衡器计量培训讲义

衡器計量培訓講義第一章 概述一、衡器的概念國際法制計量組織（OIML ）1992年公布的衡器的定義為：“利用作用在物體上的重力來確定該物體質量的計量儀器（該儀器也可用來確定作為質量函數的其他量值、數值、參數或特征）稱之為衡器”。

根據國家標准GB/T14250—1993對衡器的定義：“利用作用在物體上的重力等各種稱量原理，確定質量或作為質量函數的其他量值、數值、參數或特征的一種計量儀器”。

二、衡器的發展簡史衡器名稱由來可溯源於“度量衡”一詞。

所謂“度量衡”，通常是指：用各種尺子測量物體的長短，稱之為“度”；用各種容器（斗、升和量杯等）測量物體的容積稱之為“量”；用各種秤測量物體的質量稱之為“衡”。

據《辭海》解釋：“測長短之器度；測大小之器為量；測輕重之器為衡”。

這裏的“衡”就是指衡器。

第二章 衡器計量基礎知識第一節 質量和重量一、質量衡器計量的對象是物體或物質的質量，衡器計量類屬質量計量。

質量是自然界中最基本、最主要、最常用的一個物理量，質量的計量單位“千克”上國際單位制SI 中7個基本單位之一。

清楚地了解質量的概念是衡器計量的最基本要求。

（一）引力質量引力質量的理論依據是牛頓萬有引力場的源泉，都能産生引力場，同時也都受到別的物體産生的引力場的作用。

物體的這一屬性稱為引力質量，它是通過著名的牛頓萬有引力定律表現出來的。

不考慮物體幾何形狀和體積大小而將其質量集中於一點的物體稱為質點，則牛頓萬有引力定律告訴我們：具有質量分別為m1和m2且相隔距離的R 的任意兩個質點之間的力，是沿著連接該兩質點的直線而作用的吸引力。

其大小為F=G 2^21R m m （1—1） 式中：m1,m2——分別為質點（物體）1和質點（物體）2的引力質量（kg ）； R ——為兩質點間的距離（m ）；G ——比例係數（萬有引力常數），G=6.6720×1011 Nm 2/kg 2；F ——兩質點間的相互引力（N ）。

需要說明的是萬有引力F 是個矢量，兩個質點之間的引力是一對作用力和反作用力。

若假定質點1對質點2的引力方向為正，則質點2對質點1的引力方向為負。

即兩個物體間的引力大小相等，方向相反。

式（1—1）說明，兩質點間萬有引力大小與它們質量乘積成正比。

由此可以看出，引力質量是質點間引力大小的量度。

式（1—1）是對兩個質點而言的。

如果要確定有一定大小的物體（而不是質點）之間的引力時，就要將每個物體分成許多個質點，然後用積分計算所有質點之間的引力。

但假如兩物體的大小同它們之間的距離相比微不足道時（比如地球和太陽），則它們通常就可以被看做上質點。

萬有引力定律無形中還包含這樣一個事實，即兩質點之間的引力大小與其他物體的存在或所在空間的性質無關。

絕大多數衡器計量所得被測物體的質量為引力質量。

（二）慣性質量慣性質量的理論依據是牛頓第二定律。

在日常生活中人們發現，運動員在賽跑時，要從疾跑中停下來需要一定的時間，這是因為物體具有慣性。

另外，用同樣大小的力作用於不同物體時，會産生不同的效果。

比如，一個人推動一輛自行車非常容易，要想推動一輛汽車顯得非常難，這個例子給我們一個定性回答，即同樣的力施加在不同的物體上所産生的加速度不相同，這是因為它們的質量不同。

牛頓第二定律解釋了上述現象。

力、加速度和質量之間的關係為F=ma （1—2）式中：F——物體所受的合外力（N）；a——物體受力後所獲得的加速度（m/s2）；m——物體的質量，即慣性質量（kg）。

