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衡器计量培训讲义第一章概述一、衡器的概念国际法制计量组织（OIML）1992年公布的衡器的定义为：“利用作用在物体上的重力来确定该物体质量的计量仪器（该仪器也可用来确定作为质量函数的其它量值、数值、参数或特征）称之为衡器”。根据国家标准GB/T14250—1993对衡器的定义：“利用作用在物体上的重力等各种称量原理，确定质量或作为质量函数的其它量值、数值、参数或特征的一种计量仪器”。二、衡器的发展简史衡器名称由来可溯源于“度量衡”一词。所谓“度量衡”，通常是指：用各种尺子测量物体的长短，称之为“度”；用各种容器（斗、升和量杯等）测量物体的容积称之为“量”；用各种秤测量物体的质量称之为“衡”。据《辞海》解释：“测长短之器度；测大小之器为量；测轻重之器为衡”。这里的“衡”就是指衡器。第二章衡器计量基础知识第一节质量和重量一、质量衡器计量的对象是物体或物质的质量，衡器计量类属质量计量。质量是自然界中最基本、最主要、最常用的一个物理量，质量的计量单位“千克”上国际单位制SI中7个基本单位之一。清楚地了解质量的概念是衡器计量的最基本要求。（一）引力质量引力质量的理论依据是牛顿万有引力场的源泉，都能产生引力场，同时也都受到别的物体产生的引力场的作用。物体的这一属性称为引力质量，它是通过著名的牛顿万有引力定律表现出来的。不考虑物体几何形状和体积大小而将其质量集中于一点的物体称为质点，则牛顿万有引力定律告诉我们：具有质量分别为m1和m2且相隔距离的R的任意两个质点之间的力，是沿着连接该两质点的直线而作用的吸引力。其大小为F=G（1—1）式中：m1,m2——分别为质点（物体）1和质点（物体）2的引力质量（kg）；R——为两质点间的距离（m）；G——比例系数（万有引力常数），G=6.6720×10Nm/kg；F——两质点间的相互引力（N）。需要说明的是万有引力F是个矢量，两个质点之间的引力是一对作用力和反作用力。若假定质点1对质点2的引力方向为正，则质点2对质点1的引力方向为负。即两个物体间的引力大小相等，方向相反。式（1—1）说明，两质点间万有引力大小与它们质量乘积成正比。由此可以看出，引力质量是质点间引力大小的量度。式（1—1）是对两个质点而言的。如果要确定有一定大小的物体（而不是质点）之间的引力时，就要将每个物体分成许多个质点，然后用积分计算所有质点之间的引力。但假如两物体的大小同它们之间的距离相比微不足道时（比如地球和太阳），则它们通常就可以被看做上质点。万有引力定律无形中还包含这样一个事实，即两质点之间的引力大小与其它物体的存在或所在空间的性质无关。绝大多数衡器计量所得被测物体的质量为引力质量。（二）惯性质量惯性质量的理论依据是牛顿第二定律。在日常生活中人们发现，运动员在赛跑时，要从疾跑中停下来需要一定的时间，这是因为物体具有惯性。另外，用同样大小的力作用于不同物体时，会产生不同的效果。比如，一个人推动一辆自行车非常容易，要想推动一辆汽车显得非常难，这个例子给我们一个定性回答，即同样的力施加在不同的物体上所产生的加速度不相同，这是因为它们的质量不同。牛顿第二定律解释了上述现象。力、加速度和质量之间的关系为F=ma（1—2）式中：F——物体所受的合外力（N）；a——物体受力后所获得的加速度（m/s）；m——物体的质量，即惯性质量（kg）。由式（1—2）可见，在惯性系统中，物体的加速度与作用在物体上的合外力成正比，与该物体的惯性质量成反比。物体质量是物体的一种属性，对于不同质量的物体，在相同外力作用下，质量大的物体所产生的加速度小；反之，质量小的物体所产生的加速度大。或者说质量小的物体惯性小，质量大的物体惯性越大。惯性质量描述了物体惯性大小的量度。（三）质量的定义引力质量和惯性质量是从不同的物理现象引入的，因而从概念上讲是不同的。大量的科学实验证明，在实验的准确度范围内，任何物体的引力质量的量值和其惯性质量的量值都相等，只是它们反映了同一物体的两种不同的属性。