本文講述幾點(diǎn)在地磅設(shè)計(jì)、制造、使用中最常遇到，但又往往被忽略或概念不清而造成的問題和困難。希望大家能重視這 些基礎(chǔ)性問題，并加強(qiáng)對(duì)地磅基本理論的研究。

在實(shí)際稱重技術(shù)工作中，會(huì)發(fā)現(xiàn)由于違反了稱重技術(shù)的基本概念， 導(dǎo)致研制產(chǎn)品的失敗和無法解決或不能理解工作中遇到的問題。遺憾 的是往往一些衡器工作者不重視這些概念性的基本問題，特別是現(xiàn)在 由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，很多人企圖通過計(jì)算機(jī)技術(shù)來解決由于 違反基本原理所帶來的困難，而實(shí)際上這是徒勞無益的。本文試圖對(duì) 一些基本概念做簡(jiǎn)要講述供大家參考、討論。

一、力矩平衡、靜不定系統(tǒng)

重力式稱重系統(tǒng)和最常用的衡器。除了吊秤等極少數(shù)衡器，被測(cè) 物的重力與用來測(cè)力的器件，如傳感器，它們的力互為平行力，而不 是共點(diǎn)力，因此測(cè)力的數(shù)學(xué)方程是建立于力矩平衡的基礎(chǔ)上。由于習(xí) 慣的“直觀”思維，例如對(duì)汽車衡之類的衡器，會(huì)直接把四只傳感器測(cè) 出力相加，就等于被稱物的重量。這種習(xí)慣性的結(jié)果，就是在實(shí)際校 準(zhǔn)汽車衡時(shí)，不按規(guī)定調(diào)整偏載，甚至不調(diào)偏載，其結(jié)果是同樣重量 的物體，當(dāng)重心處于承載器的不同位置，顯示結(jié)果會(huì)有明顯的差異，

且示值超差。這種現(xiàn)象在調(diào)偏時(shí)，在四角放置檢定磚碼，通常均會(huì)發(fā)生。這是為什么呢？因?yàn)榇藭r(shí)的汽車衡是靜不定系統(tǒng)。眾所周知，超 過三個(gè)以上支承測(cè)力點(diǎn)的系統(tǒng)，均為靜不定系統(tǒng)，例如汽車衡，此時(shí) 有四個(gè)支承傳感器，而只能得到三個(gè)平衡方程，因此無法求得四個(gè)稱 重點(diǎn)受力的大小，即此時(shí)四支傳感器的力值相加的合力大小，并不等 于被稱物的重力。

二、型式批準(zhǔn)與檢定

地磅是屬于強(qiáng)制性管理的計(jì)量器具。對(duì)于新型產(chǎn)品和廠家初次生 產(chǎn)的產(chǎn)品，必須經(jīng)過法制計(jì)量部門對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行型式批準(zhǔn)，通過后才能 投產(chǎn)。對(duì)于新型產(chǎn)品，需對(duì)其衡器的原理、結(jié)構(gòu)甚至某些特殊要求的 材料進(jìn)行審定。第二對(duì)是否有合理、可行的檢驗(yàn)方法，并制定出試驗(yàn) 文件才能進(jìn)行型式批準(zhǔn)。對(duì)于廠家初次生產(chǎn)已有的衡器，則只需要按 照已有規(guī)程進(jìn)行型式批準(zhǔn)。由于我國(guó)廠家所生產(chǎn)的衡器，幾乎都是已 有的衡器，往往有的廠家在所生產(chǎn)的衡器增加與原產(chǎn)品不同的可能影 響稱重結(jié)果的部件，我們卻沒有對(duì)這些新加部分進(jìn)行審定。而在國(guó)外 對(duì)新型衡器的型式批準(zhǔn)很嚴(yán)格，例如在德國(guó)早在1775年左右就有了 定型的傾斜杠桿秤，但直到1876年才通過型式批準(zhǔn)正式使用。由于 計(jì)量法規(guī)的制約，影響了傾斜扛桿秤在德國(guó)的發(fā)展。另外應(yīng)變式稱重 傳感器的電子秤，直到傳感器的不確定度小于千分之一時(shí)，在1966 年才獲得型式批準(zhǔn)。

型式批準(zhǔn)的目的，只在于確認(rèn)一種新型衡器在原理、結(jié)構(gòu)型式是 合理的，對(duì)初次生產(chǎn)某種衡器的廠家還應(yīng)確認(rèn)它有生產(chǎn)這種衡器的能 力才能投產(chǎn)。

為了保證計(jì)量器具在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)（測(cè)量的穩(wěn)定性)，都可期 望得到正確的測(cè)量結(jié)果（測(cè)量的正確性），這在計(jì)量法中被稱為測(cè)量 的確定性。為了保證計(jì)量器具的特性，需強(qiáng)制對(duì)使用的衡器進(jìn)行檢定。 檢定包括首次檢定和隨后檢定。

