非接觸式不同材質(zhì)砝碼體積測(cè)量研究 ｛摘 要}質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)量值傳遞過程中，砝碼的體積需要準(zhǔn)確測(cè)量，為精確測(cè)砝碼的質(zhì)量，由砝碼體積帶來的空氣浮力修正是必要的。聲學(xué)法是種快速高效的非接觸式體積測(cè)量方法，與液體靜力稱重法不同，該方法不需要考慮液體受污染而引起的密度變化。為實(shí)現(xiàn)不同形狀和材料砝碼體積的快速測(cè)量，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了套非接觸式固體材料體積測(cè)量裝置，對(duì) 5kg～20kg 不同材料砝碼體積行測(cè)量，并對(duì)其測(cè)量不確定度行了評(píng)估，其測(cè)量不確定度小于 6×10-4，驗(yàn)證了聲學(xué)非接觸式測(cè)量法應(yīng)用于不同材料砝碼體積測(cè)量的可行性.
。引言 測(cè)量砝碼在空氣中的質(zhì)量，需要精確測(cè)量由砝碼體積帶來的空氣浮力值。由于是測(cè)量體積，砝碼的密度必須是已知的。密度由質(zhì)量除以體積得到，體積測(cè)量對(duì)于密度計(jì)算至關(guān)重要。根據(jù)OIML (international organization for legal metrology)R111[1]的建議，對(duì)于最高等級(jí) E1 級(jí)的砝碼，應(yīng)明確指明每個(gè)砝碼的密度或者體積。之前高等級(jí)砝碼的體積是通過液體靜力稱重法測(cè)量，其是基于阿基米德原理通過參比液體的密度來計(jì)算體積的個(gè)實(shí)際應(yīng)用。體積測(cè)量的相對(duì)不確定度為 10-6 或更小，在液體靜力稱重法下砝碼必須浸入種液體中，因此在從液體中取出砝碼后必須是干燥且干凈的，由于水分含量和污染的液體的質(zhì)量的變化，砝碼的質(zhì)量值必須行修正。如果需要測(cè)量多組砝碼的質(zhì)量，液體靜力稱重法需要耗費(fèi)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。因此，需要找到種測(cè)量更加簡(jiǎn)便同時(shí)測(cè)量的不確定度也滿足要求的砝碼體積測(cè)量方法。由 Ishii 等提出的聲學(xué)體積測(cè)量法已經(jīng)在[3-5]文獻(xiàn)中詳細(xì)的介紹了。該方法在空氣中沒有任何改變砝碼質(zhì)量的條件下可以快速行體積測(cè)量且具有個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)。日本家計(jì)量研究所已經(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)[6-8]行了闡述。目前內(nèi)砝碼的體積測(cè)量方法主要是液體靜力法，聲學(xué)非接觸式體積測(cè)量的方法作為際建議的砝碼體積測(cè)量方法，尚未被列入到砝碼量值傳遞的體積測(cè)量方法中。內(nèi)學(xué)者也嘗試行了研究[9-10]，但都是只針對(duì)單材料的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，其對(duì)其他形狀和材料的砝碼聲學(xué)法體積測(cè)量的適用性并未給出，為此本文根據(jù) OIML 型砝碼的研究，結(jié)合不同材料和不同形狀的砝碼，驗(yàn)證其對(duì)固體材料體積測(cè)量的可行性。
二。聲學(xué)非接觸測(cè)量原理和裝置 2.1 基本公式聲學(xué)非接觸測(cè)量基于氣體壓縮定律[3-4]。其測(cè)量原理如圖 1 所示，砝碼的體積可以通過測(cè)量?jī)蓚€(gè)腔體的聲壓得到。根據(jù)[3-4]V 表示待測(cè)砝碼的體積，V0 是空腔時(shí)測(cè)量腔體的體積 C 為相關(guān)系數(shù)。V=V0 1- R R R0RR1+Cf（V,R,S）R （1）R E1E2（2）其中（f 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。E1 和 E2 信號(hào)的幅值和相位值由傅立葉公式變換計(jì)算獲得。R0 為空腔時(shí)的兩個(gè)腔體聲壓振幅比。使用相同類型的砝碼相同的標(biāo)稱質(zhì)量作為參考和測(cè)試，這種情況下 C 可忽略不計(jì)。忽略非線性項(xiàng)，簡(jiǎn)化的砝碼聲學(xué)體積測(cè)量方程如下：V=V0 1- R R R0R （3）公式 （3） 中 V0 值根據(jù)公式 （4） 通過測(cè)量參考砝碼確定：V0=VrR0R0-Rr（4）Rr 為放入?yún)⒖柬来a后測(cè)量腔體的振幅比，合并公式（3）和（4）被測(cè)砝碼的體積測(cè)量方程為：V=Vr R0-RR0-Rr（5） 2.2 測(cè)量裝置設(shè)計(jì)圖 1 顯示了個(gè)聲學(xué)非接觸式體積測(cè)量裝置的示意圖，括臺(tái)用于控制和數(shù)據(jù)采樣的電腦。自行設(shè)計(jì)的聲學(xué)非接觸式體積測(cè)量裝置測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)砝碼的體積。裝置主體的上半部分括個(gè)基準(zhǔn)容積腔體，下半部為砝碼體積測(cè)量腔體。通過個(gè)旁通管，聯(lián)通兩個(gè)腔體使其靜壓力和空氣濕度均衡。位于在這兩個(gè)容器之間的揚(yáng)聲器由個(gè)正弦信號(hào)頻率驅(qū)動(dòng)，信號(hào)模式可通過計(jì)算機(jī)程序設(shè)置。測(cè)量過程中揚(yáng)聲器的面產(chǎn)生個(gè)交變隔熱的聲壓信號(hào)給基準(zhǔn)容積腔體，同時(shí)其反面產(chǎn)生組相位相反的絕熱聲壓信號(hào)給砝碼體積測(cè)量腔體。通過測(cè)量空腔的聲壓比 R0 和放入?yún)⒖柬来a與被測(cè)砝碼的聲壓比 R 和 Rr，得到被測(cè)砝碼相對(duì)于參考砝碼的體積比值。由于參考砝碼的體積已知，從而計(jì)算得到被測(cè)砝碼的體積，裝置的實(shí)物圖， 如圖 2 所示。
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