影響機(jī)械天平計(jì)量性能因素探討

歸曉華

【摘要】影響機(jī)械天平計(jì)量性能因素很多，主要表現(xiàn)在其穩(wěn)定性、靈敏性、正確性以及示值不變性。本文闡述了天平的基本含義以及分類，并對天平的性能、影響機(jī)械天平計(jì)量性能的主要因素以及影響天平計(jì)量性能原因分析和處理辦法進(jìn)行淺析。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械天平;計(jì)量性能;影響因素;處理辦法

1.天平的含義及其分類

天平在我們的日常生活中隨處可見，其利用杠桿原理能夠確定被測物體的質(zhì)量。但天平并不是在任何時(shí)候都能保證其測量結(jié)果的精準(zhǔn)，它的正常使用必須滿足一定的計(jì)量要求。從廣義上講，天平包括電子天平、單盤不等臂機(jī)械天平以及機(jī)械天平3類。

從狹義上講，天平是依據(jù)等臂杠桿原理確定被測物體質(zhì)量的一種工具，即所謂的雙盤等臂天平。雙盤等臂天平根據(jù)其組成結(jié)構(gòu)分為架天平、微分標(biāo)牌天平和普通標(biāo)牌天平3種，按其用途分為普通天平、精密天平、分析天平以及檢定天平4類。

2.天平的計(jì)量性能

天平的基本計(jì)量性能主要包括示值不變性、正確性、靈敏性以及穩(wěn)定性。天平的示值不變性主要表現(xiàn)在多次測量一個(gè)物體的測量結(jié)果是保持不變的，其靈敏性主要體現(xiàn)在天平秤盤上物體質(zhì)量發(fā)生微小變化時(shí)便能迅速作出反應(yīng)，另外，若其受到干擾又自動擺至平衡位置的性能體現(xiàn)了其穩(wěn)定性。

2.1 天平的穩(wěn)定性

天平的穩(wěn)定性是指天平在受到外界干擾后失去原來的平衡位置，但經(jīng)過自身調(diào)節(jié)可以回到平衡位置的性能。天平的穩(wěn)定性就是衡量天平平衡重要指標(biāo)。天平衡梁的重心位置直接影響著天平的穩(wěn)定性。

一般情況下，衡梁的重心在天平支點(diǎn)的下方，但不是越低越好，衡梁重心過低會對天平的靈敏性造成一定的影響。反之，若衡梁的重心在支點(diǎn)的上方或與支點(diǎn)重合，會降低天平的穩(wěn)定性。因此，我們要定期對天平進(jìn)行計(jì)量檢定，如正確性、靈敏性等。

2.2 天平的靈敏性

天平的靈敏性主要是指天平對被測物體質(zhì)量的變化作為應(yīng)有的反應(yīng)，也是指天平對秤盤上物體質(zhì)量變化的覺察能力。通常情況下，天平的靈敏度具有某些確定的量值。即天平平衡后，在秤盤上加載單位砝碼時(shí)，相應(yīng)標(biāo)牌上指針移動的距離。我們將指針尖端的角位移或線位移與單位砝碼的質(zhì)量之比稱為天平的靈敏度。

由此可知，天平的靈敏度與被測物體的質(zhì)量無關(guān)，它與單位砝碼的質(zhì)量引起的指針尖端的位移量有關(guān)。天平指針尖端偏移越大，天平的靈敏度越高。但天平標(biāo)牌上的分度數(shù)與單位砝碼質(zhì)量有關(guān)，因此單位砝碼質(zhì)量越小，天平的靈敏度越高。

2.3 天平的示值不變性

天平的示值不變性主要體現(xiàn)在保持天平原有狀態(tài)的基礎(chǔ)上多次開啟天平，使天平在相同的條件下，再現(xiàn)其平衡位置。對于同一物體經(jīng)多次測量所得結(jié)果可靠程度一致是天平示值不變性的特點(diǎn)。

經(jīng)多次測量所得結(jié)果變動性越小，越表明天平示值不變性好。反之則表明該天平的示值不變性較差。天平的示值不變性除與衡梁有關(guān)外，還與天平稱重重心有關(guān)，尤其是靜電、震動、氣流、溫差、操作情況以及三刀的調(diào)整狀態(tài)有關(guān)。

2.4 天平的不等臂性

天平的不等臂性通常又稱之為天平的正確性，是用來衡量天平兩臂之間的長度比是否具有固定關(guān)系。對于等臂天平而言，衡梁兩臂之間長度比應(yīng)是1：1，符合一定的要求。