因此，在我们的实际生活和工作中也就没有必要严格区分物体的质量究竟是引力质量还是惯性质量，而统称为质量。从而得出质量的定义：质量是物体固有的一种物理属性，它既是物体惯性大小的量度，又是物体产生引力大小的量度。质量的计量单位是千克，符号是kg，它等于国际千克原器的质量。国际千克原器保存在法国巴黎国际计量局，它用90%铂和10%铱的铂铱合金制成，几何形状是高和直径均为39mm的圆柱体。国际千克原器是国际单位制中7个SI基本单位中，惟一仍在使用的实物基准。质量的特点：质量是物体固有的一种属性，对确定的物体其质量值是一个恒定不变的标量。二、重量、重力物体的重量就是物体重力的大小，数值等于质量值与重力加速度值的乘积。（一）重力根据牛顿万有引力定律，位于地球表面及其附近的任何物体，都要受到来自地球中心的引力作用。此外，由于地球在不停地自转，除两极外，这些物体还要受到惯性离心力的作用，两者的矢量和就是物体所受的重力。物体的重力就是地球对物体的万有引力与该物体随地球自转而引起的作用在物体上的惯性离心力的矢量和。物体在重力场中受重力作用。根据牛顿第二定律可知，自由下落的物体在重力场作用下必将获得加速度，我们通常把这个加速度称为重力加速度。如果物体的重力加速度和物体的质量已知，我们就可以通过牛顿第二定律求出物体的重力。其数学表达式为W=mg式中：W——物体的重力；m——物体的质量；g——重力加速度。重力是一种力，因此它具有力的三要素，即力的大小、方向及作用点。物体的重力方向与加速度方向相同，总是垂直于地面。（二）重量的概念物体所受重力的大小称不重量。因此物体的重量等于物体的质量乘以重力加速度，即W=mg式中：W——物体的重力（N）；m——物体的质量（m）；g——重力加速度（m/s）。重力加速度是在重力的作用下物体落向地面的加速度。由于地球是一个近似球体，地表的高低不平，地球各处的地质结构不同，地壳的变形，地球转轴的摆动和转速的变化，其它天体对地球引力的变化以及地球表面的大气潮和海洋潮变化的影响等，地球各点的重力加速度值是不同的、变化的，尽管这种变化可能是相当缓慢和微小的。因此，重力加速度是一个变量，随地理位置、海拔高度、气象条件的变化而变化。人们将物体在北纬45°海平面测得的重力加速度称为标准重力加速度，即g=9.80665m/s重量实质是个力值的概念，且随着重力加速度的不同而变化，重量的计量单位是牛[顿]，符号为N。三、质量和重量的区别通过对质量与重量的讨论可知，质量和重量是两个完全不同的物理量。1．定义不同质量是物体所固有的一种物理属性，是物体惯性大小和引力大小的量度；重量则表示物体所受重力的大小，其值等于物体的质量与重力加速度的乘积。2．计量单位不同质量的计量单位千克（符号kg）是SI基本单位，而重量的计量单位则是牛顿（符号N），是SI导出单位。3．特点不同在物体运动速度远远小于光速时，质量是一个恒定不变的量；重量则是一个力的概念，其值大小随地理位置、海拔高度等因素而发生变化。第二节衡量原理衡量，是通过衡器来确定物体的质量的过程。例如，用电子计价秤称量商品的质量，用台秤称量进出厂物料的质量等。衡量有时也称为“称量”。衡量的方式有很多种，按其衡量原理分为杠杆原理、弹性组件变形原理、液压原理和力—电转换原理。一、杠杆原理绝大多数的机械式衡器都是根据杠杆原理制成的。如图1—29所示，o为杠杆支点，A为杠杆重点，La和Lb表示两臂长，mo为已知砝码的质量，m为被称量物体的质量。根据杠杆平衡原理：当杠杆平衡时，作用于杠杆上的力对支点的合力矩等于0。其平衡方程式为mgLa=mogLb由于杠杆两端重力加速度g相等，故式上式可写成m=mo由此得到被称物体的质量。二、弹性组件变形原理弹性组件变形原理的理论依据是虎克定律，即在弹性限度内，弹性物体的变形量与产生此变形量的外力成正比。△L=KF式中：F——作用在弹簧上的外力；△L——弹簧的伸长量；K——比例系数（取决于弹簧材料的弹性系数）。