由式（1—2）可見，在慣性系統中，物體的加速度與作用在物體上的合外力成正比，與該物體的慣性質量成反比。

物體質量是物體的一種屬性，對於不同質量的物體，在相同外力作用下，質量大的物體所産生的加速度小；反之，質量小的物體所産生的加速度大。

或者說質量小的物體慣性小，質量大的物體慣性越大。

慣性質量描述了物體慣性大小的量度。

（三）質量的定義引力質量和慣性質量是從不同的物理現象引入的，因而從概念上講是不同的。

大量的科學實驗證明，在實驗的准確度範圍內，任何物體的引力質量的量值和其慣性質量的量值都相等，只是它們反映了同一物體的兩種不同的屬性。

因此，在我們的實際生活和工作中也就沒有必要嚴格區分物體的質量究竟是引力質量還是慣性質量，而統稱為質量。

從而得出質量的定義：質量是物體固有的一種物理屬性，它既是物體慣性大小的量度，又是物體産生引力大小的量度。

質量的計量單位是千克，符號是kg，它等於國際千克原器的質量。

國際千克原器保存在法國巴黎國際計量局，它用90%鉑和10%銥的鉑銥合金制成，幾何形狀是高和直徑均為39mm的圓柱體。

國際千克原器是國際單位制中7個SI基本單位中，惟一仍在使用的實物基准。

質量的特點：質量是物體固有的一種屬性，對確定的物體其質量值是一個恒定不變的標量。

二、重量、重力物體的重量就是物體重力的大小，數值等於質量值與重力加速度值的乘積。

（一）重力根據牛頓萬有引力定律，位於地球表面及其附近的任何物體，都要受到來自地球中心的引力作用。

此外，由於地球在不停地自轉，除兩極外，這些物體還要受到慣性離心力的作用，兩者的矢量和就是物體所受的重力。

物體的重力就是地球對物體的萬有引力與該物體隨地球自轉而引起的作用在物體上的慣性離心力的矢量和。

物體在重力場中受重力作用。

根據牛頓第二定律可知，自由下落的物體在重力場作用下必將獲得加速度，我們通常把這個加速度稱為重力加速度。

如果物體的重力加速度和物體的質量已知，我們就可以通過牛頓第二定律求出物體的重力。

其數學表達式為W=mg式中：W——物體的重力；m——物體的質量；g——重力加速度。

重力是一種力，因此它具有力的三要素，即力的大小、方向及作用點。

物體的重力方向與加速度方向相同，總是垂直於地面。

（二）重量的概念物體所受重力的大小稱不重量。

因此物體的重量等於物體的質量乘以重力加速度，即W=mg式中：W——物體的重力（N）；m——物體的質量（m）；g——重力加速度（m/s2）。

重力加速度是在重力的作用下物體落向地面的加速度。

由於地球是一個近似球體，地表的高低不平，地球各處的地質結構不同，地殼的變形，地球轉軸的擺動和轉速的變化，其他天體對地球引力的變化以及地球表面的大氣潮和海洋潮變化的影響等，地球各點的重力加速度值是不同的、變化的，儘管這種變化可能是相當緩慢和微小的。

因此，重力加速度是一個變量，隨地理位置、海拔高度、氣象條件的變化而變化。

人們將物體在北緯45°海平面測得的重力加速度稱為標=9.80665 m/s2準重力加速度，即gn重量實質是個力值的概念，且隨著重力加速度的不同而變化，重量的計量單位是牛[頓]，符號為N。

