機(jī)械天平測量結(jié)果的相關(guān)研究

陸 英

（廣西計量檢測研究院，廣西 南寧530007）

0 前言

機(jī)械天平的應(yīng)用給人們的生活和科學(xué)研究提供了很大的方便，但在實(shí)際使用過程中，通常天平測量結(jié)果的準(zhǔn)確性是一個要考慮的問題。機(jī)械天平是一個靈敏性比較高的計量工具，因此對使用環(huán)境有比較高的要求。實(shí)際應(yīng)用過程中有很多影響天平不穩(wěn)定、不等臂的因素，其中室內(nèi)溫度就是一個很關(guān)鍵的影響因素。為了提高機(jī)械天平計量的準(zhǔn)確性，很多研究人員加大了對機(jī)械天平計量不確定度的研究力度。

1 機(jī)械天平及測量準(zhǔn)確性

機(jī)械天平在人們生活中是比較常見的，它被廣泛地應(yīng)用在很多領(lǐng)域當(dāng)中，比如醫(yī)療衛(wèi)生業(yè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中以及科研領(lǐng)域等。機(jī)械天平是一種利用杠桿平衡原理進(jìn)行物質(zhì)質(zhì)量測量的儀器，它有很多種類，有靈敏性相對低的也有靈敏性較高的，靈敏性高的天平的計量值可以達(dá)到萬分之一克，并且使用要求也比較高，使用時需要在環(huán)境條件高的地方進(jìn)行操作，否則計量就不能達(dá)到理想的效果。

機(jī)械天平計量不確定度是用來衡量天平測量結(jié)果準(zhǔn)確性的一個物理量，一個天平的不確定度越小，它的測量能力越高，而且測量結(jié)果的可信度越高。不過在天平實(shí)際使用過程中，存在很多影響天平測量準(zhǔn)確性的因素，其中包括外部環(huán)境因素和天平本身的結(jié)構(gòu)性因素。因此，為了提高機(jī)械天平測量準(zhǔn)確性就需要不斷地消除這些影響因素[1]。

2 影響機(jī)械天平測量準(zhǔn)確性的因素分析

2.1 影響天平穩(wěn)定性的因素

雖然機(jī)械天平在人們的生活中使用廣泛，但是它的計量準(zhǔn)確性一直是人們所關(guān)注的問題，因?yàn)樘炱奖旧淼撵`敏性較高，所以它的計量準(zhǔn)確性很容易受到各種因素的影響。機(jī)械天平的穩(wěn)定性是天平計量準(zhǔn)確的一個重要的保障，天平的穩(wěn)定性主要是指天平橫梁受到擾動后,能夠回到初始平衡位置的能力。而能夠影響天平穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素就是橫梁的重心位置，如果橫梁的重心在支點(diǎn)的下方，則天平穩(wěn)定性較好，但假如橫梁重心在支點(diǎn)上方或與之重合，則天平的穩(wěn)定性較差。關(guān)于天平的穩(wěn)定性，有人做過實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是選擇不同的橫梁重心來測量物體，最后發(fā)現(xiàn)橫梁重心在支點(diǎn)下方的合理處測量的準(zhǔn)確性最高。不過實(shí)驗(yàn)結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，并不是橫梁重心越低越好，天平橫梁重心過低會影響天平的靈敏性，所以要選擇一個最恰當(dāng)?shù)臋M梁重心[2]。

2.2 影響天平不等臂性的因素

機(jī)械天平等臂是天平測量準(zhǔn)確性的一個重要的前提，如果天平不等臂就會造成天平測量結(jié)果不準(zhǔn)，但是在天平的實(shí)際使用過程中，影響天平不等臂的因素也很多，其中溫度就是一個非常關(guān)鍵的因素。有人做過實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為：在天平稱量物體時，天平的右臂受熱，這就使得右臂的溫度比左臂的高，從而導(dǎo)致右臂力矩增長，如果使天平達(dá)到平衡的話就需要在天平左盤多加入一定的物質(zhì)。這個實(shí)驗(yàn)說明了如果當(dāng)天平的一側(cè)臂受熱，就會影響天平測量的準(zhǔn)確性。所以在使用機(jī)械天平時，需要注意一些小細(xì)節(jié)、小問題[2]。

2.3 影響天平靈敏性的因素

天平靈敏性是機(jī)械天平計量準(zhǔn)確性的一個重要指標(biāo)，它是指機(jī)械天平察覺秤盤上物質(zhì)質(zhì)量改變的能力。然而，影響天平靈敏性的因素也有很多，有人發(fā)現(xiàn)經(jīng)過長時間使用的天平的空載時候和全盤載物時的靈敏度不一樣，正常情況兩種情形下的靈敏度應(yīng)該是一樣的，對此有人做了研究，發(fā)現(xiàn)雖然理論上載荷是不會影響機(jī)械天平的靈敏度，但是實(shí)際上是不存在這種天平的，因?yàn)椴煌d荷下橫梁和刀子產(chǎn)生的彈性形變是不一樣的，也使得三把刀刃不可能在同一水平面上，就是說靈敏度是隨著載荷的變化而變化的。另外，橫梁重心也會對天平的靈敏度產(chǎn)生很大的影響，實(shí)驗(yàn)表明橫梁重心越低，天平的靈敏度就越低。相反，橫梁重心越高，天平的靈敏度就越高，但必須保證天平擁有足夠的平穩(wěn)性，需要同時考慮天平平穩(wěn)性和靈敏度兩個因素?？傊?，機(jī)械天平的靈敏性是由三把刀刃位置決定，所以在天平實(shí)際使用過程中，可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整刀刃的位置來保證天平的靈敏度[2]。

