探討重力加速度對(duì)力學(xué)計(jì)量器具精準(zhǔn)性的影響

姚彬

（菏澤市產(chǎn)品檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，山東 菏澤 274000）

力學(xué)計(jì)量器具是平時(shí)生活中較為常見(jiàn)的器材，在運(yùn)用該器具進(jìn)行實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，其測(cè)量結(jié)果往往與重力加速度有著密切的聯(lián)系，而世界上各個(gè)區(qū)域的重力加速度值并不是完全統(tǒng)一，具體數(shù)值會(huì)隨著各個(gè)地方維度、海拔等數(shù)值的變化而變化，表現(xiàn)出十分顯著的地域差異性特征。因此，可以看出重力加速度會(huì)對(duì)力學(xué)計(jì)量器材測(cè)量的精準(zhǔn)性產(chǎn)生較大影響。正確認(rèn)識(shí)到重力加速度對(duì)力學(xué)計(jì)量器具測(cè)量精準(zhǔn)性的影響，分析與制定切實(shí)可行的改善策略，最大程度降低重力加速度數(shù)值變化帶來(lái)的誤差范圍，這對(duì)于提高力學(xué)計(jì)量器具實(shí)際測(cè)量精準(zhǔn)性有著十分重要的作用。本文重點(diǎn)分析了重力的概念，歸納和總結(jié)了重力加速度和力學(xué)計(jì)量器具的關(guān)聯(lián)關(guān)系，探究了重力加速度對(duì)力學(xué)計(jì)量器具測(cè)量精準(zhǔn)性的影響，并給予了相應(yīng)的處理對(duì)策，為進(jìn)一步提高力學(xué)計(jì)量器具精準(zhǔn)性提供幫助。

1 重力的概念

重力通常表示為由地球引力作用導(dǎo)致的指向地心的一種力，其實(shí)際數(shù)值大小會(huì)隨著物體質(zhì)量的增加而增大。一般來(lái)說(shuō)，物體重量表示為物體承受重力的大小。根據(jù)牛頓第二定律可以得知，物體的實(shí)際重力可以通過(guò)物體質(zhì)量與該區(qū)域的重力加速度相乘計(jì)算得出，然而各個(gè)區(qū)域的重力加速度會(huì)隨著該區(qū)域海拔、緯度以及地徑等多方面因素的影響，并不是恒定不變的，從而可以得知，即便是同一個(gè)物體，在不同區(qū)域其重力數(shù)值是不相同的。因?yàn)橹亓铀俣仍诓煌S度、不同海拔以及不同地徑條件下會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，假使測(cè)量區(qū)域不相同，即便是同一質(zhì)量的兩個(gè)物體，其重力也會(huì)不相同。依照計(jì)算公式g=9.80665×（1-0.00265cos2ψ）/（1+2h/R），從上述公式中可以看出，重力加速度會(huì)隨著地區(qū)緯度ψ 值的增大而變大，同時(shí)會(huì)隨著區(qū)域海拔高度h 的提高而減小，即重力加速度正比于地區(qū)溫度，反比于地區(qū)海拔高度。

2 力學(xué)計(jì)量器具的測(cè)量原理分析

在進(jìn)行力的測(cè)量時(shí)，可以通過(guò)多種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，依照重力的概念，一般將力的測(cè)量方法概括為兩種，分別是力的“靜力效應(yīng)”以及力的“動(dòng)力效應(yīng)”。

2.1 依托于力的動(dòng)力效應(yīng)測(cè)量力值

力的動(dòng)力效應(yīng)一般表示為基于某個(gè)已知物體在地球重力場(chǎng)中的重力加速度數(shù)值與質(zhì)量數(shù)值來(lái)計(jì)量力的大小。由此可以看出，要想有效測(cè)定力值大小，必須要先準(zhǔn)確獲取待測(cè)定物體的質(zhì)量和其擁有的加速度。所有物體均處于地球重力場(chǎng)中，在地球引力的作用下會(huì)產(chǎn)生重力加速度，人們便將該力稱之為“重力”。所以，可以使用某個(gè)已知質(zhì)量的物體在地球重力場(chǎng)中的重力來(lái)測(cè)量力值，或者將重力擴(kuò)大后，依托于力的平衡比較來(lái)測(cè)量力值。這種方式便是依托于力的動(dòng)力效應(yīng)測(cè)量力值大小的原理。像杠桿式與液壓式標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力機(jī)、機(jī)械杠桿秤以及天平等計(jì)量器具均是基于上述原理進(jìn)行力值測(cè)量的。

從本質(zhì)上來(lái)看，該標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力機(jī)就是一個(gè)放大的不等臂天平，而液壓式標(biāo)準(zhǔn)機(jī)則于此存在較大不同，其是依托于帕斯卡原理實(shí)現(xiàn)力值測(cè)量的，然而不管是哪種標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力機(jī)，其均是將已知砝碼的重力擴(kuò)大之后，再作用到被檢測(cè)力儀上，再依托于對(duì)比的方式，對(duì)被檢測(cè)力儀進(jìn)行示值定度。

