电子天平的检定与质量控制

【摘要】电子技术发展带来了电子天平的不断发展和完善，逐步形成取代机械天平之势。电子天平采用了现代传感器技术、电子技术和微型计算机技术，采用电磁平衡传感器的电子天平，其特点是称量准确可靠、显示快速清晰并且具有自动检测系统、简便的自动校准装置以及超载保护等装置。本文从电子天平原理出发，对电子天平的检定与质量控制的关系进行论述。

【关键词】电子天平；检定；质量控制

1.工作原理

电子天平是利用电磁力或电磁力矩补偿原理，实现被测物体在重力场中的平衡，来获得物体质量并采用数字装置输出结果的衡量仪器。电子天平一般采用应变式传感器、电容式传感器、电磁平衡式传感器。应变式传感器，由于其结构简单、造价低，但精度有限，在几年前不能做到很高精度；电容式传感器称量速度快，性价比较高，但也不能达到很高精度；采用电磁平衡传感器的电子天平，其称量准确可靠、显示快速清晰并且具有自动检测系统、简便的自动校准装置以及超载保护等装置。

高精度电子天平通常采用电磁力平衡式传感器，电磁感应式电子天平与电子秤不同。电子天平是利用电磁力平衡的原理进行设计的。根据电磁力公式：

F=BLIsinθ （1）

其中：F为电磁力；B为磁感应强度；L为受力导线的长度；I为流过导线的电流；θ为通电导体与磁场的夹角。

由公式（1）可知，F的大小与B、L、I及sinθ均成正，由于设计好的传感器，其感应线圈的规格尺寸已固定，所以其B、L均不再改变，而θ为90°，故sinθ=1，因此，F的大小与I成对应关系。

电子天平主要组成部分有：电源、电磁力平衡式传感器、光电传感器、键盘和显示器、控制电路。电子天平的基本工作原理是天平空载时，电磁力平衡式传感器处于平衡状态。加载后，感应线圈的位置发生改变。光电传感器中的光敏三极管所接收的光线强度的改变，其输出电流也改变，该变化量经微处理后，控制电磁线圈的电流大小，使电磁力平衡式传感器重新处于平衡状态。同时，微处理器将电磁线圈的电流变化量转变为数字信号，迅速在显示屏上显示出来。

2.电子天平的检定

根据检定规程要求电子天平的检定项目应为4项，检定内容主要包括：外观检查、偏载误差、重复性、示值误差等。但对于日常周期检定来说，主要进行以下几项检定：

2.1 示值误差

电子天平的最大允许误差是指天平的线性度（或称线性误差），它与天平的准确度等级和称量有关，目的是判定天平的示值误差是否在规程规定的范围之内。在检定时，根据规程分段进行检定。

2.2 重复性误差

重复性是描述电子天平同一载荷多次称量结果之间的差值，是衡量电子天平能否提供一致结果的能力。重复性检定的试验载荷选取80%～100%最大秤量的单个砝码，测试次数不少于6次。

2.3 偏载误差

试验选取1/3（最大秤量+最大加法除皮效果）的砝码。优选个数较少的砝码。多个砝码可以叠加。多个砝码应均匀分布在测量区域，单个砝码放在测量区域的中心位置。

3.电子天平的校正

因存放时间较长，位置移动，环境变化或为获得精确测量，天平在使用前一般都应进行校准。（需要指出的是，电子天平开机显示零点，不能说明天平称量的数据准确度符合测试标准，只能说明天平零位稳定性合格。因为衡量一台天平合格与否，还需综合考虑其它技术指标的符合性）。校准方法分为内校准和外校准两种。目前各个电子衡器生产厂家对此方面的研发各不相同，都在朝着着便于用户操作方向发展。通常厂家在说明书中均有详细操作步骤，在使用前应仔细研读说明书。校准前的准备：

（1）天平已处于水平状态。

（2）按说明书的要求进行预热。

（3）天平秤盘上无物品。

（4）关闭挡风窗，在天平置零的情况下进行。

下面以上海天平仪器厂JA1203型电子天平为例说明如何对天平进行外校准。方法：轻按CAL键当显示器出现CAL-时，即松手，显示器就出现CAL-100其中“100”为闪烁码，表示校准砝码需用100g的标准砝码。此时就把准备好“100g”校准砝码放上称盘，显示器即出现"----"等待状态，经较长时间后显示器出现100.000g，拿去校准砝码，显示器应出现0.000g，若出现不是为零，则再清零，再重复以上校准操作。

4.影响电子天平质量控制的因素

4.1 预热

天平的预热时间是保证天平示值稳定的关键。预热时间的长短与天平的检定分度值和检定分度数有关。规程规定天平检定前应预热，同时天平的预热和天平的精度有密切的关系。

电磁力平衡式传感器的温度变化主要来源于环境温度的变化和过流元件的发热。电子天平的基本工作原理是平衡，一旦失衡，利用电磁力将天平重新拉回平衡。这个电磁力，根据前述可知与B、I成正比。当天平处于预热阶段时，随着内部温度升高，磁通B会逐渐下降，同时I也会减小，这样就导致F变小，天平失去平衡，示值会呈现正的单方向漂移。电子天平在称量前要充分预热。只有经过充分预热，使磁钢达到热平衡，这一变化过程结束，天平才达到平衡。再利用置零/去皮功能，使显示置零，此时天平才处于真正可使用状态。

4.2 预加载

天平在停止工作一段时间后可能进入休眠状态，为使天平尽快进入工作状态，检定前最好用砝码进行一次加载，否则天平进程示值与回程示值之差将明显增大，加载时不必在意称量结果和回零情况。

4.3 重力加速度的影响

电子天平主要采用电磁力平衡式传感器实现被测质量向重力再向电流信号的转换，其测量结果与重力加速度密切相关。而重力加速度的大小与天平使用地点的纬度、海拔高度、地壳密度、地下水变化等诸多因素有关，是随地点而变的。因此，电子天平必须根据天平的使用地点实施重力加速度补偿。

内置校准砝码补偿方法及其不足。目前的电子天平普遍采用内置校准砝码的补偿方法，即在电子天平内部设置一个校准砝码，通过对校准砝码的称量得出当地的g值。这种补偿方法需要增加电子分析天平的机械加载机构和自校专用砝码，因此提高了产品成本和工艺复杂性。而且，内置砝码在长期使用后，难以进行砝码检定和表面清洁处理，易于造成电子分析天平的时漂误差。

外附校准砝码补偿方法。将校准砝码改为通用标准砝码，作为电子分析天平的附件，直接通过称盘加载称量，可进行重力加速度的自动校准，实现重力加速度对天平称量影响的自动补偿。由于外附校准砝码的准确度能够得到保证，重力加速度的补偿精度高，已获得广泛应用。

4.4 温度的影响

温度的变化导致电子天平产生漂移，从而产生测量偏差。灵敏度的温度系数Tc=2.5×10-6/℃说明温度每变化一度，灵敏度变化0.00025%，如果称量100g物体，当环境变化5℃时，产生的最大误差达2.5×10-6×5×100=1.25mg，因此，当环境温度变化较大时，应对电子天平进行校准，以保证称量结果的准确。

5.结论

天平是质量量值传递的关键，电子天平的检定是电子天平计量性能的前提，而电子天平的校准又为精密的质量控制提供了重要保障。为了使电子天平获得更高等级的精确度，必须参照国家计量检定规程，按着电子天平的综合性能特性来进行检定。