衡器的发展 第1节 1 度量衡在中国源远流长 是众多古代文明奇葩中的一支 具体地讲 度量衡是三种不同含义的计量 度 是指长度测量 量 是指容积测量 衡 是指质量测量 度量衡伴随着人类的生产 交易活动而产生 因此 度量衡的发展忠实地映射出人类文明发展的过程 一 衡器的发展简史 2 现今已经出土的天平和砝码 最早可以追溯到夏代 证明我国在夏代就知道利用杠杆原理制造衡器了 这就是衡器的祖先 人们把秤和天平叫做 衡 衡器 把砝码叫做 权 西周 公元前1046年一公元前771年 时的青铜器上发现有 金十寽 音虑 金十匀 等铭文 金 就是铜 寽 和 匀 是古代的质量单位 由此判断那时已用 金 作为交易的等价物且予以测量 二 夏商周时期出现利用杠杆原理制成的衡器 3 众所周知 秦始皇以 车同轨 书同文 权同轻重 统一了度量衡 这一制度被沿袭下来 赋予衡器公正 清廉 严明的象征 对历代衡器发展影响深远 秦及以后的铜权如图所示 和今天所用的秤砣相似 三 秦始皇统一度量衡 制度为历朝沿袭 4 新中国衡器经历了机械化 电子化和现代化三大阶段的演变与发展 据1952年的统计 全国已经建立了l5个国营衡器厂 私营作坊有2379家 又经过十来年的发展 在24个省 市建立了大型专业衡器厂 衡器步入了机械化生产的阶段 但是 多年以来 人们都是利用杠杆等机械原理制造衡器 技术上没有太大突破 20世纪六七十年代 我国开始了电子衡器的研制 电子衡器用传感器将质量转化为电信号 再用仪表显示出来 是称重技术的一次革命 衡器产品不再局限于简单的品种与功能 形成了一个多品种多系列的产品大家族 改革开放以来 电子衡器在我国得到普及和高速发展 制造电子衡器的厂家达到数百家 20世纪末 电子衡器已在中国担当主角 衡器进入了电子化时代 四 新中国衡器生产 5 进入21世纪 衡器制造业迈入了工业化和信息化相互融合的发展道路 这也是现代衡器发展的重要标志 中国衡器企业林林总总近千家 具有一定规模的衡器企业也有数十家 他们采用先进的设计技术 先进的制造设备 先进的材料与器件 进行着衡器现代化的生产 更可喜的是有越来越多的中国衡器企业使用着自主技术设计 生产衡器 为了维护贸易的公平性与公正性 衡器被纳入国家重点管理的计量器具目录 列入目录的衡器实行法制性的首次检定和周期检定 现在 中国有能力制造衡器大家族中的各种衡器 称重技术水平日渐与国际接轨 两化融合有力地促进着中国衡器工业由制造大国向制造强国转变 6 衡器的工作原理与分类 第2节 7 传统意义上的衡器是指利用作用在物体上的重力测定质量的计量器具 如天平 计价秤 汽车衡 皮带秤 吊秤 轨道衡 定量包装机 配料系统等 广义的衡器泛指利用各种原理的所有能够测定物体质量的装置以及可以测定与质量有函数关系的相关量值的设备装置 如计数秤 水分测定仪 密度仪 铁路偏载或飞机重心监测分析仪 物料高度检测仪 起重安全警示器等 它们都是衡器大家族中的产品 质量是物体的一种重要基本属性 它是物体惯性和引力大小的量度 衡器使用的质量单位是国家法定计量单位 例如 kg 千克 g 克 mg 毫克 g 微克 t 吨 对于特殊应用 如宝石贸易 可以用米制克拉 1ct 0 29 作为衡器的计量单位 一 衡器的概念和工作原理 1 衡器的概念 8 国际法制计量组织 OIML 1992年公布的衡器的定义为 利用作用在物体上的重力来确定该物体质量的计量仪器 该仪器也可用来确定作为质量函数的其它量值 数值 参数或特征 称之为衡器 根据国家标准GB T14250 1993对衡器的定义 利用作用在物体上的重力等各种称量原理 确定质量或作为质量函数的其它量值 数值 参数或特征的一种计量仪器 衡器是质量计量仪器的简称 也就是主要用于确定物体质量的一种计量仪器 9 现代衡器的测量量限之比可以达到1015的量级 向下可以精准到微克级 向上可以计量千吨级 例如 最大称量为20g的天平 可以准确到1 g 甚至0 1 g 