談談影響電子天平精密度的因素

作為非常重要的測量儀器，隨著現代電子技術的迅速發展，天平電子不斷完善，有逐步取代機械天平之勢。如今已廣泛應用于生產、科研、貿易等領域及日常生活中。但是，如果使用不正確，會產生較大的測量誤差。目前檢定的主要技術依據為國家標準《JJG 1036－2008電子天平檢定規程》。本文從電子天平的原理出發，分析產生測量誤差的幾個主要來源及消除方法。

一 工作原理

圖1中，物體加載時，被稱物體質量m使電磁力平衡傳感器的可動部分發生位移，光電檢測電路把位移量轉變為電壓信號輸出，該電壓信號經PLD調節與驅動，變成與被稱物體質量成正比的電流I并流經電磁力平衡傳感器的動圈，載流動圈在永磁體的磁場作用下，將產生向上的力E使電磁力平衡傳感器的可動部分向上位移，直到可動部分回到初始平衡位置。此時，動圈在電流If與永磁體磁場共同作用下產生的力F與被稱物體的重力G相當，傳感器處于平衡狀態。此時有F=G，即：BLI sinθ=mg。

式中，B為永磁體中的磁感應強度；L為動圈的導線長度；g為重力加速度。θ為通電導體與磁場的夾角。

由于設計好的傳感器，其感應線圈的規格尺寸已固定，所以其B、L均不再改變，而未90°，故sinθ=1。

因此，根據上式，有：m=BLI1g。

式中，即為電子分析天平質量計量的數學模型。

電子分析天平計量精密，準確度要求高。但稱量過程容易受到重力加速度、溫度、讀數時間、電磁波、電源波動、外界振動等高低頻噪聲干擾。使得天平的稱量準確度和穩定性受到影響。

二 影響精密度的因素

1．重力加速度的因素

電子天平主要采用電磁力平衡傳感器實現被測質量向重力再向電流信號的轉換，其測量結果與重力加速度密切相關。而重力加速度的大小與天平使用地點的緯度、海拔高度、地殼密度、地下水變化等諸多因素有關，因此電子天平必須根據天平的使用地點實施重力加速度補償。

例如，在一樓用200g的砝碼對電子天平進行校準，稱量結果為199.9994g。因此可見，重力加速度隨使用地點的變化而變化，因此，電子天平必須具有隨地、隨時進行自校準與自補償功能。式中，永磁體的磁感應強度B和動圈有效長度L是固定的，傳感器輸出電流I通過放大電路和A/D轉換，可準確測得。如果被測質量m已知且準確度高于電子天平的準確度，則可通過對已知標準質量m的稱量，依據公式獲得當地、當時的準確g值。該標準質量即校正砝碼的質量。

2．溫度的影響

電磁力平衡傳感器的溫度變化主要來源于環境溫度的變化和過流元件的發熱。電子天平的基本工作原理是平衡，一旦失衡，應利用電磁力將天平重新拉回平衡。這個電磁力與流經線圈中的電流相對應，電流的變化與稱量物體質量的變化成正比。當天平處于預熱階段時，隨著內部溫度升高，磁通B會逐漸下降，同時電流I也會減小，這樣就導致電磁力F變小，天平失去平衡，示值會呈現正方向漂移，所以電子天平在稱量前要充分預熱，只有經過充分預熱，使磁鋼達到熱平衡，這一變化過程結束，天平才達到平衡。再利用置零、去皮功能，使顯示置零，此時天平才處于真正可用狀態。

