数字秤的工作原理

数字秤的工作原理

一、秤的历史与意义

几个世纪以来，秤可以称量从花生到企鹅的各种东西。这只13周大的企鹅于1952年左右在伦敦动物园跳上了秤。秤是如此常见，以至于人们很容易忘记它更深层次的意义。从农产品货架上略微歪斜的弹簧秤就可以看出，秤长期以来一直是人类商业的主要仲裁者、航运的必要条件以及制药行业的实用工具。从最小、最精密的实验室天平到用于称量火车车厢和牵引式挂车的10×120英尺（3×37米）的大型秤，秤使现代生活成为可能。

秤（更确切地说是天平）在古代的建筑者、发明家和经济顾问的心中占有重要地位。早在公元前4000年初的小砝码就提供了人类对数字不断发展的理解的一些最初线索。埃及现存最基本的天平秤早于王朝时期，其建造时间早于公元前3000年。和我们一样，古埃及人在贸易以及矿石和合金的检验中都使用了天平[资料来源：《大英百科全书》；佩特鲁索]。

天平通过将物体与一个或多个参考砝码相匹配来称量物体，它的称量很精确，至今仍在实验室中使用。秤则使用略有不同的物理原理和机械部件来测量重量和其他力（重量只是物体由于重力而受到的力）。例如，弹簧秤利用胡克定律来测量重量，该定律将力（重量）与由特定材料制成的弹簧的拉伸或压缩相关联。

二、秤的类型与原理

（一）数字秤与机械秤

并非所有的秤都使用弹簧，但所有的秤都使用机械部件来测量重量。所以，机械秤和数字秤的区别仅在于它们显示重量的方式——机械方式还是电子方式。在后一种情况下，秤采用模数转换器，将秤的连续读数数据转换为离散的数字信息，这很像CD或MP3编码方案将音乐的波形数字化。一般来说，数字秤比机械读数的秤使用所需的专业知识更少，并且能够实现更高的精度和更快的处理速度。不过，特定设备的功能可能会有所不同，特别是在以吨为单位测量重量时[资料来源：卡马达；考克斯；克劳利]。

费尔班克斯秤具公司（Fairbanks Scales Inc.，专门生产大型工业秤）的产品开发总监德里克·马沙尼（Derrick Mashaney）说：“这要视情况而定。有几种主秤是机械的。它们经过调整，精度极高，没有任何其他秤能与之相比。”就像路边的千斤顶可能通过机械优势（手柄的杠杆作用或螺丝的斜面）来抬起汽车，而机械师的起重机可能使用液压一样，不同的秤使用各种操作原理（如液压、气动或弯曲梁）来称量物体。

（二）称重传感器（Load Cell）

无论是什么使它们拉伸、压缩或摆动，大多数现代秤都有一个共同的部件：称重传感器。称重传感器是一种换能器，一种将一种形式的能量转换为另一种形式的能量的装置。通过称重传感器，数字秤将机械能（由放置或悬挂的负载造成的挤压或拉伸）转换为电效应。例如，广泛使用的应变计（也可写作strain gage）通过惠斯通电桥中电阻的微小变化来读取压缩或拉伸[资料来源：马沙尼；欧米茄（Omega）]。

以压缩应变计为例来详细解释一下。当施加的力使物体体积减小时就会发生压缩，但它也可以指物体在一个或多个维度上更普遍的尺寸减小。实际上，挤压导电材料会改变其电阻，因为又长又细的导线比又短又粗的导线电阻更大[资料来源：克雷格（Craig）]。可以把它想象成水在管道中流动：管道越长越细，水就越难通过。

不同的材料在变形时会经历不同的电阻变化，这种特性称为应变系数（gauge factor）。应变系数也会随温度而变化。因此，在室温下性能良好的康铜合金（55%的铜和45%的镍）已成为应变测量的首选材料[资料来源：《大英百科全书》；克雷格；美国国家仪器公司（National Instruments）；普拉特（Pratt）]。

为了检测由重量压缩引起的电阻变化，一个或多个应变计被放置在惠斯通电桥内。惠斯通电桥是一种电路，它可以通过与电路中其他已知电阻相平衡来检测未知电阻。从某种意义上说，它就像一个用于测量电阻的天平：一侧的“重量”（电阻）可以告诉你另一侧未知的“重量”（电阻）[资料来源：克雷格；美国国家仪器公司；普拉特]。

一个电桥可以包含1 – 4个应变计。当使用多个应变计时，它们会被反向排列以提高灵敏度并减轻温度影响。由于应变电路中的电阻变化可能非常小，所以信号通常需要放大[资料来源：克雷格；美国国家仪器公司；普拉特]。当称重传感器测量到压缩电阻变化时，它会向CPU发送一个信号，CPU将其转换为显示板的输入，然后在数字屏幕上显示结果。无论使用应变计还是其他测量设备，这一原理都是适用的。

（三）杠杆（Lever）

杠杆对于称量大型物体很方便，因为杠杆作用可以将大力转换为小力。在一些大型汽车衡中，例如费尔班克斯制造的地磅，杠杆一端每增加400磅（181千克）的重量，在另一端仅转换为1磅（0.45千克）的重量。因此，称重传感器只需能够测量总重量的一小部分，这种秤就可以轻松处理50,000到100,000磅（22,679到45,359千克）的重量[资料来源：马沙尼]。