弹性组件的的形式很多，弹簧秤的弹性组件是弹簧；称重传感器中还常用应变片、应变丝作为敏感组件。下面分析弹簧秤的工作原理。图1—30所示为弹簧秤结构示意图。设不衡量物体时，弹簧秤弹簧长度为Lo，将质量为m的物体挂在弹簧秤的小钩上，弹簧秤在物体的重力W=mg作用下由Lo拉长到L，弹簧伸长后产生弹力，弹力与物体重量相相平衡时，固定在弹簧上的指针停止在标牌的某刻度处。根据胡克定律可知：L—Lo=KW或△L=Kmg=K´m(1—31)式(1—31)表明，弹性组件变形量的大小与物体的重力成正比。通过测量被秤量物体作用于弹性组件上的变形量，可实现物体的质量计量。三、力—电电转换原理力电转换原理是通过力—电转换组件将作用于其上的被测物体的重力按一定的函数关系转换为电量（电压、电流、频率等）输出，然后用测量显示仪表将被测物体的质量显示出来。由力—电转换组件构成的衡器称为电子衡器。电子衡器通常由称重传感器、显示仪表和承重传力系统构成。称重传感器是电子衡器的核心，根据力—电转换组件的不同形式，常用的称重传感器形式有电阻应变式称重传感器、电容式称重传感器、压电式称重传感器等。四、液压原理利用液体压力传递的性质，根据液面平衡、压强相等原理，衡量得出质量的大小。利用液压原理制成的液压秤并不多见。第三节衡器的分类衡器的种类繁多，其分类方法也不尽相同。本节介绍几种常见的衡器分类方法。一、按操作方式分类根据衡器的操作不同，把衡器分为非自动衡器和自动衡器两类（见下表）。衡器分类表非自动衡器杆枰钩秤、盘秤、戥秤台案秤移动式杠杆秤、度盘台案秤、电子台案秤、弹簧度盘秤、光栅台秤、计价秤、计数秤、机电结合台案秤、台秤检定器地秤固定式杠杆秤、电子地秤、度盘地秤、机电结合秤、光栅秤吊秤机械吊秤、电子吊秤专用秤体重秤、婴儿秤、邮件秤、包裹秤、行李秤、打包秤、售粮秤、病床秤、飞机秤、定时秤轨道衡机械静态轨道衡、静态电子轨道衡、义盘轨道衡、光栅数显轨道衡容器秤自动衡器皮带秤渡轮式机械皮带秤、电子皮带秤、核子皮带秤定量打包秤定量包装秤、定量罐装秤、重力式自动装料秤、自动定量秤自动料斗秤自动料斗秤、自动配料秤自动检验分选秤自动称重检验秤、自动重量分选秤自动轨道衡动态称量轨道衡其它专用自动秤1．非自动动衡器非自动衡器，又称非自动秤，它是指在称量过程中需要人员操作（例如向承载器加放或卸去载荷或取得结果）的秤。对此类秤的指示或打印的称量结果均用“示值”一词来表述，是可以直接观察的。目前制造和使用的衡器95%以上属于非自动衡器。2．自动衡器自动衡器，是指在称量过程中无需操作者干预就可获得称量结果的衡器，例如皮带秤、自动定量秤、电磁吸盘吊秤及自动轨道等。非自动秤可以是自动指示的和非自动指示的。非自动指示秤是指完全靠人员员操作来取得平衡位置的秤。主要包括各种机械杠杆秤，如移动式的案秤、台秤；固定式的地秤、机械吊秤等。需要靠操作者向承重板上加、卸载茶荷以及移动游铊或加放增铊才能得到称量结果。自动指示秤是指无人人操作即可取得平衡位置和称量结果的秤。例如电子计价秤、电子汽车秤、度盘秤等，只要操作者将重物加放在秤盘或承重台上，衡器再无需人员操作，便能自动达到平衡，并将称量结果指示出来。这里需要说明的是自动衡器和自动指示秤是两个不同的概念，不能将自动指示秤误认为自动衡器。非自动秤按指示方式不同，又可分为仿真指示秤和数字指示秤。模拟指示秤，指以弹簧或机械杠杆为称重组件，由指针和度盘指示的秤，如弹簧度盘秤、度盘秤等。数字指示秤，指装有电子装置的秤，如电子计价秤、电子台秤、固定式台秤、固定式电子秤等。这些电子秤的称量结果均以数字形式指示。二、按准确度等级分类非自动衡量仪器（包括天平和秤）的准确度分为4个等级，即种准确度级（1级）；高准确度级（2级）；中准确度级（3级）；普通准确度级（4级）。其中，特种准确度级特指天平，而非自动秤的准确度等级通常为3级和4级。非连续累计自动衡器共分为4个等级，即0.2级、0.5级、1.0级、2.0级。其中0.2级和0.5级相当于3级秤，1.0级和2.0级相当于4级秤。三、按