电子计价秤最大称量一般是3kg或15kg 其精度分别为1g或5g 电子吊秤最大称量由数百克到数百吨 汽车衡称量为30 300t 矿用 钢铁厂中的轨道衡可以称量800t的铁液 图2 1 图2 4分别是汽车衡 隔热式电子吊秤 电子计价秤和微量天平的外观图 图2 1电子汽车衡 图2 2隔热式电子吊秤 10 图2 3电子计价秤 图2 4微量天平 11 2 质量 衡器计量的对象是物体或物质的质量 衡器计量类属质量计量 质量是自然界中最基本 最主要 最常用的一个物理量 质量的计量单位 千克 上国际单位制SI中7个基本单位之一 清楚地了解质量的概念是衡器计量的最基本要求 质量的计量单位是千克 符号是kg 它等于国际千克原器的质量 国际千克原器保存在法国巴黎国际计量局 它用90 铂和10 铱的铂铱合金制成 几何形状是高和直径均为39mm的圆柱体 国际千克原器是国际单位制中7个SI基本单位中 惟一仍在使用的实物基准 质量的特点 质量是物体固有的一种属性 对确定的物体其质量值是一个恒定不变的标量 12 3 杠杆 凡是受到外力作用后 能绕着一个固定点转动的物体称为杠杆 杠杆可以是直杆 也可以是曲杆或其他形式 支点 杠杆绕其转动的固定点O 重点 被动力的作用点A 力点 主动力的作用点B 支点到外力作用线的垂直距离称为杠杆的臂 支点到重点的垂直距离称为重臂 AO 支点到力点的垂直距离称为力臂 OB a b A B O W P 13 杠杆两臂之比称为臂比 一般用重臂与力臂之比称为臂比 臂比 重臂 力臂习惯上 将力臂与重臂之比称为杠杆的传力比 根据支点 重点和力点在杠杆中的位置不同 杠杆可分为三类 第一类杠杆 支点位于重点和力点之间的杠杆 第二类杠杆 重点位于支点和力点之间的杠杆 第三类杠杆 力点位于支点和重点之间的杠杆 14 大多数衡器均采用力学原理制成 如杠杆原理 弹性原理 液压原理等 除此之外 还可应用各种物理现象的压电效应 电磁效应来测量物体的质量 还有利用射线衰减效应制造的核子皮带秤等 4 衡器称重原理及方法 15 3 1杠杆原理 绝大多数的机械式衡器都是根据杠杆原理制成的 如图所示 o为杠杆支点 A为杠杆重点 La和Lb表示两臂长 m1为已知砝码的质量 m为被称量物体的质量 16 根据杠杆平衡原理 当杠杆平衡时 作用于杠杆上的力对支点的合力矩等于0 其平衡方程式为mgLa m1gLb由于杠杆两端重力加速度g相等 故式上式可写成m mo由此得到被称物体的质量 17 3 2弹性组件变形原理 弹性组件变形原理的理论依据是虎克定律 即在弹性限度内 弹性物体的变形量与产生此变形量的外力成正比 L KF式中 F 作用在弹簧上的外力 L 弹簧的伸长量 K 比例系数 取决于弹簧材料的弹性系数 弹性组件的的形式很多 弹簧秤的弹性组件是弹簧 称重传感器中还常用应变片 应变丝作为敏感组件 下面分析弹簧秤的工作原理 设不衡量物体时 弹簧秤弹簧长度为Lo 将质量为m的物体挂在弹簧秤的小钩上 弹簧秤在物体的重力W mg作用下由Lo拉长到L 弹簧伸长后产生弹力 弹力与物体重量相相平衡时 固定在弹簧上的指针停止在标牌的某刻度处 根据胡克定律可知 L Lo KW或 L Kmg上式表明 弹性组件变形量的大小与物体的重力成正比 通过测量被秤量物体作用于弹性组件上的变形量 可实现物体的质量计量 18 3 3力 电电转换原理 力电转换原理是通过力 电转换组件将作用于其上的被测物体的重力按一定的函数关系转换为电量 电压 电流 频率等 输出 然后用测量显示仪表将被测物体的质量显示出来 由力 电转换组件构成的衡器称为电子衡器 电子衡器通常由称重传感器 显示仪表和承重传力系统构成 称重传感器是电子衡器的核心 根据力 电转换组件的不同形式 常用的称重传感器形式有电阻应变式称重传感器 电容式称重传感器 压电式称重传感器等 19 3 4液压原理 利用液体压力传递的性质 根据液面平衡 压强相等原理 衡量得出质量的大小 利用液压原理制成的液压秤并不多见 20 3 