2.4 影響天平示值變動性的因素

天平示值變動性也是決定天平計量準(zhǔn)確性的一個重要因素，而示值變動性具體指的是天平在稱量統(tǒng)一物體時，多次開關(guān)天平后天平平衡位置的重合能力。然而，在天平的使用過程中，依然有很多影響示值變動性的因素，從而影響了天平計量的準(zhǔn)確性。這些因素主要包含了天平橫梁的結(jié)構(gòu)因素和環(huán)境因素，其中天平橫梁結(jié)構(gòu)因素主要體現(xiàn)在三刀的平行性和平面性；還有就是刀盒的緊固程度、零部件的松動情況。而環(huán)境因素主要體現(xiàn)在內(nèi)溫度波動、氣流、震動方面，而且環(huán)境不潔凈也是一個重要的環(huán)境因素。

3 機(jī)械天平不確定度評定

由于影響機(jī)械天平計量準(zhǔn)確性的因素很多，所以引入了不確定度這一概念來衡量天平的測量誤差，不確定度是一個表征合理的賦予被測量之值的分散性與測量結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)。而對于機(jī)械天平不確定度的評定有很多要求，比如說評定環(huán)境溫度需要保持在18℃～23℃，而且環(huán)境相對濕度要小于75%；同時，測量的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備為F1等級標(biāo)準(zhǔn)砝碼，砝碼范圍為1mg～200g。另外，主要的測量方法和過程包括以下方面：首先，在檢定開始前要用F1等級標(biāo)準(zhǔn)砝碼檢定機(jī)械天平的分度值，測量天平的不等臂性誤差以及天平示值變動性；其次，通過單次替代稱量法，比較被測砝碼與相同標(biāo)稱值的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，得到兩者之間的差值；再次，每次檢定進(jìn)行1次測量作為被測機(jī)械掛碼的測量結(jié)果[3]。

在天平實(shí)際測量過程中，天平測量的不確定度主要來源于以下方面：第一，來源標(biāo)準(zhǔn)砝碼的不確定度，標(biāo)準(zhǔn)砝碼的引入和砝碼質(zhì)量的不穩(wěn)定性都會產(chǎn)生不確定度；第二，標(biāo)準(zhǔn)砝碼和被測砝碼之間的差值引入的不確定度，差值不確定度往往會產(chǎn)生于測量的重復(fù)性、天平的靈敏度以及天平的不等臂性等；第三，在檢定時，空氣浮力、磁效應(yīng)以及偏心度也會產(chǎn)生不確定度，但因?yàn)樘炱椒侄仍跈z定時進(jìn)行實(shí)時標(biāo)定，所以就忽略不計了。

4 提高機(jī)械天平測量準(zhǔn)確性的方法

要想提高機(jī)械天平測量的準(zhǔn)確性，就需要從影響天平計量準(zhǔn)確性的因素入手。所以說提高天平計量準(zhǔn)確性的方法主要體現(xiàn)在兩個方面：其一，消除環(huán)境因素造成的測量誤差，主要可以從控制室溫穩(wěn)定、降低室內(nèi)空氣流動、保持空氣清潔度以及降低環(huán)境的震動方面入手；其二，消除天平結(jié)構(gòu)因素造成的誤差。主要可以從控制天平橫梁重心與天平支點(diǎn)的位置、控制天平把刀刃的位置和三把刀平面性與平行性等方面入手。總之，就是要盡可能地消除影響天平測量準(zhǔn)確性的因素，把這些影響因素的效應(yīng)降到最低[3]。

5 結(jié)語

總而言之，機(jī)械天平在人們的生活中應(yīng)用比較廣泛，但同時對天平測量準(zhǔn)確性提出了一定要求，特別是一些科研機(jī)構(gòu)和高等教育機(jī)構(gòu)。所以要加強(qiáng)提高天平準(zhǔn)確性的研究工作，盡最大的努力來改善天平的稱量準(zhǔn)確性，其實(shí)就是如何消除影響機(jī)械天平測量準(zhǔn)確性的因素。

［1］周敏,陸金霞.機(jī)械天平的安裝、使用和維修保養(yǎng)[J].計量與測試技術(shù)，2012(03)：17-19.

［2］上海市計量測試技術(shù)研究院，編.常用測量不確定度評定方法及應(yīng)用實(shí)例[M].中國計量出版社,2011(07)：21-13.

［3］臧洪濤.關(guān)于天平的計量性能及故障處理的研究[J].黑龍江科技信息，2011(32)：12-15.