為了減少電子器件，如變壓器、橋式整流器、三端直流穩壓集成電路等發熱器件影響，新一代的電子天平已將主要發熱器件——變壓器移到天平的外部，成為一個獨立部分。對于實際分度值為1μg的微量和超微量的天平，都是將稱量室與電子部分分成兩個獨立的部分。其目的是為了減少熱噪聲對傳感器的熱影響，以便更穩定地準確地稱量。另外，電子天平通常都沒有類似家用電器的電源開關。只要給天平通電，即使顯示器上無顯示，天平也處于預熱狀態。天平上的ON/OFF鍵只是開關顯示器，因此，經常稱量的天平不必拔掉電源，尤其是高準確度天平。在條件許可的情況下，長期不斷電可保持天平始終處于預熱狀態。對于實際分度值d達到0.01mg的微量和超微量電子天平，則需要預熱24h以上。對于使用中的天平，預熱時間可適當減少。當顯示上的示值不再呈現單方向漂移時，置零或去皮后即可進行稱量。

另外，溫度的變化也會導致電子天平靈敏度的漂移，從而產生測量偏差。靈敏度的溫度系數＝2.5×10-6/℃，說明溫度每變化1℃，靈敏度即變化0.00025%。如果稱量100g的物體，當環境變化5℃時，產生的最大誤差為2.5×10-6×5×100=1.25（mg）。因此，當環境溫度變化較大時，應對電子天平進行校準，以保證稱量結果的準確。

三 時間的影響

1．存放時間

天平在檢定室的存放時間對天平檢定結果的影響是不可忽視的。當天平搬動換新的環境時，應存放至少24h以上，使天平內部的機械機構達到一定的平衡，也使天平整機及稱室的溫度與環境溫度相平衡時，才能使用。

2．預熱時間

天平的預熱時間是保證天平示值穩定的關鍵。預熱時間的長短除與天平的檢定分度值和檢定分度數有關外，還與各廠家的天平性能有關。規程第十八條規定天平檢定前應預熱0.5h以上，但0.5h以上多長的預熱時間比較合適？這就要根據各天平使用說明書上的要求。同時天平的預熱時間和天平的精度有密切關系，一般情況下，天平精度越高，預熱時間越長。在達到說明書規定的預熱時間后，天平才可開始檢定。

電子天平的正確維護和使用，對稱量是否準確影響很大，要保障其良好的外部使用環境，如恒溫、無氣流振動等。目前，雖

然電子天平對電壓波動有一定的抗干擾性，但如果電壓波動較大，為保證天平的精度還需配穩壓器。此外，在使用前進行充分預熱，并經常進行校準，才能保障高精密度的稱量。

3．讀數時間

天平示值穩定與否一般有規定的符號在顯示屏上指示。當示值穩定時，穩定指示燈（或符號）亮起或不穩定燈（或符號）消失。穩定的范圍一般都是分檔可調，穩定范圍的設置與顯示屏上出現的穩定示值時間成反比。天平從加載到穩定實際上是一個振蕩平衡的過程（見圖2）。

當振蕩波形的振幅逐漸減小，達到原先設定的穩定范圍時，顯示屏上即顯示出穩定的符號（或不穩定符號消失）。但實際上，此時天平仍未完全穩定，還要經過一段時間才能逐漸趨于穩定。這段時間的長短與原來天平所設定的穩定范圍有關，也和天平的檢定分度值有關。為此，檢定天平時讀數示值的時間一般不在穩定符號出現（或不穩定符號消失）后即進行讀數，這對分度值較小和微量天平、超微量天平的檢定更為重要。天平按出廠時設定的穩定范圍，當實際分度值≥1mg時，在穩定符號出現或不穩定符號消失后各延長3s讀數比較合適，對實際分度值等于0.1mg的天平，延長5s讀數比較合適，而對實際分度值≤0.01mg的天平，則延長10s～30s讀數比較合適，讀數時注意每次間隔時間相同。

4．預壓

天平在停止工作一段時間后可能進入休眠狀態，為使天平盡快進入工作狀態，檢定前最好用砝碼多次加載，否則天平進程示值與回程示值之差將明顯增大。加載時不必在意稱量結果和回零情況。

總之，從事天平使用的工作人員，在操作時考慮和做到以上幾方面，可有效地提高稱量準確度，延長天平的使用年限，保證檢測工作的質量。

〔責任編輯：王以富〕