非接觸式不同材質(zhì)砝碼體積測量研究 ｛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)確測量，為精確測砝碼的質(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。為實現(xiàn)不同形狀和材料砝碼體積的快速測量，設(shè)計實現(xiàn)了套非接觸式固體材料體積測量裝置，對 5kg～20kg 不同材料砝碼體積行測量，并對其測量不確定度行了評估，其測量不確定度小于 6×10-4，驗證了聲學(xué)非接觸式測量法應(yīng)用于不同材料砝碼體積測量的可行性.
。引言 測量砝碼在空氣中的質(zhì)量，需要精確測量由砝碼體積帶來的空氣浮力值。由于是測量體積，砝碼的密度必須是已知的。密度由質(zhì)量除以體積得到，體積測量對于密度計算至關(guān)重要。根據(jù)OIML (international organization for legal metrology)R111[1]的建議，對于最高等級 E1 級的砝碼，應(yīng)明確指明每個砝碼的密度或者體積。之前高等級砝碼的體積是通過液體靜力稱重法測量，其是基于阿基米德原理通過參比液體的密度來計算體積的個實際應(yīng)用。體積測量的相對不確定度為 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。如果需要測量多組砝碼的質(zhì)量，液體靜力稱重法需要耗費相當(dāng)長的時間。因此，需要找到種測量更加簡便同時測量的不確定度也滿足要求的砝碼體積測量方法。由 Ishii 等提出的聲學(xué)體積測量法已經(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量且具有個重要的優(yōu)點。日本家計量研究所已經(jīng)將聲學(xué)體積測量法應(yīng)用于測量標(biāo)準(zhǔn)砝碼，其特征在文獻(xiàn)[6-8]行了闡述。目前內(nèi)砝碼的體積測量方法主要是液體靜力法，聲學(xué)非接觸式體積測量的方法作為際建議的砝碼體積測量方法，尚未被列入到砝碼量值傳遞的體積測量方法中。內(nèi)學(xué)者也嘗試行了研究[9-10]，但都是只針對單材料的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，其對其他形狀和材料的砝碼聲學(xué)法體積測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，驗證其對固體材料體積測量的可行性。
二。聲學(xué)非接觸測量原理和裝置 2.1 基本公式聲學(xué)非接觸測量基于氣體壓縮定律[3-4]。其測量原理如圖 1 所示，砝碼的體積可以通過測量兩個腔體的聲壓得到。根據(jù)[3-4]V 表示待測砝碼的體積，V0 是空腔時測量腔體的體積 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 是由兩個麥克風(fēng)輸出的信號即兩個腔體的聲壓比率，S 為砝碼的表面積。E1 和 E2 信號的幅值和相位值由傅立葉公式變換計算獲得。R0 為空腔時的兩個腔體聲壓振幅比。使用相同類型的砝碼相同的標(biāo)稱質(zhì)量作為參考和測試，這種情況下 C 可忽略不計。忽略非線性項，簡化的砝碼聲學(xué)體積測量方程如下：V=V0 1- R R R0R （3）公式 （3） 中 V0 值根據(jù)公式 （4） 通過測量參考砝碼確定：V0=VrR0R0-Rr（4）Rr 為放入?yún)⒖柬来a后測量腔體的振幅比，合并公式（3）和（4）被測砝碼的體積測量方程為：V=Vr R0-RR0-Rr（5） 2.2 測量裝置設(shè)計圖 1 顯示了個聲學(xué)非接觸式體積測量裝置的示意圖，括臺用于控制和數(shù)據(jù)采樣的電腦。自行設(shè)計的聲學(xué)非接觸式體積測量裝置測量標(biāo)準(zhǔn)砝碼的體積。裝置主體的上半部分括個基準(zhǔn)容積腔體，下半部為砝碼體積測量腔體。通過個旁通管，聯(lián)通兩個腔體使其靜壓力和空氣濕度均衡。位于在這兩個容器之間的揚聲器由個正弦信號頻率驅(qū)動，信號模式可通過計算機程序設(shè)置。測量過程中揚聲器的面產(chǎn)生個交變隔熱的聲壓信號給基準(zhǔn)容積腔體，同時其反面產(chǎn)生組相位相反的絕熱聲壓信號給砝碼體積測量腔體。通過測量空腔的聲壓比 R0 和放入?yún)⒖柬来a與被測砝碼的聲壓比 R 和 Rr，得到被測砝碼相對于參考砝碼的體積比值。由于參考砝碼的體積已知，從而計算得到被測砝碼的體積，裝置的實物圖， 如圖 2 所示。
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