影響機械天平計量性能因素探討

歸曉華

【摘要】影響機械天平計量性能因素很多，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、影響機械天平計量性能的主要因素以及影響天平計量性能原因分析和處理辦法進行淺析。

【關鍵詞】機械天平;計量性能;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候都能保證其測量結(jié)果的精準，它的正常使用必須滿足一定的計量要求。從廣義上講，天平包括電子天平、單盤不等臂機械天平以及機械天平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、微分標牌天平和普通標牌天平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.天平的計量性能

天平的基本計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)生微小變化時便能迅速作出反應，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。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的上方或與支點重合，會降低天平的穩(wěn)定性。因此，我們要定期對天平進行計量檢定，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)量的變化作為應有的反應，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，相應標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，它與單位砝碼的質(zhì)量引起的指針尖端的位移量有關。天平指針尖端偏移越大，天平的靈敏度越高。但天平標牌上的分度數(shù)與單位砝碼質(zhì)量有關，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。

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外，還與天平稱重重心有關，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。

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系。對于等臂天平而言，衡梁兩臂之間長度比應是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。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.影響機械天平計量性能的主要因素

在日常生活中，通常會不定期檢查天平的計量性能并及時作出調(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)以及天平實質(zhì)的分析，才能更好的了解影響天平計量性能的主要因素。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)在其支點和兩個力點之間的相對位置，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)中的兩個力點和支點稱為影響其結(jié)構(gòu)的關鍵點，它直接影響著天平的準確性。力點和支點的不穩(wěn)定會造成天平結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)地，甚至會影響天平計量性能。

3.2 重心因素

天平的重心因素一般指天平中點和重心點之間的相對位置，它關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)是指當物體平衡時，天平的重心和支點保持重合，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)，在實際使用過程中很難實現(xiàn)，因此我們一般會最大限度縮短重心和支點之間的距離，以此接近天平的隨遇平衡狀態(tài)。不平衡狀態(tài)是指重物在到達平衡位置時物體重心在支點的上方。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，進而導致天平的準確性和穩(wěn)定性將至最低，甚至不能進行測量。導致這種現(xiàn)象的主要原因是其天平的重心在支點以上。

3.3 影響機械天平計量性能的兩種主要因素要相互配合

調(diào)整天平計量性能要保證協(xié)調(diào)進行、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)，因此應使其支點稍高于衡梁的重心，同時又低于兩力點的連線，這樣才能保證三點處于穩(wěn)定狀態(tài)。

在測量物體時，衡梁因承載物體而發(fā)生彈性變形，從而使兩力點與支點趨于同一直線上，提高了天平的靈敏度。天平兩臂長度應趨于數(shù)學比，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，才能將力點與支點控制在最小范圍內(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。因此在計量檢定時首先要檢定天平指針的長度是否滿足設計要求。若指針長度過長或過短要及時進行調(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的時間。因此在處理天平停點問題上要綜合考慮。

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牌之間有摩擦，另一方面在天平支點和衡梁重心之間出現(xiàn)重合，這時要及時調(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，應選擇通風干燥的環(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，進而增大天平的測量誤差，影響其測量結(jié)果。在使用天平進行測量時，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防震保護功能。

全載或空載靈敏度不一致，即吃線和離線。天平全載時的靈敏度高于空載時通常表現(xiàn)為吃線，全載靈敏度低于空載時通常表現(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，這個比例直接決定著天平的測量誤差，其也是天平計量性能的重要指標之一。

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。天平在進行測量過程中，兩臂之間的長度比至關重要。影響天平不等臂性因素主要有應力關系，溫度差以及材質(zhì)問題。

應力關系。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，進而對天平測量造成誤差，不利于科學研究。

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，進而影響天平的測量誤差。

5.總結(jié)

要全面認識影響機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，要明確天平各機構(gòu)的的主要功能，以便能快速的調(diào)整好其計量性能。影響機械天平計量性能的因素很多，但各因素之間存在一定的聯(lián)系，因此在實際使用過程中，要根據(jù)具體情況，抓住影響其計量性能的主要因素，才能提升其使用價值，延長其使用壽命。

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