衡器计量

目录
第一章衡器基础知识 (1)
第一节质量的概念及单位 (1)
一、质量的概念 (1)
二、质量的单位 (3)
三、重量（重力） (3)
四、质量与重量的区别 (3)
第二节衡量原理 (4)
一、杠杆原理 (4)
二、弹性变形原理 (4)
三、液压原理 (5)
四、力－电转换原理 (5)
第三节质量量值传递系统 (5)
一、国际千克原器的建立 (6)
二、我国千克原器的建立 (6)
三、质量传递系统 (6)
第四节衡器的分类 (6)
一、按操作方式分类 (6)
二、按准确度等级分类 (8)
三、按用途分类 (8)
四、按管理性质分类 (8)
第五节衡器的计量特征和计量性能 (9)
一、衡器的计量特征 (9)
二、衡器的准确度等级 (10)
三、衡器的计量性能 (11)
第二章电子衡器基础 (14)
第一节电子衡器的工作原理 (14)
一、电子衡器的组成 (14)
二、电子衡器的工作原理 (15)
三、电子衡器的分类 (15)
四、电子衡器的特点 (16)
第二节称重传感器 (16)
一、称重传感器的组成 (16)
二、称重传感器的种类 (17)
三、称重传感器的准确度级别 (18)
四、称重传感器的联接形式 (19)
第三节称重指示器 (21)
一、称重指示器的主要技术要求 (21)
二、称重指示器的基本功能 (22)
第三章电子衡器 (24)
第一节电子衡器概述 (24)
I
一、规格型号和主要参数 (24)
二、电子衡器的构成 (25)
三、电子衡器的主要功能 (26)
第二节电子衡器的检定 (27)
一、计量与技术要求 (27)
二、标志要求 (30)
三、误差计算 (31)
四、计量性能检定 (32)
五、检定结果的处理和检定周期 (39)
第三节电子衡器的正确使用与维护 (39)
一、电子衡器的正确使用 (39)
二、电子衡器常见故障与调整 (41)
附录一：JJG539—1997数字指示秤检定规程 (46)
附录二：综合练习 (57)
附录三：实际操作评判标准（参考） (67)
II
1
第一章 衡器基础知识
根据我国国家标准GB/T14250－2008《衡器术语》对衡器定义为：“通过作用在物体上的重力来确定该物体质量的一种计量仪器。

可以用于确定与被测定的质量相关的其他数量、大小、参数或特性”。

衡器是质量计量仪器的简称，也就是主要用于确定物体质量的一种计量仪器。

根据衡器的不同特征与功能可将衡器分为天平和秤两大类。

天平的主要特征是准确度较高，使用条件要求较严，测量范围较窄。

为此，天平主要用于计量的基、标准仪器和小质量计量的工作计量仪器，通常在实验室内使用。

而秤的特点是测量范围较宽、使用性较强、准确度较低。

因此，秤通常以工作计量器具形式广泛用于大、中、小各种质量量值的计量，使用环境条件既可在室内、又可在室外。

在日常生活中人们习惯把各种秤称之为“衡器”，我国技术监督行业职业资格考核专业分类，也将质量计量分为：天平、砝码计量工、衡器计量检定工和衡器计量操作工三种。

这里的“衡器”即是指各种秤。

第一节 质量的概念及单位
一、质量的概念
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，质量计量单位“千克”是国际单位制SI 中7个基本单位之一。

通常所说的质量是指物体所含物质多少的量度，它没有揭示质量这个基本概念的物理本质。

必须从物体与外界的相互作用去解释这个概念。

以下从两个方面加以说明：
1、引力质量
引力质量的理论依据是牛顿万有引力定律。

自然界中一切物体都是引力场的源泉，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。

牛顿万有引力定律告诉我们：具有质量分别为 m 1 和 m 2 且相隔距离为 R 的任意两个物体之间的力，是沿着连接该两物体的直线而作用的吸引力，其大小为：
2
21R m m G F ＝ 式中：m 1、m 2——分别为物体1和物体2的引力质量，kg ；
R ——为两物体间的距离，m ；
G ——比例系数（万有引力常数），G ＝6.6720×10-11Nm 2／kg 2；
F ——两物体间的相互引力，N （牛顿）。

