機械天平測量結果的相關研究

陸 英

（廣西計量檢測研究院，廣西 南寧530007）

0 前言

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

1 機械天平及測量準確性

機械天平在人們生活中是比較常見的，它被廣泛地應用在很多領域當中，比如醫療衛生業、工農業生產中以及科研領域等。機械天平是一種利用杠桿平衡原理進行物質質量測量的儀器，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到萬分之一克，并且使用要求也比較高，使用時需要在環境條件高的地方進行操作，否則計量就不能達到理想的效果。

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

2 影響機械天平測量準確性的因素分析

2.1 影響天平穩定性的因素

雖然機械天平在人們的生活中使用廣泛，但是它的計量準確性一直是人們所關注的問題，因為天平本身的靈敏性較高，所以它的計量準確性很容易受到各種因素的影響。機械天平的穩定性是天平計量準確的一個重要的保障，天平的穩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。而能夠影響天平穩定性的關鍵因素就是橫梁的重心位置，如果橫梁的重心在支點的下方，則天平穩定性較好，但假如橫梁重心在支點上方或與之重合，則天平的穩定性較差。關于天平的穩定性，有人做過實驗，實驗內容是選擇不同的橫梁重心來測量物體，最后發現橫梁重心在支點下方的合理處測量的準確性最高。不過實驗結果還發現，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的橫梁重心[2]。

2.2 影響天平不等臂性的因素

機械天平等臂是天平測量準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果不準，但是在天平的實際使用過程中，影響天平不等臂的因素也很多，其中溫度就是一個非常關鍵的因素。有人做過實驗研究，實驗內容為：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，從而導致右臂力矩增長，如果使天平達到平衡的話就需要在天平左盤多加入一定的物質。這個實驗說明了如果當天平的一側臂受熱，就會影響天平測量的準確性。所以在使用機械天平時，需要注意一些小細節、小問題[2]。

2.3 影響天平靈敏性的因素

天平靈敏性是機械天平計量準確性的一個重要指標，它是指機械天平察覺秤盤上物質質量改變的能力。然而，影響天平靈敏性的因素也有很多，有人發現經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該是一樣的，對此有人做了研究，發現雖然理論上載荷是不會影響機械天平的靈敏度，但是實際上是不存在這種天平的，因為不同載荷下橫梁和刀子產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生很大的影響，實驗表明橫梁重心越低，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性，需要同時考慮天平平穩性和靈敏度兩個因素。總之，機械天平的靈敏性是由三把刀刃位置決定，所以在天平實際使用過程中，可以根據實際情況調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一物體時，多次開關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確性。這些因素主要包含了天平橫梁的結構因素和環境因素，其中天平橫梁結構因素主要體現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。而環境因素主要體現在內溫度波動、氣流、震動方面，而且環境不潔凈也是一個重要的環境因素。

3 機械天平不確定度評定

由于影響機械天平計量準確性的因素很多，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果相聯系的參數。而對于機械天平不確定度的評定有很多要求，比如說評定環境溫度需要保持在18℃～23℃，而且環境相對濕度要小于75%；同時，測量的標準設備為F1等級標準砝碼，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等級標準砝碼檢定機械天平的分度值，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稱值的標準砝碼，得到兩者之間的差值；再次，每次檢定進行1次測量作為被測機械掛碼的測量結果[3]。

在天平實際測量過程中，天平測量的不確定度主要來源于以下方面：第一，來源標準砝碼的不確定度，標準砝碼的引入和砝碼質量的不穩定性都會產生不確定度；第二，標準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生于測量的重復性、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、磁效應以及偏心度也會產生不確定度，但因為天平分度在檢定時進行實時標定，所以就忽略不計了。

4 提高機械天平測量準確性的方法

要想提高機械天平測量的準確性，就需要從影響天平計量準確性的因素入手。所以說提高天平計量準確性的方法主要體現在兩個方面：其一，消除環境因素造成的測量誤差，主要可以從控制室溫穩定、降低室內空氣流動、保持空氣清潔度以及降低環境的震動方面入手；其二，消除天平結構因素造成的誤差。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?？傊?，就是要盡可能地消除影響天平測量準確性的因素，把這些影響因素的效應降到最低[3]。

5 結語

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

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

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

［3］臧洪濤.關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.