電子地磅發(fā)展縱橫談

本文回顧了電子地磅的發(fā)展經(jīng)歷，對電子地磅的一些主要形式做了介紹。以期喚起人們對衡器發(fā)展史上一些重要節(jié)點(diǎn)的記憶。闡明了電子地磅計(jì)量與科學(xué)技術(shù)相結(jié)合的重要性。對電子地磅發(fā)展的規(guī)律進(jìn)行了探討。

世界是物質(zhì)的，物質(zhì)是運(yùn)動的，沒有物質(zhì)的運(yùn)動與沒有運(yùn)動的物質(zhì)都是不可想象的。物質(zhì)無時不刻不在從一種形態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種形態(tài)，無時不刻不從一個物體轉(zhuǎn)移到另一物體。這是一個哲學(xué)的根本話題。自從進(jìn)入到文明社會開始，人類的生產(chǎn)生活就和對物質(zhì)的研究緊密相連。

質(zhì)量就是物體所含物質(zhì)的多少。質(zhì)量有兩個屬性：慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量，近現(xiàn)代物理已將二者合二而一，統(tǒng)稱質(zhì)量。對質(zhì)量的研究就是對物質(zhì)研究的具體化。衡器就是：利用作用在物體上的重力等各種稱量原理，確定質(zhì)量或作為質(zhì)量函數(shù)的其他量值、數(shù)值、參數(shù)或特征的一種計(jì)量儀器。

電子地磅作為測量物體所含物質(zhì)的多少的一種工具存在已經(jīng)很久了。我國和古埃及等中外文明古國大約在距今 5000 多年前就開始了對質(zhì)量進(jìn)行“計(jì)量”的歷史了。我國在秦朝就對度量衡進(jìn)行了高度的統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)化。在“度量衡”這個概念中，尤以衡器最具復(fù)雜性，承載了最早的對物理原理的應(yīng)用。阿基米德曾說過：“給我一個支點(diǎn)，我就能撬起整個地球。”這句話便是對杠桿原理通俗化的描述。也由此開始了衡器的科學(xué)發(fā)展史。因此我們有理由說衡器不僅是最原始、最基本的計(jì)量器具，更是最早的科學(xué)儀器。衡器的發(fā)展不僅和人類的生活密切相關(guān)，而且隨人類的科學(xué)進(jìn)步而不斷發(fā)展。

電子地磅的發(fā)展經(jīng)歷了一個漫長的過程。根據(jù)杠桿原理，早期的衡器形態(tài)基本上是杠桿原理的簡單再現(xiàn)。等臂杠桿和不等臂杠桿均依據(jù)于杠桿原理，這兩種形式具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。利用等臂杠桿形成了天平，主要用于稱量小質(zhì)量和精度要求高的質(zhì)量計(jì)量；利用不等臂杠桿形成了杠桿，普遍用于質(zhì)量較大及精度要求不高的質(zhì)量計(jì)量。這兩種形態(tài)的衡器，因其制作工藝較簡單、使用場合廣泛，至今仍在使用。在這期間這兩種衡器的制作材料發(fā)生了多種變化；稱量范圍有了擴(kuò)展；

18 世紀(jì)，蘇格蘭化學(xué)家 J.布萊克首次將刀子、刀承應(yīng)用在天平上，從而制得精確的稱重器具，進(jìn)一步改進(jìn)了這類衡器的精度。但是衡器的基本形態(tài)沒有發(fā)生根本性的變化。

隨著工業(yè)革命的到來，開創(chuàng)了衡器技術(shù)革命的新篇章。

1678 年英國力學(xué)家胡克發(fā)現(xiàn)了胡克定律。胡克的彈性定律指出：彈簧在發(fā)生彈性形變時，彈簧的彈力 F 和彈簧的伸長量 （或壓縮量） x 成正比，即 F=k·x。k 是物質(zhì)的彈性系數(shù)，它只由材料的性質(zhì)所決定，與其他因素?zé)o關(guān)。由此有別于杠桿原理的一種新型的衡器—彈簧秤誕生了。彈簧秤顛覆了幾千年來的質(zhì)量計(jì)量的形式，計(jì)量過程中不再使用標(biāo)準(zhǔn)砝碼，顯示也可以以指針或數(shù)值形式給出，開創(chuàng)了自行指示秤的先河。給人們的生產(chǎn)、生活帶來了極大的方便。但是，由于胡克定律的適用范圍受到材料及彈簧伸長量的限制，使得彈簧秤在量限及精度等方面都有一定的局限性，無法做出大稱量的衡器。盡管如此，彈簧秤的出現(xiàn)還是給質(zhì)量計(jì)量帶來了一次技術(shù)革命：第一，豐富了質(zhì)量計(jì)量的技術(shù)方式。在利用杠桿原理之外，開辟了利用胡克定律對質(zhì)量進(jìn)行計(jì)量的新的方法。第二，簡化了質(zhì)量計(jì)量的工作。第一次使得在質(zhì)量計(jì)量的實(shí)際工作中，不再依靠標(biāo)準(zhǔn)砝碼，方便了質(zhì)量計(jì)量的工作。第三，事實(shí)上首次引入了自行指示秤的概念，方便了人們對計(jì)量結(jié)果的讀取。

1831 年，美國人 T.費(fèi)爾班克斯發(fā)明臺秤，綜合了不等臂桿秤和天平的優(yōu)點(diǎn)，使各種機(jī)械式衡器趨于完善。這可以說是衡器歷史的又一次變革。