首次檢定的目的在于使計(jì)量器具得到法定計(jì)量部門的認(rèn)可、準(zhǔn)許 使用。確認(rèn)該衡器是否是型式批準(zhǔn)型式的復(fù)制件，并可以審查該衡器 是否安裝和使用正確，具有法規(guī)所規(guī)定的功能。

隨后檢定，旨在查明計(jì)量器具上次檢定經(jīng)過一段時(shí)間使用后，其 精度和性能能否還維持原法規(guī)的要求。計(jì)量部門在統(tǒng)計(jì)某種衡器隨后 檢定數(shù)據(jù)，可以判斷對(duì)該類衡器的檢定周期是否規(guī)定合理，并可對(duì)廠 家的衡器性能進(jìn)行評(píng)定后提出改進(jìn)意見。

三、限位

衡器或稱重系統(tǒng)最基本的要求是載荷的作用力必須通過傳感器 的受力軸線，不能有橫向力和力矩。并要求在整個(gè)使用過程稱重結(jié)構(gòu) 的狀態(tài)不能發(fā)生改變，例如承載器、稱重支架。要求保持傳感器的受 力狀態(tài)保持不變、稱重系統(tǒng)或承載器的死載荷（由力矩平衡的空載受 力狀態(tài)）保持不變。在實(shí)際使用時(shí)，由于溫度的變化引起支承件橫向 位移、風(fēng)力引起的橫向力，以及沖擊造成橫向力或阻力所作用，以及 機(jī)械結(jié)構(gòu)：如基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)架、承載器、容器罐等、在負(fù)載應(yīng)力的作用 下，都可能產(chǎn)生形變。這些因素均可影響測(cè)量精度。廣義而言，傳感 器的加載部件（壓頭），也是為了消除橫向干擾力的限位部件。而我 們通常只將在承載器和基礎(chǔ)或構(gòu)架之間安裝所消除橫向力的裝置稱

為限位器。

為了防止水平力的限位裝置有兩種不同的形式：

約束（Constrainers):約束是使用強(qiáng)制的手段消除水平力，不允 許在約束方向，稱重結(jié)構(gòu)、承載器傳感器之間有任何運(yùn)動(dòng)。在整個(gè)稱 重過程中都起作用。

制動(dòng)（限位）（stop):

起制動(dòng)作用的限位裝置，在稱重過程中當(dāng)承載器、稱重機(jī)構(gòu)受到 外界干擾力、沖擊力等的影響，使其發(fā)生位移，破壞了原來的稱重狀 態(tài)。限位器的作用在于使橫向位移限制在可控內(nèi)，當(dāng)外界擾動(dòng)消失時(shí)， 衡器或稱重裝置能恢復(fù)到原來的稱重狀態(tài)。為了避免在外力作用時(shí)， 沖擊力過大造成稱重結(jié)構(gòu)的損傷甚至損壞。所以對(duì)限位器的“間隙” 調(diào)節(jié)是很臨界的。

對(duì)于傳感器的“限位”部件，通過包括球形壓頭、擺動(dòng)支座、自動(dòng) 定位滾珠支承座，橡皮支件等。組件、馬鞍形和鏈環(huán)等均屬于限位和 自復(fù)位限件部件。

碰撞螺栓限位，在我國(guó)幾乎是所有汽車衡使用的限位裝置。但這 類限位存在的碰撞間隙，在運(yùn)動(dòng)期間存在壓頭造成變形和損壞。若間 隙調(diào)得過小，在夏天往往使秤臺(tái)與基礎(chǔ)接觸造成力的分流甚至卡死， 引起測(cè)量誤差。有的生產(chǎn)廠家，把碰撞型限位用于動(dòng)態(tài)汽車衡更是非 常不合理。除了此種簡(jiǎn)易的限位結(jié)構(gòu)，碰撞型還有不同的結(jié)構(gòu)。 SCHENCK公司曾介紹過其它的碰撞型限位器。

約束型限位器，通過使用拉桿限位。這是一種兩端被固定(箝位）

的梁式蹺曲板和園柱形桿的最普遍的約束件。更為復(fù)雜的這類限位器 在兩個(gè)固定端使用滾珠軸承或萬向軸承或限位兩端使用球面柱結(jié)構(gòu) 的更為復(fù)雜的約束限位。約束限位往往由于使用不當(dāng)，反而引入明顯 的干擾力。甚至有人認(rèn)為，兩端固定的所謂剛性箝位拉桿約束限位是 最差的限位方式。這主要原因是使用者調(diào)節(jié)不得要領(lǐng)所至。這類約束 限位器要求非常精準(zhǔn)的調(diào)節(jié)，才能避免垂直干擾力。即要求固定兩端 要精確保持在同一水平。拉桿之間不能有間隙，否則在受到?jīng)_擊會(huì)造 成秤體的永久形變，以至損壞。第二要注意，不是隨便用一根桿就可 達(dá)到好的限位效果。我們需要計(jì)算拉桿允許的垂直剛度和合適的蹺度， 下面給出一組推薦的數(shù)值。