2.2 依托于力的靜力效應(yīng)測(cè)量力值

力的靜力效應(yīng)一般表示為物體在出現(xiàn)形變的同時(shí)，內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)一種應(yīng)力，導(dǎo)致物體表面產(chǎn)生一定的物理特征變化。在依托于這種原理進(jìn)行力值大小測(cè)量時(shí)，其工作方式主要涵蓋了以下2 種形式。

（1）依托于某些彈性元件變形進(jìn)行力值大小測(cè)量。以這種方式進(jìn)行力值測(cè)量的力學(xué)計(jì)量器具類(lèi)型較多，常見(jiàn)的有彈性式百分表、彈性式壓力表以及標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀等。在利用這類(lèi)力學(xué)計(jì)量器具進(jìn)行力值測(cè)量時(shí)，在被測(cè)量力的作用下，計(jì)量器具中的彈性元件會(huì)發(fā)生相應(yīng)的形變，然后依照形變的具體大小，獲得被測(cè)量力值的大小。

（2）通過(guò)結(jié)合部分物理效應(yīng)的不同類(lèi)型力傳感器進(jìn)行力值大小的測(cè)量。以這種方式進(jìn)行力值測(cè)量的力學(xué)計(jì)量器具類(lèi)型也比較多，比如說(shuō)數(shù)字壓力表，在力傳感器中，當(dāng)施加被測(cè)力時(shí)，應(yīng)變片會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的改變，緊接著將該改變變化為電容、電阻等物理特征輸出，最后對(duì)電路進(jìn)行測(cè)量，以此來(lái)得到被測(cè)力值的大小。以數(shù)字壓力表為例進(jìn)行說(shuō)明，當(dāng)被測(cè)力施加到數(shù)字壓力表上之后，壓力接口會(huì)將信息傳送給傳感器感應(yīng)模塊中，之后傳感器放大感應(yīng)信號(hào)，同時(shí)開(kāi)展V/A 轉(zhuǎn)化，然而發(fā)送到CPU 進(jìn)行處理，最后顯示出測(cè)定數(shù)值。通常情況下，數(shù)字壓力表基于重力標(biāo)定，能夠顯示壓強(qiáng)數(shù)值，當(dāng)測(cè)量地發(fā)生變化時(shí)，由于重力加速度的改變，當(dāng)確保施加壓力數(shù)值不改變時(shí)，數(shù)字壓力表顯示出的數(shù)值也是不同的，由此可以看出，重力加速度會(huì)對(duì)實(shí)際測(cè)量精準(zhǔn)性產(chǎn)生較大影響。

值得注意的是，依托于力的靜力效應(yīng)進(jìn)行力值大小測(cè)量時(shí)，重力加速度均會(huì)對(duì)最終測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。我國(guó)幅員遼闊，緯度跨度十分大，同時(shí)不同區(qū)域的海拔變化也非常大，進(jìn)而導(dǎo)致重力加速度在不同區(qū)域差異較為明顯。?？谂c漠河位于我國(guó)的最南端與最北端，其維度差異了32°，重力加速度改變幅度為0.27%。拉薩的海拔高度達(dá)到了3650m，漠河海拔高度為600m，兩者海拔高度相差了大約3000m，重力加速度改變幅度為0.31%，可以看出變化幅度還是非常大的，會(huì)對(duì)力值測(cè)量精準(zhǔn)性產(chǎn)生較大影響。同一個(gè)力學(xué)計(jì)量器具，在某個(gè)地方進(jìn)行力值測(cè)量能夠得到準(zhǔn)確的結(jié)果，然而到另一個(gè)地方測(cè)量可能會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。另外，我國(guó)不同城市的重力加速度也有著較大區(qū)別，各個(gè)城市具體重力加速度值如表1 所示，也會(huì)對(duì)力學(xué)計(jì)量精準(zhǔn)性產(chǎn)生較大影響。

