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聲學(xué)非接觸式測(cè)量砝碼體積方法綜述:
1引言
在我國(guó)的力學(xué)計(jì)量的量值傳遞系統(tǒng)中,質(zhì)量計(jì)量處于非常重要的地位,力值計(jì)量、扭矩計(jì)量、壓力計(jì)量、流量計(jì)量、容量計(jì)量、密度計(jì)量等均離不開(kāi)質(zhì)量計(jì)量,質(zhì)量計(jì)量是力學(xué)計(jì)量中*基礎(chǔ)的計(jì)量項(xiàng)目*,而砝碼作為承載質(zhì)量量值的重要載體,是質(zhì)量計(jì)量的基礎(chǔ),其量值的*性更是直接關(guān)系到質(zhì)量量值傳遞的*和可靠。
而*等級(jí)砝碼在量值傳遞過(guò)程中容易受到空氣浮力的影響,必須進(jìn)行空氣浮力修正,空氣浮力的測(cè)算主要依據(jù)傳遞過(guò)程中的實(shí)時(shí)空氣密度和砝碼固體材料的體積t,因此,*獲得砝碼固體材料的體積和實(shí)時(shí)空氣密度對(duì)空氣浮力的修正值至關(guān)重要。由Ishii等提出的聲學(xué)體積測(cè)量法已經(jīng)在文獻(xiàn)中得到詳細(xì)介紹。本*計(jì)量研究*(NMIJ)/AIST已經(jīng)將聲學(xué)體積測(cè)量法應(yīng)用于測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)砝碼,其特征在文獻(xiàn)進(jìn)行了闡述。**也對(duì)該方法有*研究,見(jiàn)文獻(xiàn)嗍。在本文中,重點(diǎn)介紹了該方法在*等級(jí)砝碼體積測(cè)量中對(duì)不同形狀、不同材質(zhì)及帶腔體的固體材料的質(zhì)量砝碼體積參數(shù)的測(cè)量結(jié)果及其不確定度。
2聲學(xué)體積測(cè)量法原理簡(jiǎn)述
2.1基本原理聲學(xué)體積測(cè)量法的原理在中已有介紹。如圖1*示,砝碼的體積可以通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)腔體的聲壓得到。V表示待測(cè)砝碼的體積,V。是空腔時(shí)測(cè)量腔體的體積,c為相關(guān)系數(shù),如公式(1)、(2)*示。其中V,R,S)為體積V的函數(shù),R是由兩個(gè)麥克風(fēng)輸出的信號(hào)即兩個(gè)腔體的聲壓比率,s為砝碼的表面積,E和E信號(hào)的幅值和相位值由傅立葉公式變換計(jì)算獲得,R。為空腔時(shí)的兩個(gè)腔體聲壓振幅比.
2.2測(cè)量方法將參考砝碼的體積作為標(biāo)準(zhǔn),與被測(cè)砝碼的體積進(jìn)行比較的方法,參考文獻(xiàn)l7I。本文不確定度評(píng)定實(shí)例采用單參考法,其測(cè)量順序依次為空腔、被測(cè)砝碼、參考砝碼(0.95倍體積砝碼或1.05倍體積砝碼)。
3測(cè)量不確定度的評(píng)定概述3l環(huán)境條件實(shí)驗(yàn)室溫度:(20—22);相對(duì)濕度:(58—64)%RH。
3.2測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)采用OIML型無(wú)磁不銹鋼(JF*1)作為標(biāo)準(zhǔn)砝碼,對(duì)于每*組標(biāo)稱(chēng)質(zhì)量范圍從lkg、2kg、5kg、10kg、20kg的砝碼分別制作3個(gè),每個(gè)砝碼質(zhì)量分別是按標(biāo)準(zhǔn)砝碼的0.95、1.00倍和1.05倍制造,其*度等級(jí)、形狀和外部尺寸均依照的符合JJG99—2006《砝碼檢定規(guī)程》,密度為8.0g/era、磁化率為0.001~0.009、*度等級(jí)F2,如圖2*示。
3.3被測(cè)對(duì)象符合JJG99—2006(砝碼檢定規(guī)程》的標(biāo)準(zhǔn)砝碼組,包括不同質(zhì)量、不同形狀、不同材質(zhì)的砝碼如圖3*示,測(cè)量范圍:(I20)kg,其中材料為銅合金和鑄鐵合金的lkg、5kg增坨型和10kg鎖型為帶調(diào)整腔砝碼。