拉桿長(zhǎng)度450mm。

計(jì)算的原則要求在水平方向非常硬，有足夠的剛度，在垂直方向 相當(dāng)柔軟，拉桿彎曲不產(chǎn)生附加力。為了保證拉桿的準(zhǔn)直在兩固定端 應(yīng)使用球形環(huán)狀墊圈。

箝位式拉桿類限位，不是越多越好。雖然物體有六個(gè)自由度，三 個(gè)平移、三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)。作為稱重系統(tǒng)實(shí)際上只有五個(gè)自由度。超過需要 的約束反而會(huì)產(chǎn)生不需要的軸向力。一般在水平方向有三個(gè)限位器就 足夠，再多不僅會(huì)產(chǎn)生不需要的水平力，甚至?xí)ㄋ馈Ｒ虼酥挥姓J(rèn)真 設(shè)計(jì)、安裝到位和精細(xì)調(diào)整，約束限位才能得到所要求的效果。

四、動(dòng)態(tài)稱重

根據(jù)“衡器術(shù)語”對(duì)動(dòng)態(tài)稱重的解釋：“在稱量期間，載荷相對(duì)于 衡器存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的稱量。動(dòng)態(tài)稱量可分為連續(xù)和非連續(xù)兩種”。然 而，在不同時(shí)期出版的“衡器術(shù)語”，對(duì)動(dòng)態(tài)稱重一詞的解釋有所差異。 按照國(guó)際建議，除R76號(hào)之外的衡器均定義為自動(dòng)衡器，并認(rèn)為其 中R50、R61、R106和R134屬于動(dòng)態(tài)稱重（WIM)，R51可靜態(tài)稱 重也可動(dòng)態(tài)稱重。而R107與R76屬靜態(tài)稱重。從概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì) 的觀點(diǎn)，對(duì)靜態(tài)稱重的測(cè)量是通過測(cè)量結(jié)果的分布函數(shù)來描述，而動(dòng) 態(tài)稱重的測(cè)量對(duì)象是一隨機(jī)過程，它的統(tǒng)計(jì)特性不能從一個(gè)記錄的統(tǒng) 計(jì)特性來得到，而只能從一組記錄求得。從物理的角度，R60、R51， R106和R134的稱重過程主要是屬于隨機(jī)振動(dòng)過程，通常我們是通過 “濾波”或其它數(shù)字信號(hào)處理的方法來求得被稱物的實(shí)際重量。而R61 由于下落物料是一隨機(jī)過程，所以對(duì)它的數(shù)據(jù)處理也按隨機(jī)過程方法 來對(duì)待，動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)與靜態(tài)稱重相比較，除了同樣要求精度或準(zhǔn)確 度、重復(fù)性和可靠性外，還多一項(xiàng)要求，系統(tǒng)的快速響應(yīng)（Fast response)。

對(duì)于一個(gè)稱重系統(tǒng)，研究它的動(dòng)態(tài)特性，作為一階近似，即為有

其中E是系統(tǒng)達(dá)到平衡點(diǎn)的“預(yù)定速率”，它的數(shù)值與達(dá)到“靜平 衡點(diǎn)”的精度有關(guān)。它越小、在ts時(shí)間達(dá)到最終“靜平衡點(diǎn)”的時(shí)間越 小。

調(diào)定時(shí)間ts與固有頻率_成反比。所以為縮短調(diào)定時(shí)間ts，就需 要增大K值或減少m值。然而靜平衡位置都會(huì)隨著K值的增大而變

小，從而使秤的靈敏度減小。另一方面，秤的剛性通常會(huì)隨著m值 的減少而降低，從而使秤的準(zhǔn)確度也隨之降低。鑒于上述因素、固有 頻率《。在衡器的設(shè)計(jì)中是非常重要的。我們?cè)缒隇樯箱撐鍙S設(shè)計(jì)的 軌道衡，秤臺(tái)的固有頻率為60HZ左右，前置濾波器的下限頻為10HZ， 以適應(yīng)10km/h下的機(jī)車動(dòng)態(tài)稱重。