若衡梁兩臂在長度上存在一定的偏差，勢必會造成天平的測量誤差，造成測量結(jié)果失準(zhǔn)。另外，隨著被測物質(zhì)量的不斷增加，不等臂造成的誤差也隨之加大。但對于不等臂天平而言，其不存在不等臂誤差。

對于等臂天平而言，測量質(zhì)量相同的砝碼，在理論上天平保持平衡，但在實(shí)際使用過程中難以保證天平兩臂絕對相等，因此即便是秤盤中砝碼質(zhì)量相等，也難以保證天平能返回到平衡位置，并且這種誤差會隨著砝碼質(zhì)量的不斷增加而加大。

3.影響機(jī)械天平計(jì)量性能的主要因素

在日常生活中，通常會不定期檢查天平的計(jì)量性能并及時(shí)作出調(diào)整，只有這樣才能保證天平具有最佳的測量狀態(tài)。但是經(jīng)過對天平結(jié)構(gòu)以及天平實(shí)質(zhì)的分析，才能更好的了解影響天平計(jì)量性能的主要因素。如升刀螺絲、水平調(diào)節(jié)螺絲以及重心砣等，雖然其功能不同，但其決定著天平的兩個(gè)重要因素：結(jié)構(gòu)因素和重心因素。

3.1 結(jié)構(gòu)因素

天平的結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在其支點(diǎn)和兩個(gè)力點(diǎn)之間的相對位置，它直接影響著天平的示值性和正確性，對天平的靈敏度和穩(wěn)定性有著決定性因素。通常情況下，我們將天平結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)力點(diǎn)和支點(diǎn)稱為影響其結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵點(diǎn)，它直接影響著天平的準(zhǔn)確性。力點(diǎn)和支點(diǎn)的不穩(wěn)定會造成天平結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)地，甚至?xí)绊懱炱接?jì)量性能。

3.2 重心因素

天平的重心因素一般指天平中點(diǎn)和重心點(diǎn)之間的相對位置，它關(guān)系著天平的靈敏性和穩(wěn)定性，甚至在一定程度上對天平的示值不變性和正確性帶來一定的影響。天平狀態(tài)分為穩(wěn)定狀態(tài)，隨遇平衡狀態(tài)和不穩(wěn)定狀態(tài)3種。若天平的重心不穩(wěn)，很難保證其穩(wěn)定狀態(tài)或隨遇平衡狀態(tài)。

穩(wěn)定或平衡狀態(tài)是指當(dāng)物體平衡時(shí)，天平的重心和支點(diǎn)保持重合，在這種狀態(tài)下，天平的力臂恒為零，但這是天平的理想狀態(tài)，在實(shí)際使用過程中很難實(shí)現(xiàn)，因此我們一般會最大限度縮短重心和支點(diǎn)之間的距離，以此接近天平的隨遇平衡狀態(tài)。不平衡狀態(tài)是指重物在到達(dá)平衡位置時(shí)物體重心在支點(diǎn)的上方。這樣的狀態(tài)就像蹺蹺板一樣，稍微受到外界干擾便會失去穩(wěn)定，進(jìn)而導(dǎo)致天平的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性將至最低，甚至不能進(jìn)行測量。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因是其天平的重心在支點(diǎn)以上。

3.3 影響機(jī)械天平計(jì)量性能的兩種主要因素要相互配合

調(diào)整天平計(jì)量性能要保證協(xié)調(diào)進(jìn)行、全面兼顧。處于最佳狀態(tài)下的天平，既要具有較高的靈敏度又要保證趨于平衡狀態(tài)，因此應(yīng)使其支點(diǎn)稍高于衡梁的重心，同時(shí)又低于兩力點(diǎn)的連線，這樣才能保證三點(diǎn)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

在測量物體時(shí)，衡梁因承載物體而發(fā)生彈性變形，從而使兩力點(diǎn)與支點(diǎn)趨于同一直線上，提高了天平的靈敏度。天平兩臂長度應(yīng)趨于數(shù)學(xué)比，才能從根本上確保天平測量值的正確性。其三刀刀刃極近平行，才能將力點(diǎn)與支點(diǎn)控制在最小范圍內(nèi)，保證天平的示值不變性。