（四）其他类型的称重传感器

研究、工业和商业需要在看似无限多样的环境条件和空间限制下测量重量的能力，同时还要控制可能出现的误差。所以，尽管应变计是最广泛使用的称重传感器类型，但它们绝不是当今唯一使用的设计[资料来源：艾勒森（Eilersen）；欧米茄]。

需要更高安全性和无菌性的行业通常会使用气动称重传感器，它通过测量平衡物体所需的气压来得出物体的重量。这些“吹牛者”（此处为形象化表述）在食品行业或危险场所工作效果很好，因为它们不含可能渗漏、滴漏或喷溅到环境中的液体。气动称重传感器可以高精度地称量各种重量，但它们需要清洁、干燥的环境，而且往往反应较慢[资料来源：欧米茄]。

液压称重传感器通过测量流体压力的变化来测量负载，常用于称量储罐、料仓和料斗。由于它们不需要电力就能工作，所以在电力供应不确定的偏远地区工作效果很好。这些充满液体的装置价格昂贵且复杂，但很坚固，即使在百万磅的负载下也不会失效[资料来源：艾勒森；欧米茄；塔基罗夫（Takhirov）等人]。

“应变计”、“气动”和“液压”这些术语描述的是操作原理——本质上是每种称重技术所遵循的物理定律。但是，寻找秤的买家可能还会根据相关工作要求考虑称重传感器的尺寸、形状、配置、材料和其他物理方面。例如，需要在潮湿环境中进行测量的客户可能会选择密封罐式称重传感器，而关注净空问题的设施可能会选择更薄的弯曲梁式称重传感器[资料来源：马沙尼；欧米茄]。

选择外形尺寸也是为了尽量减少外力的影响。秤通常沿一个称为主轴的单一方向测量力——在重量的情况下，这意味着向下（在重力的方向上）。称重误差主要来自于与负载平行的离轴力和与负载垂直的侧向力[资料来源：诺瓦特克（Novatech）]。由于其之字形设计，S型梁称重传感器在消除侧向力方面表现出色[资料来源：欧米茄]。

三、秤的精度与相关因素

你踏上的数字秤是巧妙的工程设计和严谨科学的结晶。请对它表示一点尊重，好吗？有句老话说，一个有一块表的人知道时间，而有两块表的人永远不确定。秤也必须应对类似的难题：如果你对同一个物体称重两次，会得到相同的结果吗？在不同的日子，在不断变化的天气条件下呢？如果是这样，尽管有磨损，秤还能保持一致吗？

这些因素——分别称为重复性、再现性和调整性——都很重要，但潜在的买家还必须考虑更基本的问题，例如秤的重量范围，包括其最小和最大量程[资料来源：美国衡器协会（AWS）]。

然而，如果一个设备缺乏完成工作所需的准确度和精度，这些统计数据就没什么意义了。虽然这两个术语经常被误用作同义词，但它们不能互换：准确度描述仪器测量实际值或预期值的接近程度，而精度指的是测量的细致程度或精确程度。一个测速枪将90.4213英里/小时的快球测速为90英里/小时，这是准确但不精确的；一个测速枪将同一个快球测速为88.3246英里/小时，这是精确但不准确的。

秤通常将准确度表示为满量程（FS）的百分比——设备可以测量的总校准范围。例如，1%的FS准确度对于500磅的秤可能意味着±5磅，但对于100磅的秤则是±1磅。或者，误差也可以表示为实际读数（AR）的百分比：对于在这样一个秤上称重100磅的物体，2%的AR意味着2磅的误差，无论秤的量程是10磅还是10,000磅[资料来源：美国衡器协会；布施（Busch）；普林特（Plint）]。

秤的精度同样是可变的。按照工业标准，无论量程如何，秤最多可分为10,000个分度：因此，10,000磅的秤将以1磅为增量划分，而500,000磅的秤将以50磅为增量划分[资料来源：美国衡器协会；克劳利；马沙尼]。称重设备根据这些分度被分为不同的类别（见侧边栏）。

考虑到这一点，在选择秤时，应尽量选择量程足够高以测量所需物体，但又不要过高的秤。这将确保你获得尽可能高的精度。

不同类别秤的精度特点

Ⅰ类秤常用于精密实验室称重，至少有50,000个分度，每个分度为1毫克或以上。

Ⅱ类秤用于较大的实验室标本或宝石，有100 – 100,000个分度，每个分度为1 – 50毫克，或者100毫克及以上[资料来源：美国衡器协会；美国国家标准与技术研究院（NIST）]。

Ⅲ类商业秤可称量从邮资到动物的各种物品。它们有100 – 10,000个分度，增量范围从0.1 – 2.0克，或者5克及更大。

ⅢL类设备包括车辆秤，有2,000 – 10,000个分度，每个分度为2千克或以上。

ⅢI类秤被公路重量执法部门用于检查车轮和车轴负载，有100 – 1,200个分度，每个分度为5克或以上[资料来源：美国衡器协会；美国国家标准与技术研究院]。