R61是屬于在稱重過程中，被稱物的質(zhì)量是隨時(shí)間改變。測(cè)量誤 差與物料下落的高度、流量、流速、顆粒度和物料的物理、幾何特性 有關(guān)。我曾寫過一篇文章對(duì)這方面做了基礎(chǔ)性的計(jì)算，在此就不累述。

至于皮帶秤承載器的響應(yīng)的計(jì)算，我在“皮帶秤承載器響應(yīng)特性 曲線”文章中介紹過。此響應(yīng)曲線對(duì)傳輸皮帶秤的影響無多大意義。 但對(duì)定量皮帶秤即所謂配料皮帶秤，確很重要，因?yàn)樗捻憫?yīng)是處于 配料秤自動(dòng)控制的環(huán)路內(nèi)，對(duì)秤的控制性能的控制精度，甚至穩(wěn)定性 都有明顯影響。

五、校驗(yàn)

皮帶秤這類常用大型衡器，在校驗(yàn)時(shí)往往由于校準(zhǔn)物料過大。用 來校驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)物料大大小于檢定規(guī)程要求的數(shù)量往往常使用環(huán)碼、鏈 碼等模擬試驗(yàn)裝置來替代皮帶秤的實(shí)物校驗(yàn)。僅用一種物料校驗(yàn)的結(jié) 果確定定量包裝秤的精度級(jí)別，這些校驗(yàn)都是述背OIML國(guó)際建議和 國(guó)內(nèi)檢定規(guī)程的規(guī)定。這些做法，有的是由于條件限制，然而不少情 況則是由于對(duì)基本概念不清所至。例如在提出用環(huán)碼替代皮帶秤的實(shí) 物校驗(yàn)，雖然一方面是環(huán)碼生產(chǎn)廠家的意愿，而一些計(jì)量部門的人由 于對(duì)實(shí)物校驗(yàn)的實(shí)質(zhì)不了解，結(jié)果花了不少的人力、物力、也無法實(shí)

現(xiàn)用環(huán)碼替代實(shí)物校驗(yàn)。違背規(guī)程要求對(duì)衡器校驗(yàn)，結(jié)果是對(duì)優(yōu)良的 衡器也不能使反映出到設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度，甚至說不清測(cè)量誤差有多大。 實(shí)際上對(duì)衡器的首檢，隨后檢定以及為了保證衡器在使用中的準(zhǔn)確性， 按照檢定規(guī)程對(duì)衡器進(jìn)行校驗(yàn)，是確保衡器正確使用所必須遵守底線。 既使在條件不具備時(shí)，也應(yīng)根據(jù)檢定規(guī)程的基本計(jì)量要求和衡器特點(diǎn)， 對(duì)被校驗(yàn)給出科學(xué)合理的不確定度以確定該衡器能認(rèn)可的誤差并應(yīng) 將所用的方法、原理記錄在案。

六、結(jié)束語

本文對(duì)衡器所需的基本概念做了說明，首先強(qiáng)調(diào)我們常見的絕大 多數(shù)衡器是建立在力矩平衡的基礎(chǔ)上。第二，現(xiàn)公布的七個(gè)OIML國(guó) 際建議包含了絕大多數(shù)衡器類別。建議中規(guī)定的技術(shù)要求和計(jì)量要求 是各類衡器的基本要求，是設(shè)計(jì)和制造這些衡器的基本依據(jù)。如果所 創(chuàng)造的衡器偏離了該建議的基本理念和要求，不太可能制造出優(yōu)良的 衡器。衡器的好壞只有經(jīng)過檢驗(yàn)才能鑒別，如何遵照國(guó)際建議檢驗(yàn)衡 器是在實(shí)際使用時(shí)確保計(jì)量公正性的基礎(chǔ)。第三，廣義的限位是保證 正確使用傳感器和衡器機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，使能確保傳感器受力 合理，機(jī)械結(jié)構(gòu)在使用過程中的穩(wěn)定性和重復(fù)性。沒有優(yōu)良的限位實(shí) 現(xiàn)高精度的衡器是不可能。最后，隨著工業(yè)技術(shù)發(fā)展衡器已逐漸成為 生產(chǎn)過程環(huán)節(jié)的一個(gè)組成部分，動(dòng)態(tài)稱重就顯得越來越突出。因此不 能再停留在靜態(tài)稱重的概念來設(shè)計(jì)和制造動(dòng)態(tài)秤。只有將能描述動(dòng)態(tài) 稱重的概念，如秤的傳遞函數(shù)、快速響應(yīng)時(shí)間、傳感器或稱重結(jié)構(gòu)的 振動(dòng)模態(tài)、富利葉變換、信號(hào)處理理念等引入動(dòng)態(tài)稱重衡器的設(shè)計(jì)，才能使動(dòng)態(tài)稱重中遇到的問題得到解決，使動(dòng)態(tài)稱重得到發(fā)展。