4.影響天平計(jì)量性能原因分析和處理辦法

4.1 影響天平穩(wěn)定性的主要因素及處理辦法

影響天平停點(diǎn)慢的因素主要體現(xiàn)在兩方面：一方面是指針的長短，另一方面是衡梁重心的高低。因此在計(jì)量檢定時(shí)首先要檢定天平指針的長度是否滿足設(shè)計(jì)要求。若指針長度過長或過短要及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。若指針長度符合要求，就要檢測天平衡梁的重心，衡梁重心過高會延長停點(diǎn)的時(shí)間。因此在處理天平停點(diǎn)問題上要綜合考慮。

天平指針不搖擺。天平指針不管是全載或空載時(shí)都不搖擺，停止在任意位置。造成這種現(xiàn)象的主要原因一方面是可能指針和標(biāo)牌之間有摩擦，另一方面在天平支點(diǎn)和衡梁重心之間出現(xiàn)重合，這時(shí)要及時(shí)調(diào)整重心螺絲就可解決問題。

4.2 影響天平靈敏性的主要因素及處理辦法

重心過低或過高都會降低天平的靈敏性，這時(shí)可通過調(diào)整重心位置或更換器具來提高天平的靈敏性。周圍環(huán)境在一定程度上影響著天平的靈敏性，因此存放天平的環(huán)境不宜過于潮濕，應(yīng)選擇通風(fēng)干燥的環(huán)境，最好尋找窗口向北開放的位置。另外，天平周圍存放的熱源，如照明燈、烘箱、電爐、暖氣等，要保證和天平之間的距離，防止天平兩臂因受熱不均降低其靈敏度。

天平的零部件對在一定程度上影響著天平的正常使用，因此要定期檢查零部件的使用年限，避免因其零部件自身性能或安裝問題降低天平的靈敏度，進(jìn)而增大天平的測量誤差，影響其測量結(jié)果。在使用天平進(jìn)行測量時(shí)，要盡可能的消除平臺的震動對測量結(jié)果的影響，通常情況下，在天平放置平臺上裝設(shè)防震保護(hù)功能。

全載或空載靈敏度不一致，即吃線和離線。天平全載時(shí)的靈敏度高于空載時(shí)通常表現(xiàn)為吃線，全載靈敏度低于空載時(shí)通常表現(xiàn)為離線。一般情況下，可通過降低或升高三刃刀成平線來解決故障。因此天平兩臂的長度比是直接影響著天平的測量精度，這個(gè)比例直接決定著天平的測量誤差，其也是天平計(jì)量性能的重要指標(biāo)之一。

4.3 影響天平不等臂性的主要因素及處理辦法

要想保證天平具有良好的穩(wěn)定性和平衡性，必須具有正確固定的兩臂長度比。天平在進(jìn)行測量過程中，兩臂之間的長度比至關(guān)重要。影響天平不等臂性因素主要有應(yīng)力關(guān)系，溫度差以及材質(zhì)問題。

應(yīng)力關(guān)系。天平兩臂之間的長度比是由天平衡梁上刀刃間的距離決定的，而螺絲的位置直接關(guān)系著三把刀之間的位置。因此要想確保天平兩臂之間的長度比必須固定螺絲的位置。天平在長期的使用過程中，會受到自身或外界環(huán)境的變化，如螺絲的松緊、震動以及溫度的變化等，這些因素都會在一定程度上給天平造成損傷，甚至脫離原來的位置，從而造成天平不等臂現(xiàn)象，影響其測量誤差。

溫度差的影響。天平衡梁是金屬制品，其受熱不均或周圍環(huán)境發(fā)生變化會出現(xiàn)熱脹冷縮現(xiàn)象，進(jìn)而對天平測量造成誤差，不利于科學(xué)研究。

材質(zhì)問題。制造天平廠商因選擇不合格材質(zhì)，或零部件老化、安裝失誤等原因造成天平不等臂現(xiàn)象，進(jìn)而影響天平的測量誤差。

5.總結(jié)

要全面認(rèn)識影響機(jī)械天平性能的主要因素，才能保證在調(diào)整天平的過程中具有正確的方向。同時(shí)，要明確天平各機(jī)構(gòu)的的主要功能，以便能快速的調(diào)整好其計(jì)量性能。影響機(jī)械天平計(jì)量性能的因素很多，但各因素之間存在一定的聯(lián)系，因此在實(shí)際使用過程中，要根據(jù)具體情況，抓住影響其計(jì)量性能的主要因素，才能提升其使用價(jià)值，延長其使用壽命。

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