/NIST作用力kN)x NIST指示器读数在NIST指示器读数净指示器读数减去零的阅读的阅读在负载指标。5.1 比较的力量在50到500KN的范围100Kn，200kn,
12、和500 kN三个力传感器相互比较,在一系列的500kN,NIST的力量实现112年klbf静重机器,表现出PTB的力。力的步骤选择相互比较是50,100,150,200,300,400,500 kN。每个系列的测量变化的测量,在每一个步骤,在每个力量传感器位置,表示为相对之间传播数据,给出在表5中,6日和7日100年,200年和500 kN力传感器,分别。运行计算之间的相对传播通过第一次和第二次读数之间的区别和划分结果由最初的阅读。表5 - 7表明,为每个步骤,数据传播,所有测量在NIST和PTB,执行低于50 ppm。网络意味着在NIST测量,测力传感器输出测量的初始和最终的PTB测量,获
13、得的平均初始和最终PTB测量展示在表8。指标的值在表8。平均指标读数之间的相对差异在PTB NIST和相应的平均指标读数表9列出了作为力传感器和力的函数的步骤。表9所示的值是通过获得的平均阅读在NIST,减去从一定的对应的意思是阅读在PTB,然后结果除以相应的初始和最终PTB读数的平均值。四舍五入为最接近的ppm所示的值。平均的平均偏差PTB数据相对于平均NIST力传感器和力所有步骤检查数据(即在表9的最后一列)在图7中。图7显示协议在NIST和PTB获得的数据很好。偏差在一个乐队从-31年到12 ppm。5.2 比较的力在 90kn至1mn之间三个力传感器在标称容量200 kN,500 kN
14、,1 MN被用来相互比较,在一系列1 MN 90 kN,部队意识到300年NIST klbf无谓机,在PTB的力量实现。力的步骤选择相互比对90,130,180,220,310,400,410,540,670,800,800 kN。 当程序最初计划,预期,90年,130年,180 kN力量相互比较的步骤将被包括在这个子集。因此,第一个系列的测量在PTB不包括执行测量这些力的步骤。每个系列的测量变化的测量,在每一个步骤,每一个测力传感器位置,表示为相对之间传播数据,给出在表10,11日和12 200 kN,500 kN,分别和1 MN力传感器。相对传播betweenruns计算通过第一次和第二次
15、读数之间的区别和划分结果通过最初的阅读。表10到12表明,为每个步骤,数据的传播低于35 ppm对所有测量在PTB和NIST执行。网络意味着在NIST测量,测力传感器输出测量的初始和最终的PTB测量,获得的平均初始和最终PTB测量展示在表13。在指示器显示单元的值。平均指标之间的相对差异在NIST和相应的数据阅读在PTB表14中列出作为力传感器和力的函数的步骤。表14所示的值获得如5.1秒。除了所述,200 kN测力传感器,得到显示的值通过NIST意味着阅读,从中减去相应的意思最后PTB阅读,和最终结果除以平均PTB阅读。所有的值在表14四舍五入为最接近的ppm。当评估的差异实现的力量在PTB
16、,NIST的范围之间的220和400 kN,部队决定使用500 kN测力传感器,只有NIST的相对差异和最后的PTB数据有意义,因为获得长 春 大 学 毕业设计（论文）译文纸共 6 页 第 5 页装订线的初始测量在PTB被发现含有系统误差。这就是为什么wasmade决定包括200 kN 测力传感器的力传感器测量300knNIST klbf无谓的机器。平均的平均偏差PTB数据相对于平均NIST迫使所有步骤的数据和力传感器包含在90 kN通过1 MN范围图8所示。200和500 kN力传感器,显示的值是基于最后PTB测量。的数据显示1 MN传感器是基于最初的和最后的PTB测量。图8显示了协议获得的
17、数据在NIST和PTB很好。偏差在一个乐队从0到30 ppm 5.3比较力在220 - 4500 kN的范围三个力传感器在标称容量的4.7和5 MN用来相互比较,在一系列220 - 4500 kN,NIST的力量实现1 Mlbf机器,(一个)的力量实现了1 MN PTB无谓的机器,和(b)的力量高于1 MN,那些取得15 MN PTB液压乘法标准机。力的步骤 选择相互比对220,440,660,880,900,1800,2700,3600,4500 kN。每个系列的测量变化的测量,在每一个步骤,在每个力量传感器位置,表示为相对之间传播数据,表中给出了15日,16日和17日,4.7,分别和5 M
18、N力传感器。运行之间的相对传播计算按照秒。5.1中描述的过程。表15至17显示了1 MN器最大的传播,57 ppm,得到在NIST 50 klbf力量一步。与其他两个传感器,得到最大的传播在PTB最大,240 ppm,发生5 MN在900 kN力传感器的步骤。网络意味着在NIST在PTB,测力传感器输出测量和平均获得的初始和最终PTB值表18所示。计单位的值。平均指标读数之间的相对差异在PTB NIST和相应的平均指标读数表19中列出步骤测力传感器的功能和力量。值显示了按照程序给出了5.1秒。所有值表所示是四舍五入为最接近的ppm。表19显示整体之间有良好的协议获得的数据在PTB和NIST。然
19、而,最大的反应两个传感器漂移的过程中有些相互比较。这种漂移是最重要的5 MN测力传感器。平均的平均偏差PTB数据相对于平均NIST数据1和4.7 MN力传感器和力检查步骤图9所示。由于漂移中观察到5 MN测力传感器,这种传感器的结果并不包括在图9的一代。平均偏差属于一个乐队从- 30到50 ppm。6.结论在50到4500 kN的范围內,NIST的力量实现载重上面比PTB的机器有利。在力超过900 kN的比较表明,NIST静重力标准机和PTB的力标准机实现了1 MN一致度在40 ppm。Peters等人。7说,理论上的不确定性力量实现了载重力机器的20 ppm。因此,NIST在50到900 k
20、N之间的不确定度，PTB在理论上是可以实现的。在比较力在1-4.5mn的范围内，标明ptb的液压力量倍增系统要优于NIST的静重式力标准机，在这个范围内,PTB数据和NIST数据之间的一致度是在100 ppm,，一个显著的共识就说明了液压力标准机的不确定性天生比静重式力标准机高些7.参考文献1a . Sawla m彼得斯sl什雅尼夫和ra米切尔,相互比较的力标准机国家标准与技术研究院、美国、和Physikalisch-TechnischeBundesanstalt,布伦瑞克,德国,PTB-Bericht MA-20(1991)2ra米切尔,迫使国家统计局的校准标准,1227年国家统计局Tech
21、nical Note,美国商务部,马里兰州盖瑟斯堡(1986)。3w维勒 m彼得斯h . Gassmann h . Fricke,w . Ackerschott。 VDI-Z死长 春 大 学 毕业设计（论文）译文纸共 6 页 第 6 页装订线1-MN-Kraft NormalmeBeinrichtung der PTB布伦瑞克,120年1 - 6(1978)。4w维勒,a . Sawla,m彼得斯的设计和标定问题15锰液压力标准机,VDI-Bericht 212(1974)。5m彼得斯和w维勒联邦物理技术研究院-Mitt 83(1973)。6ra米切尔和sm贝克描述的蠕变响应负载细胞,VDI-Berichte 312(1978)。7m彼得斯,a . Sawla和d佩舍尔力测量的不确定性,CCM工作组的报告,PTB-Bericht MA-17(1990)。8pe本丢ra米切尔,内在力测量中存在的问题,擅长。22日工作。81 - 88(1982)。
