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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。

聲學(xué)非接觸式測(cè)量砝碼體積方法綜述