關(guān)于衡器測(cè)量的一些基本知識(shí)分享

衡器在使用時(shí)由于使用目的不同，設(shè)計(jì)者可使用單只和多只傳感器來(lái)達(dá)到要求。根據(jù)稱重的基本原理，實(shí)際上絕大多數(shù)衡器稱重是通過(guò)使用一只和四只傳感器來(lái)完成的。

計(jì)價(jià)電子秤是使用單只傳感器稱重廣泛且用量較多的稱重計(jì)量器具。這種小量程衡器所使用的傳感器，基本上都是雙孔平行梁式傳感器，這種傳感器的特點(diǎn)是，無(wú)論載荷安置在秤臺(tái)的任何位置，其稱重結(jié)果均相同。另外，重復(fù)稱重均相同是對(duì)衡器的基本的要求。

除了計(jì)價(jià)秤以外，在很多場(chǎng)合都有使用單只傳感器的衡器，特別是單點(diǎn)式傳感器出現(xiàn)后，在很多較大量程稱重的衡器上得到廣泛運(yùn)用。除了在傳統(tǒng)的非自動(dòng)稱重方面外，在單托輥皮帶秤，軸稱重汽車衡方面也得到有效的使用。

單只傳感器用于稱重的衡器特殊的運(yùn)用是吊秤，從稱重物理原理來(lái)講這是簡(jiǎn)單、直接的稱重方法。如果被稱物處于理想的“靜態(tài)"，稱重時(shí)就不存在其他的干擾因素，傳感器的受力就應(yīng)當(dāng)是被稱物的重量，但是吊秤是衡器影響稱重結(jié)果、干擾因素較多、較復(fù)雜，也是較難控制的衡器。

吊秤使用時(shí)，先通過(guò)繩索或直接掛在橫梁或頂上，再用繩索吊掛被稱物體。在實(shí)際稱重時(shí)，被稱物不僅會(huì)在相對(duì)固定點(diǎn)上擺動(dòng)、旋轉(zhuǎn)，而且還會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)均會(huì)產(chǎn)生附加的干擾力。例如，由于擺動(dòng)不僅產(chǎn)生了離心力、傾斜力，而且這些力不僅僅與吊掛繩的長(zhǎng)度、固定吊掛點(diǎn)的強(qiáng)度、起吊時(shí)的擺幅有關(guān)，還與被稱物體的慣性距等因素有關(guān)，因此無(wú)法制定“標(biāo)準(zhǔn)"的工作狀態(tài)。因?yàn)檫@些干擾因素不可能得到可供計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，所以也不太可能進(jìn)行修正，其結(jié)果是無(wú)法制定出有效檢定方法。通常只能通過(guò)懸掛砝碼，在主觀認(rèn)為相對(duì)靜止的狀態(tài)下進(jìn)行“量值校準(zhǔn)"，所以用吊秤來(lái)稱重時(shí)，我認(rèn)為其誤差在10% 就不錯(cuò)了。

使用兩只傳感器稱重的裝置不是很多，但它具有一個(gè)特點(diǎn)，即在實(shí)際運(yùn)用中運(yùn)用得當(dāng)?shù)脑挄?huì)取得很好的效果。兩個(gè)稱重支點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，無(wú)論被稱物體處于兩個(gè)支點(diǎn)之間的任何位置時(shí)，兩個(gè)支點(diǎn)的受力值之和始終等于被稱物體的重量，即與被稱物重心的位置無(wú)關(guān)。我曾利用這一特點(diǎn)設(shè)計(jì)和制作過(guò)稱豬的秤，豬在承載器（欄）中十分的不安定，位置變化很大，在使用了兩個(gè)支撐點(diǎn)傳感器后，稱豬重量的準(zhǔn)確度大幅度提高。所以可以看出：使用了兩個(gè)支撐稱重的優(yōu)點(diǎn)是，只要限位器設(shè)計(jì)和調(diào)整合理，就可以明顯提高稱重的準(zhǔn)確度。