4不確定度來(lái)源分析測(cè)量結(jié)果的不確定度主要來(lái)自:
4.1通過(guò)聲學(xué)法測(cè)量被測(cè)砝碼體積測(cè)量重復(fù)性;
4.2被測(cè)砝碼體積測(cè)量的非線性(包括表面積的影響帶來(lái)的不確定度);
4.3液體靜力法測(cè)量結(jié)果的不確定度即參考標(biāo)準(zhǔn)砝碼的體積標(biāo)準(zhǔn)不確定度。由于本文提出的方法,是在室溫干燥環(huán)境條件下測(cè)量由溫度濕度帶來(lái)的潛在影響因素可忽略。5標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定依據(jù)4量不確定度評(píng)定與表示》的要求,對(duì)lkg的OIML型不銹鋼無(wú)磁砝碼進(jìn)行不確定度評(píng)定。
5.1被測(cè)砝碼體積測(cè)量重復(fù)性引入的測(cè)量不確定度分量//,,該分量基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的A類(lèi)不確定度評(píng)定。對(duì)被測(cè)對(duì)象在相同的條件下進(jìn)行10次獨(dú)立測(cè)量,l0次測(cè)量結(jié)果如表2*示。
5.2被測(cè)砝碼體積測(cè)量的非線性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量非線性標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量(表面積的影響帶來(lái)的不確定度包含在該不確定度內(nèi)),采用B類(lèi)評(píng)定。為聲學(xué)體積測(cè)量法和流體靜力體積測(cè)量法的*大偏差,經(jīng)*計(jì)量**測(cè)試,lkg不銹鋼無(wú)磁標(biāo)準(zhǔn)砝碼20~C體積密度為8061kg/m3,£=0.042uo~。假定為均勻分布,則/Z6-8/、/=0.024cm。
5.3參考標(biāo)準(zhǔn)
砝碼體積的不確定度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量由于參考砝碼的體積值采用液體靜力法測(cè)量得到,采用B類(lèi)方法進(jìn)行評(píng)定。估計(jì)為均勻分布,取包含因子k=、/丁,已知參考標(biāo)準(zhǔn)砝碼體積的擴(kuò)展不確定度u8×10-5,得到參考砝碼體積的不確定度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量ur=×涪0.006cm3。
6測(cè)量結(jié)果及不確定度
依據(jù)上述方法,測(cè)量計(jì)算得到其他材料砝碼體積測(cè)量結(jié)果不確定度及不同形狀和帶腔體砝碼體積測(cè)量不確定度,測(cè)試過(guò)程中對(duì)被測(cè)砝碼的聲壓比、空腔聲壓比,參考砝碼的聲壓比進(jìn)行記錄,得到被測(cè)砝碼的相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)砝碼的體積比值,根據(jù)體積比由計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算得到被測(cè)砝碼體積測(cè)量結(jié)果,如表4、表5*示。
7. 結(jié)論
經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,用聲學(xué)體積測(cè)量法對(duì)lkg~20kg不同形狀、不同材質(zhì)以及包含腔體的砝碼體積測(cè)量,其測(cè)量結(jié)果的不確定度均小于6×10本文提出的聲學(xué)體積測(cè)量的方法對(duì)不同形狀、不同材質(zhì)以及包含腔體的砝碼體積進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量時(shí),需要設(shè)定*些測(cè)量的參數(shù)值且通過(guò)和流體靜力稱(chēng)重體積測(cè)量法比較。
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