力学计量是指通过科学方法和仪器对物体的力学性质进行测量的过程，其依托国家计量装置为基准，对各种场合下的力值及物理量进行测量和标定。力学计量在制造业中的应用非常普遍，在航空航天、国防工业、智能控制、交通建筑等领域都有较大的需求，对于国家经济发展具有重大意义 [1] 。现代科技产业对力值的需求如 图1 所示。随着工业生产的持续发展，力学计量在众多领域都得到了广泛应用。目前，力标准机按其原理和结构主要可以分为静重式力标准机、杠杆式力标准机、液压式力标准机、叠加式力标准机以及复合式力标准机。其中液压式力标准机以其较大的测量范围和便携性而受到关注，有效地补充了静重式和杠杆式力标准机在体积、成本、加载速度以及效率方面的不足。

在建筑、航空航天等现代制造领域，常常需要对大力值、变化力值等复杂力值系统进行计量。然而在施加大力值的过程中，液压式力标准机可能会因油缸泄露而导致力值输出的示值波动，从而影响测量的准确性。这推动了新型计量技术和仪器的创新和发展，有关大力值液压式力标准机的研究不断推进。目前，对于液压式力标准机的大力值计量研究主要聚焦在两个方面：硬件结构的优化和控制方法的优化。

液压式力标准机的工作原理是基于力的动力效应和帕斯卡原理。液压式力标准机采用间接加载方式，利用两个底面积不等的油缸活塞系统放大具有精确质量的砝码重力，使砝码的重力被还原在待检测力仪上。液压式力标准机的主要依靠帕斯卡原理传递力值。帕斯卡原理描述了液体在容器中的均匀传递压力的原理。其公式如式1所示：

$P=\frac{F}{A}$ (1)

式中：P是液体的压力，F是作用在液体上的力，A是力作用的面积。如 图2 所示的液压式力标准机原理图，其核心组成部分是加荷缸塞3和比例缸塞6两个系统。

工作过程中，标准砝码的重力作用在比例活塞上，使比例油缸内的液体产生压力。这个压力通过油管传导至加荷油缸。由于加荷活塞和比例活塞的面积不同，相同的压力在面积较大的加荷活塞上产生更大的力，从而实现力的放大。最终，放大后的力被传递到待测力仪上进行测量。

Table 1. Domestic and international partial force value hydraulic force standard machine [2] - [6]

表1. 国内和国际上的部分大力值液压式力标准机 [2] - [6]

在大力值计量领域，液压式力标准机相比于杠杆式和静重式力标准机具有优势。首先，其传递比优于杠杆式标准力源的杠杆比，使得在有限空间内能够实现更大范围的力值测量。其次，与静重式力标准机相比，液压式力标准机避免了大质量砝码堆叠带来的安全隐患和操作困难，同时大大减少了对场地和设备的要求。此外，液压式力标准机具有更高的灵活性和效率，能够快速实现不同力值的加载和卸载，特别适合大力值范围内的连续测量和校准工作。目前国内和国际上的部分大力值液压式力标准机力值范围和不确定度如表1所示。

然而，在施加大力值的过程中，液压式力标准机可能会因油缸泄露而导致力值输出波动，从而影响大力值计量的准确性。这些问题也成为了当前研究的重点之一，推动着液压式力标准机技术的不断进步和完善。

对于大力值液压式力标准机的硬件研究主要集中在两个方面，机械结构的优化和大力值传感器的引入。机械结构的优化包括使用高强度材料、改进密封结构等，以提高力标准机的承载能力和稳定性。新增传感器则可以实现对更大力值的精确测量和控制，同时提高系统的安全性和可靠性。这些硬件研究的成果将进一步推动大力值液压式力标准机在工业领域的应用，并促进相关领域的发展和进步。

在液压式力标准机中，控制系统起着至关重要的作用，它主要负责控制液压系统的压力、流量和油缸的伸缩，以实现对被测力的精确控制。现有的力标准机多采用电气控制系统，通过传感器实时监测被测力和输出力的情况，并反馈给控制系统。控制系统根据设定的控制策略和算法，自动调节液压系统的工作参数，以实现对被测力的精确控制。自动控制具有精度高、稳定性好等优点，适用于需要长时间稳定工作或高精度控制的场合。

在目前的工业控制中，PID控制是一种常用的控制算法，用于自动控制系统中对被控对象进行控制。PID控制算法的名称源自其三个控制参数：比例(Proportional)、积分(Integral)、微分(Derivative)。PID控制算法通过比例、积分和微分三个部分的组合，可以实现对被控对象的快速响应、稳定性和抗干扰能力的优化控制。其控制过程图如 图6 所示。

路军华等 [19] 在原有的PID算法上改良，得出智能PID控制和模糊控制相结合的控制算法，采用分段控制的方式，实现了对小活塞不同阶段的精确控制，有效改善了示值准确度。Kumme [3] 采用电容位移传感器和高分辨率控制电路对液压系统的所有组件进行监控，可以消除温度的变换对放大系数的影响，并通过控制算法实现硬件设计与控制算法的配合，最小化压力平衡油路中的油量，使其压力损失可以忽略不计，其控制系统如 图7 所示。

虞跃凌 [20] 等人在嵌入式系统上实现了力标准机砝码加卸载系统的设计，避免了砝码加卸载过程中的“逆程”现象，并扩展了测量点，提高了仪器工作效率。

对与仪器组件的高分辨率监控，进一步提高了力标准机的控制精度和效率。如何防止“逆程”现象也是控制算法的研究关键 [2] 。

综合以上研究进展，大力值液压式力标准机优化路线如 图8 所示。

硬件优化和传感器技术的发展为解决液压系统泄露导致的力值输出波动等问题提供了有效途径。在硬件方面，通过采用新型加载活塞杠系统、无阻尼静压油缸系统等结构优化方案，可以显著提高大力值力标准机的稳定性和控制精度。同时，引入力值参考传感器系统、数字化压力传感器等新型传感器技术，可以实现对更大力值的精确测量和控制，进一步提高了系统的安全性和可靠性。在控制方法方面，智能PID控制和模糊控制相结合的算法、电容位移传感器监控和嵌入式系统设计等技术的应用，有效改善了示值准确度和控制效率，提升了仪器的性能和可靠性。

展望未来，随着工业制造和科技进步的推动，大力值液压式力标准机在工业领域的应用将继续扩展。未来的大力值液压式力标准机可以通过引入高性能材料、先进的密封技术和精密的传感器，可以实现对更大力值的精确测量和控制。同时，大力值液压式力标准机将更加注重自动化和智能化技术的应用。通过引入先进的控制算法和人机交互界面，可以实现对被测力的自动控制和调节，提高工作效率和准确性。人工智能和深度学习的快速发展也可以为大力值液压式力标准机的设计和维护带来新的解决方案 [21] 。

论文得到了国家市场监督管理总局科技计划项目(项目编号：2020MK190)资助。