表1 我國(guó)不同城市重力加速度數(shù)值

3 重力加速度對(duì)力學(xué)計(jì)量器具精準(zhǔn)性的影響

3.1 影響

當(dāng)重力加速度發(fā)生變化時(shí)，對(duì)力學(xué)計(jì)量器具的測(cè)量結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，難以充分保障力值測(cè)量的精準(zhǔn)性，然而這種影響產(chǎn)生的誤差大小也是高低不等。力學(xué)計(jì)量器具測(cè)量中存在一個(gè)誤差標(biāo)準(zhǔn)界定，當(dāng)重力加速度的變化幅度dg/g 不大于5×104，則測(cè)量結(jié)果是位于合理誤差范圍內(nèi)的，力學(xué)計(jì)量器具在出廠檢定中不要求考慮重力加速度的影響。比如說(shuō)上海生產(chǎn)制造的數(shù)字壓力表，在上海本區(qū)域內(nèi)銷(xiāo)售與應(yīng)用時(shí)，數(shù)字壓力表只需要進(jìn)行一般的出廠檢驗(yàn)即可，達(dá)到相應(yīng)的精準(zhǔn)度要求便可進(jìn)入市場(chǎng)銷(xiāo)售。反之，因?yàn)橹亓铀俣茸兓慨a(chǎn)生的誤差值已經(jīng)超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)誤差范圍時(shí)，力學(xué)計(jì)量器具在發(fā)送到實(shí)際應(yīng)用地方之后，應(yīng)當(dāng)要進(jìn)行二次校準(zhǔn)，保證力學(xué)計(jì)量器具的精準(zhǔn)性和使用區(qū)域相匹配。例如，廣州區(qū)域產(chǎn)的電子秤，在接受一系列出廠檢定之后，精準(zhǔn)性達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，最大示值為3kg，分度值為1g，精準(zhǔn)等級(jí)達(dá)到了III 級(jí)，允許的最大誤差為1.5g。當(dāng)將該電子秤拿到沈陽(yáng)使用時(shí)，依照理論分析與計(jì)算，最大示值和顯示值之間存在不對(duì)等現(xiàn)象，從而造成重力加速度引發(fā)的誤差偏大，電子秤的實(shí)際測(cè)量精準(zhǔn)性不高，需要進(jìn)行二次校準(zhǔn)。

3.2 應(yīng)對(duì)方法

從上文分析可以看出，重力加速度變化會(huì)對(duì)力學(xué)計(jì)量器具精準(zhǔn)性產(chǎn)生較大影響，為了有效避免這種原因?qū)е碌牧χ禍y(cè)量誤差，應(yīng)當(dāng)要采取相應(yīng)的措施給予改善，具體可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行。

（1）從力學(xué)計(jì)量器具生產(chǎn)廠家視角來(lái)看，在進(jìn)行力學(xué)計(jì)量器具設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的同時(shí)，可以匹配專業(yè)軟件進(jìn)行重力誤差補(bǔ)償，當(dāng)力學(xué)計(jì)量器具運(yùn)輸?shù)狡渌麉^(qū)域之后，企業(yè)工作人員只需要通過(guò)后臺(tái)將該區(qū)域的重力加速度數(shù)值輸入進(jìn)去，依托于單片機(jī)進(jìn)行自動(dòng)處理，就能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程力學(xué)計(jì)量器具自動(dòng)校準(zhǔn)。

（2）在力學(xué)計(jì)量器具中，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃好一組二進(jìn)制開(kāi)關(guān)，同時(shí)調(diào)整開(kāi)關(guān)處于適宜狀態(tài)，之后調(diào)整放大倍數(shù)，進(jìn)而能夠修正重力加速度改變引發(fā)的測(cè)量誤差，也可以使用電位器實(shí)現(xiàn)對(duì)力學(xué)計(jì)量器具的調(diào)整。

（3）借助于自動(dòng)標(biāo)定方法的使用，平衡因?yàn)橹亓铀俣雀淖儺a(chǎn)生的測(cè)量誤差。力學(xué)計(jì)量器具在實(shí)際應(yīng)用前，將標(biāo)準(zhǔn)器放入其中，緊接著依托于鍵盤(pán)對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整與改進(jìn)，在進(jìn)行相關(guān)微處理以后，確保力學(xué)計(jì)量器具上顯示的數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)器標(biāo)稱值相同。

（4）力學(xué)計(jì)量器具生產(chǎn)企業(yè)在實(shí)際進(jìn)行生產(chǎn)制造過(guò)程中，可以事先根據(jù)力學(xué)計(jì)量器具的實(shí)際使用調(diào)整好相關(guān)參數(shù)，消除因?yàn)橹亓铀俣茸兓斐傻牧χ禍y(cè)量誤差。例如，在廣州地區(qū)制造的示值為3000g 的電子秤，如果該電子秤需要發(fā)送到沈陽(yáng)使用，生產(chǎn)企業(yè)可以在出廠前對(duì)電子秤進(jìn)行調(diào)節(jié)，將3003.7g 標(biāo)準(zhǔn)砝碼設(shè)置為3000g，從而確保電子秤在沈陽(yáng)地區(qū)使用能夠具有較高的精準(zhǔn)性。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，力學(xué)計(jì)量器具在生產(chǎn)制造、檢驗(yàn)以及應(yīng)用過(guò)程中，均會(huì)受到重力加速度的影響。所以，在開(kāi)發(fā)新的力學(xué)計(jì)量器具時(shí)，應(yīng)當(dāng)要充分意識(shí)到重力加速度對(duì)力學(xué)計(jì)量器具精準(zhǔn)性的影響，采用科學(xué)的應(yīng)對(duì)方案，最大程度降低重力加速度對(duì)力值測(cè)量結(jié)果的影響，從而確保力學(xué)測(cè)量器具擁有較高的精準(zhǔn)性。