非接触式不同材质砝码体积测量研究

｛摘 要}质量标准量值传递过程中，砝码的体积需要准确测量，为精确测砝码的质量，由砝码体积带来的空气浮力修正是必要的。声学法是种快速高效的非接触式体积测量方法，与液体静力称重法不同，该方法不需要考虑液体受污染而引起的密度变化。为实现不同形状和材料砝码体积的快速测量，设计实现了套非接触式固体材料体积测量装置，对 5kg～20kg 不同材料砝码体积行测量，并对其测量不确定度行了评估，其测量不确定度小于 6×10-4，验证了声学非接触式测量法应用于不同材料砝码体积测量的可行性.

。引言 

测量砝码在空气中的质量，需要精确测量由砝码体积带来的空气浮力值。由于是测量体积，砝码的密度必须是已知的。密度由质量除以体积得到，体积测量对于密度计算至关重要。根据OIML (international organization for legal metrology)R111[1]的建议，对于最高等级 E1 级的砝码，应明确指明每个砝码的密度或者体积。之前高等级砝码的体积是通过液体静力称重法测量，其是基于阿基米德原理通过参比液体的密度来计算体积的个实际应用。体积测量的相对不确定度为 10-6 或更小，在液体静力称重法下砝码必须浸入种液体中，因此在从液体中取出砝码后必须是干燥且干净的，由于水分含量和污染的液体的质量的变化，砝码的质量值必须行修正。如果需要测量多组砝码的质量，液体静力称重法需要耗费相当长的时间。因此，需要找到种测量更加简便同时测量的不确定度也满足要求的砝码体积测量方法。由 Ishii 等提出的声学体积测量法已经在[3-5]文献中详细的介绍了。该方法在空气中没有任何改变砝码质量的条件下可以快速行体积测量且具有个重要的优点。日本家计量研究所已经将声学体积测量法应用于测量标准砝码，其特征在文献[6-8]行了阐述。目前内砝码的体积测量方法主要是液体静力法，声学非接触式体积测量的方法作为际建议的砝码体积测量方法，尚未被列入到砝码量值传递的体积测量方法中。内学者也尝试行了研究[9-10]，但都是只针对单材料的标准砝码，其对其他形状和材料的砝码声学法体积测量的适用性并未给出，为此本文根据 OIML 型砝码的研究，结合不同材料和不同形状的砝码，验证其对固体材料体积测量的可行性。

二。声学非接触测量原理和装置 

2.1 基本公式声学非接触测量基于气体压缩定律[3-4]。其测量原理如图 1 所示，砝码的体积可以通过测量两个腔体的声压得到。根据[3-4]V 表示待测砝码的体积，V0 是空腔时测量腔体的体积 C 为相关系数。V=V0 1- R R R0RR1+Cf（V,R,S）R （1）R E1E2（2）其中（f V,R,S）为体积 V 的函数，R 是由两个麦克风输出的信号即两个腔体的声压比率，S 为砝码的表面积。E1 和 E2 信号的幅值和相位值由傅立叶公式变换计算获得。R0 为空腔时的两个腔体声压振幅比。使用相同类型的砝码相同的标称质量作为参考和测试，这种情况下 C 可忽略不计。忽略非线性项，简化的砝码声学体积测量方程如下：V=V0 1- R R R0R （3）公式 （3） 中 V0 值根据公式 （4） 通过测量参考砝码确定：V0=VrR0R0-Rr（4）Rr 为放入参考砝码后测量腔体的振幅比，合并公式（3）和（4）被测砝码的体积测量方程为：V=Vr R0-RR0-Rr（5） 

2.2 测量装置设计图 1 显示了个声学非接触式体积测量装置的示意图，括台用于控制和数据采样的电脑。自行设计的声学非接触式体积测量装置测量标准砝码的体积。装置主体的上半部分括个基准容积腔体，下半部为砝码体积测量腔体。通过个旁通管，联通两个腔体使其静压力和空气湿度均衡。位于在这两个容器之间的扬声器由个正弦信号频率驱动，信号模式可通过计算机程序设置。测量过程中扬声器的面产生个交变隔热的声压信号给基准容积腔体，同时其反面产生组相位相反的绝热声压信号给砝码体积测量腔体。通过测量空腔的声压比 R0 和放入参考砝码与被测砝码的声压比 R 和 Rr，得到被测砝码相对于参考砝码的体积比值。由于参考砝码的体积已知，从而计算得到被测砝码的体积，装置的实物图，

如图 2 所示。