需要说明的是万有引力 F 是一个矢量，两个物体之间的引力是一对作用力和反作用力。

若假定物体1对物体2的引力方向为正，则物体2对物体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。

上式说明两物体间万有引力的大小与它们的质量乘积成正比，由此可以看出，引力质量是物体间引力大小的量度。

万有引力定律无形中还包含着这样一种事实，既两物体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。

2 2、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与不同物体时，会产生不同的效果。

比如，一个人推动一辆自行车非常容易， 要想推动一辆汽车则显得非常困难，这个例子给我们一个定性回答，既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如下：
F ＝ma
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 2；
m ——物体的质量、即惯性质量，kg 。

由上式可见，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。

惯性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。

3、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。

但是，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属性。

所以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。

4、狭义相对论中物体的质量
牛顿第二定律认为物体的质量是不变的，爱因斯坦的狭义相对论则认为，物体的质量随着速度而改变。

由爱因斯坦的狭义相对论可知质量与速度的关系式为：
20
1⎪⎭⎫ ⎝⎛-=c v m m
式中：m ——物体的质量，kg ；
m 0——物体在静止（v ＝0）时的质量，kg ；
v ——物体的运动速度，m ／s ；
c ——光速，m ／s 。

由上式可知，物体的质量是随速度的增加而增加，当速度 v 很大时，物体的质量是静止质量的许多倍，如能量较高的电子加速器加速出来的电子质量，是电子静止质量的45000倍。

在日常质量计算中的物体，其运动速度极小，绝大部分是静止的（v ＝0）。

在动态计量中，世界上最好的电子轨道衡也不允许火车行速超过100km ／h ，而100km ／h << c ，则认为 v 2／c 2＝0，因此有 m ＝m 0。

当我们完全忽略了由于采用经典力学计算而引进的那部分误差（不超过1×10-4），从而可以说，被测物体的质量就等于静止质量。

亦即：
m＝m0
由此得出，物体的质量是一个不变的量，它不随时间、地点而变的，且与物体的运动速度大小无关（当v << c 时）。

二、质量的单位
质量单位为国际单位制中七个基本单位之一，质量的单位是千克（公斤），符号为kg，它等于国际千克原器的质量。

在自然界中，物体的质量差异很大，如太阳的质量约为2×1023g，小的如电子质量约为0.9×10-27g。

太阳还不是宇宙中最大的星球，电子也不是物质的最小粒子。

所以质量计量的范围是很宽的。

但作为日常计算工作中的范围就很窄了，大致在0.01μg到1 000t之间，其中1mg到2 000kg范围的质量计量用的最多。

为了使用方便，我国规定，可以用比质量的基本单位“千克”大或小的倍数单位或分数单位作为质量单位，常用的分数单位有：克（g），毫克（mg），微克（μg）。

1kg＝1 000g 1g＝1 000mg 1mg＝1 000μg
倍数单位有：吨（t）。

1t＝1 000kg
三、重量（重力）
物体的重量是由于地心引力作用于物体的结果，因而重量是一种与力具有相同性质的量，也可以称之为重力，其大小为该物体的质量与物体所在地重力加速度的乘积。

即：W＝m g
式中：W——重量（或重力），N（牛顿）；
m——质量，kg；
g——重力加速度，m／s2。

同一物体在地球上不同地点，所受的重力不同，离地面越远重力越小。

物体受重力作用而获得加速度——重力加速度g。

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；以及其他天体对地球引力的变化和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。

即重力加速度的值是一个变量，随地理位置、海拔高度、气象条件而变化。

人们将物体在北纬45°海平面测得的重力加速度值称为标准重力加速度，其值为9.80665m／s2。

因此同一物体在地球上不同地点，为测得其重量，必须进行重力加速度的修正。

由此可以看出：重量实质是一个力值的概念，且随着重力加速度的不同而变化，重量的计量单位是牛顿（N）。

四、质量与重量的区别
通过对上述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。

它们区别如下：
3
4 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。

而重量则表示物体所受重力的大小，数值上等于物体的质量与重力加速度的乘积。

2、计量单位不同
质量的计量单位是千克（kg ），是SI 基本单位，而重量的计量单位则是牛顿（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，其量值大小随地理位置、海拔高度等因素而发生变化。