三個(gè)支撐點(diǎn)的稱重裝置，也同樣具有稱重結(jié)果與被稱物體重心無(wú)關(guān)的特點(diǎn)。但現(xiàn)在除了在存儲(chǔ)罐的稱重使用外，已經(jīng)很少見(jiàn)到使用三個(gè)支撐點(diǎn)結(jié)構(gòu)的衡器。我認(rèn)為其主要原因還是，在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，除被稱物的重心很容易偏離支撐點(diǎn)之外，且三個(gè)支點(diǎn)的穩(wěn)定性要比四個(gè)支點(diǎn)的衡器穩(wěn)定性差。

俗話說(shuō)“四平八穩(wěn)"，這個(gè)詞匯用在衡器上尤為貼切。因此四個(gè)支撐點(diǎn)的稱重裝置或衡器在現(xiàn)實(shí)中得到了廣泛應(yīng)用。然而人們?cè)谑褂盟膫€(gè)支撐點(diǎn)稱重時(shí)往往存在一個(gè)習(xí)慣性的誤區(qū)，即認(rèn)為被稱物體的重量就等于四個(gè)支撐點(diǎn)受力之和。而實(shí)際上四個(gè)支撐點(diǎn)系統(tǒng)是一個(gè)靜態(tài)不定力矩的平衡系統(tǒng)。即使準(zhǔn)確知道四個(gè)支撐點(diǎn)的準(zhǔn)確坐標(biāo)位置、載荷的準(zhǔn)確坐標(biāo)位置，也無(wú)法求得四個(gè)支撐點(diǎn)受力的準(zhǔn)確值。因?yàn)樵谟?jì)算這類衡器的準(zhǔn)確度上，我們往往忽略了一個(gè)技術(shù)指標(biāo)，即偏載的允差。偏載的允差是確定載荷處于承載器不同位置時(shí)測(cè)量示值的誤差，它是由衡器力矩平衡的本質(zhì)決定的。由于習(xí)慣，很多人會(huì)把四個(gè)傳感器構(gòu)成的衡器誤認(rèn)為傳感器所受力值相加一定等于載荷的重量。

從物理角度講，除吊秤外其余所有衡器的測(cè)量都是建立在力矩平衡的原理上，而不是力值的平衡上。

四支承載器在動(dòng)態(tài)的稱重中也得到了廣泛使用，動(dòng)態(tài)汽車衡、動(dòng)態(tài)軌道衡、皮帶秤、檢驗(yàn)秤的稱重裝置都是四個(gè)支撐點(diǎn)稱重結(jié)構(gòu)的衡器。對(duì)制造以上各種衡器的稱重裝置而言，需要稱重臺(tái)設(shè)計(jì)合理，限位器的設(shè)計(jì)、安裝正確，使其能保證加載的正確性。廠家所設(shè)計(jì)的衡器在生產(chǎn)的一致性上通常保證靜態(tài)測(cè)量精度（即使用時(shí)的不確定度）為0.1%，應(yīng)當(dāng)是沒(méi)有太大問(wèn)題。但為什么在現(xiàn)場(chǎng)安裝檢定時(shí)同類產(chǎn)品的結(jié)果會(huì)有明顯的差異呢？其實(shí)這不是衡器本身的問(wèn)題，而是被測(cè)物體在動(dòng)態(tài)測(cè)量中受環(huán)境條件的影響而產(chǎn)生不同測(cè)量結(jié)果的根本因素。

例如，軌道衡兩端引軌的平直性，還受過(guò)渡器等的影響。車輛掛鉤間的相互作用力、車輛的自振頻率、載荷的大小，也都能直接影響測(cè)量的后面結(jié)果。

對(duì)于動(dòng)態(tài)汽車衡，特別是輪軸式動(dòng)態(tài)汽車衡，除了衡器兩端引道的平直性外，即使是同一車輛，在載荷不變的情況下，車輛、車輪氣壓的不同，也會(huì)明顯影響測(cè)量結(jié)果。這是因?yàn)檐囕啔鈮翰煌?，?dǎo)致車輪與軸計(jì)量衡的接觸面積發(fā)生明顯的變化，而且還會(huì)導(dǎo)致車輛的自振頻率的改變。影響皮帶秤的因素就更加明顯了，皮帶效應(yīng)是決定皮帶秤測(cè)量不確定性的根本因素。