5称重的测量方法 称重的方法有直接称量和间接称量两种 1 直接称量通过用称量结果直接与标准量比较而得到检测结果的方法 称为直接称量 如用机械天平称量物体质量时 就是将被测质量与标准砝码进行比较 由天平直接给出被测质量值 21 2 间接称量把被测质量变换成与被测质量有函数关系的其他量 再去与标准量比较而得到检测结果的方法 称为间接称量 如电子秤一般是先由传感器将力信号转变成电信号 再经过与标准砝码标定过的检测电路进行比较后给出被测质量值 如图所示 载荷 承载器 称重传感器组件 电子测量转换器 显示器 功能键盘 在电子衡器的传感器中 使用最多的是电阻应变式传感器 通常方法是测量弹性体在物体重力作用下产生的形变 通过应变计将形变转换为电信号 再经过称重仪表测量并最终显示物体的质量 其他测量弹性体形变的方法还有电容法 电感法 差动变压器法 谐振法等多种方法 作为高准确度测量 电子秤大多采用电磁平衡力的方法 电子衡器工作原理图 22 用来测量质量 重量 的器具有上百种 其测量原理 用途和使用环境各不相同 因而可以从不同角度来进行分类 因此分类的方法很多 以下仅列出常遇到的几种 1 按法制管理目录分类由计量法所规定的法制管理目录 可将衡器划分为强制性管理衡器和非强制管理衡器两大类 在我国 凡是用于公众贸易结算的衡器 均列人强制性管理目录进行法制管理 须取得计量器具制造许可方能进行销售和使用 而且在使用中还要定期接受计量管理部门的计量性能检定和监督 2 按用途分类按照衡器的用途 可大体分为以下若干类别 1 商业用衡器 如计价秤 邮资秤 标签零售秤 商用案秤 商用台秤等 2 工业用衡器 如吊秤 汽车衡 轨道衡 配料秤 定量包装秤 液体灌装秤 钢包秤 钢材秤 分检秤 皮带秤 转子秤等 3 医用衡器 如婴儿秤 病床秤 透析用秤等 4 实验室用衡器 如精密分析天平 实验室天平等 5 家庭用衡器 如厨房用秤 体重秤 手掌 秤等 4 衡器的分类 23 轨道衡 定量包装秤 配料秤 液体灌装秤 钢包秤 钢材秤 24 上面所列的计价秤 邮资秤 标签零售秤 汽车衡 轨道衡 配料秤 定量包装秤 分检秤 厨房用秤 体重秤 婴儿秤 病床秤等衡器的命名都是很明确地联系到它们的具体用途 而案秤 台秤 见下图 吊秤 皮带秤 见下图 转子秤等的命名则是另一种构思 来源于它们的外观或样式 台秤 皮带秤 25 3 按结构分类 1 机械衡器如弹簧度盘秤 杠杆式天平 台秤 案秤 地中衡等 机械衡器称重是基于静力或力矩平衡原理 称 出的是物体的质量 弹簧度盘秤除外 2 电子衡器随着科技发展 各类衡器产品都广泛应用了电子技术 电子衡器的发展日新月异 使用称重传感器的电子秤 是将重力值转换为电量 称 出的是物体的重量 结果与测量处的重力加速度有关 4 按称重状态分类 1 静态衡器如天平 台秤 案秤等 2 动态衡器如皮带秤 分检秤 自动轨道衡 公路超载预检用的汽车衡等 26 5 按称重原理分类 1 根据力平衡或力矩平衡原理制作的衡器 如天平 杠杆秤 机械秤等 2 根据胡克弹性原理制作的衡器 几乎包含了所有物理原理 如应用电阻应变计 电容法 电感法 电磁法 压电法 光学法 电磁力补偿法 振弦 谐振音叉 谐振 声表面波等方法制作的衡器 3 利用其他物理原理测量物体质量的仪器 如液压秤 质谱仪 陀螺式测力装置 核子皮带秤等 6 按操作方式分类根据衡器的操作方式的不同 把衡器分为非自动衡器和自动衡器两类 1 非自动衡器非自动衡器 又称非自动秤 它是指在称量过程中需要人员操作 例如向承载器加放或卸去载荷或取得称量结果 的秤 对此类秤的指示或打印的称量结果均用 示值 一词来表述 是可以直接观察的 目前制造和使用的衡器95 以上是属于非自动衡器 27 2 自动衡器自动衡器 是指在称量过程中无需操作者干预就可获得称量结果的衡器 例如皮带秤 自动定量秤 电磁吸盘吊秤及自动轨道衡等 非自动秤可以是自动指示的和非自动指示的 非自动指示秤是指完全靠人员操作来取得。