第二节 衡量原理
衡量也称为称量，就是利用天平或秤，为确定物体质量量值而进行的实验工作。

衡量的目的就是要求得未知物体的质量值。

这里所讲的实验工作是指在衡量中，根据一定原理、规范（如检定规程等）采用一定的比较方法和步骤进行操作和计算的总和。

衡量原理一般有杠杆原理、弹性变形原理、液压原理、力－电转换原理等。

一、杠杆原理
杠杆原理也称为杠杆的平衡条件，作用在杠杆上所有外力对杠杆
支点所产生的力矩之和为零时杠杆平衡。

各种杠杆式天平和秤都是根据这个原理制造的。

图1－1所示为一等臂杠杆（l 1＝l 2），A 、B 两点各作用一个力m 1g 1
和m 2g 2，O 为支点，根据杠杆平衡原理可得：
m 1g l 1＝ m 2g l 2
考虑到 l 1＝l 2
最后可得： m 1＝m 2
如果m 2是已知的标准质量，那么被测物体质量值就可以求出。

由此可知，杠杆原理的衡量结果是物体的质量。

二、弹性变形原理
根据虎克定律，利用弹性元件在重力作用下的变形与力的关系来确定作用力的
大小。

各种扭力天平与弹簧秤就是根据这个原理制造的。

图1－2所示是一个弹簧秤结构原理示意图。

不衡量物体时，弹簧原长为l 0，衡
量物体时（设物体的质量为m ），弹簧长由l 0拉长到l 1。

k （l 1－l 0）＝m g
设：n ＝l 1－l 0，上式可写成：
图1－1 杠杆平衡原理图
图1－2 弹簧秤示意图
5
n ＝m g ／k
实际上 n 就是弹簧的变形量。

即：弹簧变形量 n 与所称物体的重力m g 成正比，式中k 为比例常数。

由此可知，弹性变形原理衡量的结果是物体的重量。

三、液压原理
根据帕斯卡定律，液面平衡，压强相等来衡量物体质量的原理。

图1－3所示是一液压秤的原理示意图。

在一个连通器里有两个活塞，其面
积分别为A 1和A 2，活塞上面分别放置着质量为m 1和m 2的物体，根据帕斯卡液
压平衡原理，在液压平衡时有： 2
211A g m A g m = 即 22
11m A A m = 式中：A 1／A 2是两个活塞之间的面积比，也是液压秤的质量传递比，对一特定的秤，其比值是不变的。

如果m 2是已知标准质量，则被衡量物体质量m 1就可求得。

由此可见，液压原理衡量的结果是物体的质量。

四、力－电转换原理
力－电转换元件将作用于其上的物体重量按一定的函数关系转换成电量（电压、电流、频率等）输出。

然后经测量显示仪表进行处理，用数字形式显示被称物体的质量值。

力－电转换元件的实质是将物体的重量转换成弹性体变形量（类似于弹簧的变形，其变形量很小），通过相应的电子元件将弹性体的变形量转换成电量的变化，再经电路处理转换成电量输出。

力－电转换元件就是人们常说的传感器，如光栅、码盘、电磁力发生器、同步感应器、称重传感器等。

力－电转换原理的衡量结果是物体重量。

第三节 质量量值传递系统
质量计量就是借助天平或秤，千克原器或砝码等计量器具，采用一定的实验方法，求出被测物体质量值而进行的一系列测量工作。

可见，质量计量可归结为三大要素，那就是：天平或秤、千克原器或砝码和衡量方法（实验方法）。

质量的单位是千克，它是国际千克原器的质量，那么国际千克原器是如何建立的？
图1－3 液压秤原理示意图
m 1 m 2
一、国际千克原器的建立
1790年在法国立宪国民会议上规定：以通过巴黎地球子午线的四千万分之一为1m，以这个1米作标准，容积为1dm3的纯水在最大密度时（4℃）的质量为１kg。

为了便于复现，后来用90%的铂和10%的铱所组成的合金，制成了与这个质量相同的砝码，它的直径和高各为39mm，在1889年第一届国际计量大会上，这个砝码被确认为国际千克原器。

1884年制造了与国际千克原器同材质、同形状的千克原器近四十个，并分别与国际千克原器进行了比较检定，其检定值得到了第一届国际计量大会的承认，并发给各米制公约参加国作为各国的质量最高基准——国家千克原器。

目前的国际千克原器是国际计量局于1883年10月通过的编号为KIII的砝码。

它作为国际千克原器保存在巴黎的国际计量局的原器库内。

到目前为止，国际千克原器还是一个实物基准。

二、我国千克原器的建立
1965年我国由国际计量局购进了编号为№60和№61两个千克铂铱合金（铂90%、铱10%）砝码，其直径和高均为39mm，砝码材料取自伦敦，并进行加工调整。