事實(shí)上，對(duì)于衡器而言，只要設(shè)計(jì)合理，衡器的稱重部分的一致性就可以做得很好，使得測(cè)量?jī)x器的測(cè)量精度也能滿足要求，并對(duì)測(cè)量信號(hào)的處理和修正也具有相應(yīng)的保障作用。即便如此，被測(cè)物體本身和環(huán)境的不可控因素才是影響測(cè)量結(jié)果的根本因素。除上面的例子外，如非自動(dòng)積累秤，當(dāng)物品放料到稱重斗時(shí)，所引起的稱重斗周邊的氣壓擾動(dòng)的干擾，以及定量包裝秤中被包裝物體的包裝難易程度，均為影響測(cè)量結(jié)果的根本因素。

綜上所述，改善衡器（特別是動(dòng)態(tài)衡器影響測(cè)量結(jié)果）的環(huán)境條件，往往是事半功倍取得良好測(cè)量結(jié)果的重要舉措。例如設(shè)計(jì)合理、有效的裝料裝置，保證投料的均勻性和穩(wěn)定性；加強(qiáng)皮帶秤和送料皮帶裝置的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、可靠性；以及降低電測(cè)裝置的漂移等，都是有效提高皮帶秤的可靠性、穩(wěn)定性和測(cè)量精度的具體措施。

吊秤和動(dòng)態(tài)軸汽車衡是兩個(gè)難以確定測(cè)量誤差的衡器，因?yàn)閷?duì)它們的“校驗(yàn)"往往與實(shí)際測(cè)量時(shí)的狀態(tài)相差很大。例如吊秤所使用的傳感器，只能在靜態(tài)下校準(zhǔn)，能夠給出偏載和傾斜加載的范圍就很不易了。所以當(dāng)衡器在擺動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)動(dòng)的受力條件下，即使有號(hào)稱“萬(wàn)能接頭"的連接器，也無(wú)法正確得出在這些干擾條件下受力與電信號(hào)輸出的相應(yīng)值，也就無(wú)法用懸掛砝碼和可溯源的標(biāo)準(zhǔn)物來(lái)對(duì)吊秤進(jìn)行“校準(zhǔn)"。這也就是為什么至今沒(méi)有制定出對(duì)吊秤的檢定的方法和國(guó)際建議的原因。

動(dòng)態(tài)軸計(jì)量汽車衡的穩(wěn)測(cè)量對(duì)象可能是多種多樣的載重車輛。如前所說(shuō)，即使同一個(gè)車輛在相同加載情況下，由于車輪壓力不同，或由于與承載臺(tái)面的接觸面積的差異，自振頻率的改變，使得測(cè)量結(jié)果有明顯的差異。而在“校驗(yàn)"中提出用“剛性"兩軸車輛作為標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行“校準(zhǔn)"，其測(cè)量結(jié)果存在很多不可確定的因素，原因在于，首先如何評(píng)定“剛性"就是沒(méi)有“標(biāo)準(zhǔn)"的，其次兩輪軸車輛與實(shí)際要測(cè)量的各種各樣的車輛在結(jié)構(gòu)上的差異很大，這些差異對(duì)測(cè)量結(jié)果有多大影響，也是沒(méi)有結(jié)論的。例如在對(duì)大型拖車進(jìn)行測(cè)量時(shí)，操作者無(wú)法判斷拖車與掛車之間，以及車輛各輪軸在測(cè)量時(shí)有無(wú)相關(guān)性（聯(lián)系）。

中國(guó)是汽車衡使用較多的國(guó)家，但在這方面的基礎(chǔ)研究還比較差。完整、可靠、可信的測(cè)量和“檢定"數(shù)據(jù)也不完善。這些都對(duì)我們?nèi)绾握_運(yùn)用軸汽車衡帶來(lái)了負(fù)面影響。另一方面從管理層面上考量，由于車輛超載的管理問(wèn)題，也是行政方面始終沒(méi)法解決的難題，所以從研究方面上看，實(shí)際上廠家和有關(guān)部門(mén)有很多相關(guān)工作可深入探討，也是我們實(shí)現(xiàn)衡器強(qiáng)國(guó)的挑戰(zhàn)機(jī)會(huì)與動(dòng)力。

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