三、質量和重量的區別通過對質量與重量的討論可知，質量和重量是兩個完全不同的物理量。

1．定義不同質量是物體所固有的一種物理屬性，是物體慣性大小和引力大小的量度；重量則表示物體所受重力的大小，其值等於物體的質量與重力加速度的乘積。

2．計量單位不同質量的計量單位千克（符號kg）是SI基本單位，而重量的計量單位則是牛頓（符號N），是SI導出單位。

3．特點不同在物體運動速度遠遠小於光速時，質量是一個恒定不變的量；重量則是一個力的概念，其值大小隨地理位置、海拔高度等因素而發生變化。

第二節衡量原理衡量，是通過衡器來確定物體的質量的過程。

例如，用電子計價秤稱量商品的質量，用台秤稱量進出廠物料的質量等。

衡量有時也稱為“稱量”。

衡量的方式有很多種，按其衡量原理分為杠杆原理、彈性元件變形原理、液壓原理和力—電轉換原理。

一、杠杆原理絕大多數的機械式衡器都是根據杠杆原理制成的。

如圖1—29所示，o 為杠杆支點，A為杠杆重點，La和Lb表示兩臂長，m o為已知砝碼的質量，m為被稱量物體的質量。

根據杠杆平衡原理：當杠杆平衡時，作用於杠杆上的力對支點的合力矩等於0。

其平衡方程式為mgLa=m ogLb由於杠杆兩端重力加速度g相等，故式上式可寫成Lbm=m oLa由此得到被稱物體的質量。

二、彈性元件變形原理彈性元件變形原理的理論依據是虎克定律，即在彈性限度內，彈性物體的變形量與産生此變形量的外力成正比。

△L=KF式中：F——作用在彈簧上的外力；△L——彈簧的伸長量；K——比例係數（取決於彈簧材料的彈性係數）。

彈性元件的的形式很多，彈簧秤的彈性元件是彈簧；稱重傳感器中還常用應變片、應變絲作為敏感元件。

下面分析彈簧秤的工作原理。

圖1—30所示為彈簧秤結構示意圖。

設不衡量物體時，彈簧秤彈簧長度為Lo，將質量為m的物體挂在彈簧秤的小鉤上，彈簧秤在物體的重力W=mg作用下由Lo拉長到L，彈簧伸長後産生彈力，彈力與物體重量相相平衡時，固定在彈簧上的指針停止在標牌的某刻度處。

根據胡克定律可知：L—Lo=KW或△L=Kmg=K´m (1—31)式(1—31)表明，彈性元件變形量的大小與物體的重力成正比。

通過測量被秤量物體作用於彈性元件上的變形量，可實現物體的質量計量。

三、力—電電轉換原理力電轉換原理是通過力—電轉換元件將作用於其上的被測物體的重力按一定的函數關係轉換為電量（電壓、電流、頻率等）輸出，然後用測量顯示儀表將被測物體的質量顯示出來。

由力—電轉換元件構成的衡器稱為電子衡器。

電子衡器通常由稱重傳感器、顯示儀表和承重傳力系統構成。

稱重傳感器是電子衡器的核心，根據力—電轉換元件的不同形式，常用的稱重傳感器形式有電阻應變式稱重傳感器、電容式稱重傳感器、壓電式稱重傳感器等。

四、液壓原理利用液體壓力傳遞的性質，根據液面平衡、壓強相等原理，衡量得出質量的大小。

利用液壓原理製成的液壓秤並不多見。

第三節衡器的分類衡器的種類繁多，其分類方法也不盡相同。

本節介紹幾種常見的衡器分類方法。

一、按操作方式分類根據衡器的操作不同，把衡器分為非自動衡器和自動衡器兩類（見下表）。

衡器分類表1．非自動動衡器非自動衡器，又稱非自動秤，它是指在稱量過程中需要人員操作（例如向承載器加放或卸去載荷或取得結果）的秤。

對此類秤的指示或列印的稱量結果均用“示值”一詞來表述，是可以直接觀察的。

目前製造和使用的衡器95%以上屬於非自動衡器。

2．自動衡器自動衡器，是指在稱量過程中無需操作者干預就可獲得稱量結果的衡器，例如皮帶秤、自動定量秤、電磁吸盤吊秤及自動軌道等。

非自動秤可以是自動指示的和非自動指示的。

非自動指示秤是指完全靠人員員操作來取得平衡位置的秤。

主要包括各種機械杠杆秤，如移動式的案秤、台秤；固定式的地秤、機械吊秤等。

需要靠操作者向承重板上加、卸載茶荷以及移動遊鉈或加放增鉈才能得到稱量結果。

自動指示秤是指無人人操作即可取得平衡位置和稱量結果的秤。

例如電子計價秤、電子汽車秤、度盤秤等，只要操作者將重物加放在秤盤或承重台上，衡器再無需人員操作，便能自動達到平衡，並將稱量結果指示出來。

這裏需要說明的是自動衡器和自動指示秤是兩個不同的概念，不能將自動指示秤誤認為自動衡器。