1965年3月5日由国际计量局进行最后检定，1965年8月我国对这两个铂铱合金砝码进行了验收，由此作为我国质量单位的基准器。

现在我国使用的国家千克原器是№60，该砝码的质量标称值为1kg，其真空中质量值由国际计量局给出，测定结果的合成标准不确定度为2.3 g （1989年～1992年各国原器第三次周期比对的结果）。

三、质量传递系统
量值传递就是将国家基准所复现的计量单位量值通过各级标准逐级传递到工作用计量器具，以保证对被测对象所测得量值的准确一致。

我们所使用的砝码是一种“实物”，而且在空气中进行衡量，这样在使用过程中，砝码总是要受到磨损和污染，从而就要损失原有的准确度。

准确度越高的砝码，使用次数也以越少越好。

因此为了保存已建立的质量值，并把它控制在所要求的准确度范围内，必须控制高一级砝码的使用次数和使用范围，以减少对该种准确度砝码所造成的磨损和污染。

同时，根据多方面情况，认真地进行综合分析，然后规定出必要而且合适的检定周期。

基于这种思考方法所建立起来的各级砝码的质量值，一定是按金字塔形，由高到低，一级一级地向下传递的。

各级砝码均按其所要求的准确度各自排列在传递系统中的适当位置上。

第四节衡器的分类
衡器的种类繁多，其分类方法也不尽相同。

下面就常见的几种分类方法介绍如下：
一、按操作方式分类
根据衡器的操作方式的不同，把衡器分为自动衡器和非自动衡器两类。

6
1、自动衡器
所谓自动衡器，是指在称量过程中不需要操作者干预，并能按照预定的处理程序自动工作的衡器。

按照预定的处理程序自动工作是指加载、显示、记录等工作。

例如，皮带秤、螺旋给料秤、自动分检衡器、定量包装秤、电磁吸盘吊秤、自动轨道衡等。

2、非自动衡器
所谓非自动衡器，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称量结果）的衡器。

对此类衡器的指示或打印的称量结果，是可以直接观察的，均用“示值”一词来表述。

非自动衡器可以是模拟指示或数字指示的（有分度的或无分度的）；自行指示、半自行指示或非自行指示的。

非自行指示衡器是指完全依靠人员操作来取得平衡位置的衡器。

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。

依靠人员操作是指操作者向承载器上加、卸载荷以及移动游铊或加放增铊才能得到称量结果。

非自行指示衡器均为模拟指示的衡器。

自行指示衡器是指无人操作即可取得平衡位置和称量结果的衡器。

例如电子计价秤、电子汽车衡、度盘秤等，只要操作者将称重物加放在承载器上，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。

自行指示衡器可以是数字指示的衡器，如电子计价秤、电子汽车衡；也可以是模拟指示的衡器，如度盘秤。

这里需要说明的是自动衡器和自行指示衡器是两个不同的概念，不能将自行指示衡器误认为自动衡器。

目前制造、使用的衡器95％以上属于非自动衡器。

常见的自动衡器和非自动衡器见表1－1。

二、按准确度等级分类
根据检定分度值e 和检定分度数n ，非自动衡器（不包括天平）的准确度等级分为两个准确度等级。

其关系见表1－2。

表1－2非自动衡器的准确度等级
三、按用途分类
按使用目的衡器可分为商用衡器、工业衡器和专用衡器3类。

1、商用衡器类
一般用于商业流通领域，属商业贸易计量器具。

如杆秤、案秤、台秤、度盘秤、电子计价秤、轨道衡等等。

2、工业衡器类
一般用于矿山、冶金、机械、炼钢、化工、纺织、轻工、交通运输等部门。

如地秤、定量秤、配料秤、电子吊秤、电子皮带秤和称量车等等。

3、专用衡器类
一般用于国防、矿山、冶金、轻工、化工、纺织、交通运输等部门称量（或配置）某种特定物质。

如比例秤、飞机秤、包裹秤、包装秤等等。

四、按管理性质分类
衡器按其管理性质可分为强制管理衡器和非强制管理衡器两类。

1、强制管理衡器
按我国计量法规定，凡用于贸易结算、安全防护、医疗卫生、环境监测等方面的衡器一律实行强制管理，即实行强制检定。

属于强制检定的衡器包括各种各样的商业秤以及用于上述目的各种衡器。

2、非强制管理衡器
除了强制管理衡器之外，用于其他目的的或企业用于工艺过程的各种不同种类的衡器属非强制管理衡器，不进行强制检定。

第五节 衡器的计量特征和计量性能
一、衡器的计量特征
衡器的计量特征参数主要包括最大秤量、最小秤量、最大安全载荷、实际分度值、检定分度值和检定分度数等，下面分别予以介绍。

