重力加速度對衡器稱重性能影響的探討

衡器是使用的最廣泛的計量器具，由于衡器涉及到貿易結算，直接關系到消費者的切身利益。因此，人們對衡器的稱重性能比較關注，研究表明，影響衡器稱重性能的因素很多很復雜，除了器具本身之外，重力加速度對衡器稱重性能的影響，也不容忽視，本文就這一問題進行初步探討。

1 基本概念和基本原理

在地面附近由于重力作用而獲得的加速度，用符號g表示，各地的大小除了與該地區的地質構造有關外，主要取決于該地區在地球上所處的緯度位置和海拔高度，我國大陸所處為北緯18度至北緯55度，因此，重力加速度值大體上是從南向北遞增的。質量是指物體所含物質的多少。重量即重力，是指物體的質量與重力加速度的體積；特別是一個物體的標準重量是該物體的質量與標準重力加速度的乘積。稱量是指利用在物體上的重力來確定物體質量的過程。

2 重力加速度對衡器稱重性能的影響

利用不同的稱重原理制成的衡器，其稱重性能受重力加速度的影響是不同的。

（1）機械杠桿衡器，其結果與重力加速度無關，可直接稱得物體的質量，因此對于機械杠桿衡器來說，一經校準好，就可在任何地方使用，不因地區重力加速度的不同而影響稱重性能。

（2）液壓秤。被稱物體的質量與重力加速度無關，可直接稱得物體的質量，其稱重性能不受重力加速度影響。

（3）彈簧秤。當彈簧秤未稱物體時，彈簧的變形量為0，當彈簧秤稱重時，設該物體質量為m，此地區重力加速度為g，所受重力為W=mg，彈簧被拉長變形量為△L，根據虎克定律，其平衡時有下式成立W=K[?]△L。由此可以看出，彈簧的變形量與重力加速度成正比，其值隨著使用地的重力加速度的不同而改變。

（4）電子秤。以采用電阻應變式稱重傳感器制造的電子計價秤為例，當質量為m的重物作用在傳感器上時，由于重力mg的作用，傳感器彈性體產生彎曲變形，電阻應變片隨著彈性體的彎曲變形也相應地發生拉伸彎曲變形，從而使電阻應變片阻值發生變化，造成橋路失衡，輸出一個電壓[△ч0]對于任意類型的電阻應變片傳感器，其輸出電壓[△ч0]。均正比于外部作用力，即：[△ч0=C?W=C?mg]。從上式可知，[△ч0]經過電路處理后，可按重量數值顯示出來，因此，其稱重結果，反映了一定質量的物體所受重力的大小，其量值與重力加速度有關，以這種原理制造的衡器在某地校準好后，拿到另一地區使用時，應付地產生地區差，這是由于兩地重力加速度不同造成的。

以上討論了重力加速度對各類衡器稱重性能的影響，那么這種影響，究竟有多大？會造成怎樣的后果呢？

彈簧的變形量△L和橋電路輸出電壓[△ч0]均與重力加速度g值成正比，如果一臺在廣州校準好的電子計價秤（比如最大秤量為15kg）或者彈簧秤，拿到本溪地區使用，由于廣州和本溪重力加速度相差0.15%，其示值將變為15×（1+0.15%）=15.02205=15.022（kg），即使不計算秤本身的誤差，僅由重力加速度變化引起的誤差就達0.15%。因此，對于彈簧秤來說，無法根據重力加速度的不同來修正，其誤差遠不到Ⅲ級秤的準確度要求，這就限制了它的制造和使用；對于電子秤來說，由于可以通過微處理器或其它方法對重力加速度不同引起的誤差進行修正，這就使得電子秤可在任何地區使用。

3 重力加速度引起誤差的修正

電子秤在計量過程中，把由力傳感器輸入的正比于被稱物體重量信號放大后，經A/D轉換成數字信號送入微處理器，對讀入的數字量作標度變換，然后，把相應的重量值顯示出來。我們可在電壓放大和標度變換這兩個環節對誤差進行修正。由于調整電壓放大的方法，麻煩且變動性較大，目前已不再使用，在修正誤差時，首先要知道修正值的大小，修正值如下式所示：[C=m（g1-g2）/g1]

式中：[C]為修正值（kg）；[m]為檢定時施加的標準砝碼質量（kg）；[g1]為電子秤使用地區的重力加速度值（m/s2）；[g2]為電子秤檢定地區的重力加速度值（m/s2）。

在標度變換時，微處理器讀入一個數字量，例如27950，如果它代表了15kg的重量值，就可以把該數乘以某一系數K，使得27950×K=15（kg）。

若取K=5.3667×10-4就有：

27950×（5.3667×10-4）=14.9999=15kg

由于稱重系統是線性系統，所以系數K對任何輸入的數值都適用。

通過對系數K的修改，可改變示值的大小，這樣就可完成誤差修正。電子秤常用兩種方法設置系數K。一種是用一組撥動開關DSW1、DSW2，當撥動開關處于不同的狀態時（ON或OFF），就輸進了一組二進制數，改變開關狀態，改變了K值的大小。修正時，配合使用標準器，經過幾次反復，便可修正誤差。另一種是用砝碼標定的方法獲得系數K在秤上放置一定質量的標準砝碼，再輸入砝碼質量值，CPU通過運算會自動獲得系數K，并保存用此方法一般一次可完成誤差修正。

對于彈簧秤由于重力加速度不同產生的誤差，應在秤使用地點變更時，隨時進行檢定并及時調整，減少和消除誤差。