1、最大秤量
是指不计算添加皮重在内的最大称量能力。

用符号 Max 表示。

2、最小秤量
是指载荷少于该值时，称量结果可能产生过大的相对误差。

用符号 Min 表示。

最小秤量又称为称量下限，它与无效称量就形式上而言是同一问题，但实质上是有区别的。

无效称量是指在该秤量内的称量结果不可信赖。

而最小秤量则指秤量内的称量结果是否可以信赖，要根据被称量对象所需要的准确度而定。

衡器最小秤量与最大秤量之间的范围称为衡器的称量范围，又叫称量范围。

3、实际分度值
是指以质量为单位表示的下述数值：
（1）对模拟示值，系指相邻两个刻线对应值之差。

（2）对数字示值，系指相邻两个示值之差。

实际分度值用符号 d 表示。

国家标准规定秤的设计、制造，实际分度值必须满足1×10k 、2×10k 、5×10k
千克的形式，其中 k 为正整数、负整数或零。

4、检定分度值
是指用于对秤进行分级和检定时使用的，以质量单位表示的值，用符号 e 表示。

可以这样理解，检定分度值 e 是一个假定的值，不象实际分度值 d 那样刻在标尺上或出现在显示器上，而只是在标尺上或铭牌上加以标志。

假定一个检定分度值 e 的目的：一是为了划分准确度等级，二是为了用于在检定时确定允许误差。

检定分度值 e 尽管是假定的，却不是任意的，它受实际分度值 d 的制约。

我国规定：检定分度值 e 与实际分度值 d 的关系为：e ＝d ，e ＝2d ，e ＝5d 和 e ＝10d 四种。

对于某一具体的衡器，只能选择一种。

5、检定分度数
是指最大秤量与检定分度值之比，用 n 表示。

e
Max
n ＝
需要注意的是，不要把检定分度数 n 简单理解为在标尺上或度盘上全部刻出来的分度个数。

对标尺秤来说，标尺分度数是真实存在的，其它情况下检定分度数仅是一个计算值，不代表标尺上实有的分度数目。

6、衡器的误差
（1）示值误差：是指秤的示值与质量约定真值之差，用 E 表示。

示值误差用绝对误差表示。

（2）最大允许误差：是指秤处于标准位置时，其示值与标准砝码约定真值之差，是技术法规所允许的正或负的最大差值。

最大允许误差就是我们通常所说的允许误差，用mpe表示。

允许误差即可以用绝对误差表示，也可以用相对误差来表示。

二、衡器的准确度等级
衡器的准确度是指衡器在称量结果中系统误差和随机误差的综合影响程度，表述了称量结果与被称量真值间的一致程度。

准确度的高低通常用允许误差来表示，根据允许误差的大小划分的等级称为准确度等级。

不同级别的称量段范围是不同的，不同称量段的允许误差也是不同的。

1、衡器准确度等级的划分依据
衡器划分准确度等级的依据是检定分度值e 和检定分度数n。

按检定分度值e 划分准确度等级，表示绝对准确度；按检定分度数n 划分准确度等级，表示相对准确度。

2、非自动衡器的准确度等级
对于非自动衡器，其准确度等级分为两级，即中准确度级（又称3级）和普通准确度级（又称4级）。

与衡器准确度等级有关的检定分度值e 、检定分度数n 和最小秤量Min其表示方法见表1－2。

表1－2用于非自动衡器的准确度等级分级：当0.1g≤e≤2g时，为3级秤；当5g≤e时，由n＝Max／e计算出检定分度数n。

当1 000≤n≤10 000，为3级秤；当100≤n≤1 000，为4级秤。

例1－1最大秤量为6kg，检定分度值为2g的电子计价秤，其准确度级别为几级？
解一：
因检定分度值为2g，在0.1g≤e≤2g范围，为3级秤。

解二：
由n＝Max／e＝6000g ／2g＝3000
检定分度数在1000≤n≤10000，为3级秤。

例1－2最大秤量为6kg，检定分度值为10g的电子计价秤，其准确度级别为几级？
解：
由n＝Max／e＝6000g ／10g＝600
检定分度数在100≤n≤1000，为4级秤。

非自动衡器的准确度等级和最大允许误差的对应关系见表1－3。

表1－3 非自动衡器的最大允许误差表
非自动衡器的准确度等级的最大允许误差，是在衡器的不同称量范围内分段给出的。

从秤的零点到最。