由此形成了案秤、臺秤及地中衡等一系列衡器。

這一次的變革，不僅充分利用了杠桿原理，實(shí)現(xiàn)了多級杠桿的應(yīng)用；而且對質(zhì)量的承載部分和質(zhì)量的顯示部分進(jìn)行了分離，為現(xiàn)代衡器形態(tài)的出路指明了方向。出現(xiàn)了傳力杠桿和多級杠桿，使得衡器的稱量范圍得到了巨大擴(kuò)展。從此衡器與近現(xiàn)代工業(yè)革命緊密相連。

十八世紀(jì)法國研究人員莫爾先生首先發(fā)現(xiàn)的一種光學(xué)現(xiàn)象—莫爾條紋。到二十世紀(jì) 50 年代利用莫爾條紋發(fā)展起來的光柵技術(shù)，在計(jì)量精密測量方面得到了迅猛的發(fā)展和應(yīng)用，并且很快導(dǎo)致了光柵秤的出現(xiàn)。光柵秤仍然采用了機(jī)械杠桿，利用杠桿原理實(shí)現(xiàn)了對質(zhì)量的變換和傳遞力的工作，然后利用象限桿進(jìn)行力的平衡，把標(biāo)尺光柵（動光柵） 聯(lián)接在象限桿上，則象限桿的廻轉(zhuǎn)就帶動標(biāo)尺光柵旋轉(zhuǎn)一個角度。利用光柵原理，對莫爾條紋的變化來完成光電模數(shù)轉(zhuǎn)換 （增量式） 從而達(dá)到高分辨率質(zhì)量結(jié)果的技術(shù)。最后再由可逆計(jì)數(shù)器、譯碼器數(shù)字等顯示重量值。光柵秤首次計(jì)數(shù)器、譯碼器數(shù)字等顯示重量值。光柵秤首次把質(zhì)量計(jì)量和電、光等技術(shù)結(jié)合起來并成功地引入到衡器計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域。它首次實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量計(jì)量結(jié)果的數(shù)字化顯示，首次把質(zhì)量計(jì)量的結(jié)果以電信號的形式呈現(xiàn)給大家，為質(zhì)量計(jì)量參與到自動控制提供了一種可能。光柵秤在二十世紀(jì) 50、60年代得到了發(fā)展并且到 80 年代達(dá)到頂峰。但是由于光柵秤，并沒有引發(fā)衡器計(jì)量原理的根本性技術(shù)革命，而是在力的傳遞過程中添加了一套光柵技術(shù)，增加了衡器技術(shù)的復(fù)雜度，在大型衡器尚且可以。但是在小型衡器等領(lǐng)域多有不便。隨著稱重傳感器的出現(xiàn)，光柵秤很快的走到了歷史的盡頭。然而，光柵秤還是給大家?guī)砹诵乱?。他不僅首次實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量計(jì)量結(jié)果的電信號輸出，而且也實(shí)現(xiàn)了稱重結(jié)果的數(shù)字化顯示。

在質(zhì)量計(jì)量的歷史上，人們一直不滿足于衡器技術(shù)的現(xiàn)狀，一直做著各種嘗試。在電子技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)尚未成熟之前，一種完全依靠機(jī)械原理但將結(jié)果以數(shù)字化顯示的衡器也曾經(jīng)長期得到應(yīng)用。

機(jī)械式連續(xù)累計(jì)皮帶秤就是這樣一類衡器。

滾輪皮帶秤指對放置在皮帶上并隨皮帶連續(xù)通過的松散物料進(jìn)行自動稱量的衡器。由重力傳遞系統(tǒng)、滾輪、機(jī)械式自動計(jì)數(shù)器和速度盤等組成。速度盤轉(zhuǎn)速正比于皮帶速度。滾輪滾動的角速度正比于皮帶上通過的物料量。滾輪在速度盤上滾動的位置由物料的重力大小來調(diào)整。當(dāng)皮帶上沒有物料時，滾輪靠近速度盤中心，轉(zhuǎn)速為零，計(jì)數(shù)器不累計(jì)；當(dāng)皮帶上有物料時，滾輪隨著重力變大向周邊移動，并帶動計(jì)數(shù)器記下皮帶上通過的物料總量。形成了機(jī)械式計(jì)數(shù)器功能，對連續(xù)、穩(wěn)定對物料質(zhì)量進(jìn)行計(jì)量的皮帶秤，達(dá)到了輸出累計(jì)結(jié)果的功能。這種衡器在依賴于稱重傳感器及電子儀表電子衡器出現(xiàn)之前，較好的滿足了大宗、散狀、顆粒物料連續(xù)計(jì)量的要求，在二十世紀(jì) 80 年代擁有較大的市場。

與此同時一種依賴于核物理技術(shù)的核子皮帶秤在二十世紀(jì) 80 年代出現(xiàn)在衡器領(lǐng)域。核子皮帶秤的工作原理是基于伽瑪射線穿透被測介質(zhì)時，當(dāng)伽馬射線能量一定的時候，其強(qiáng)度的衰減與介質(zhì)的組分、密度和射線方向上的厚度呈指數(shù)關(guān)系，通過對載有物料時的射線強(qiáng)度進(jìn)行連續(xù)測量，并與空皮帶 （或其它傳送設(shè)備） 時的射線強(qiáng)度測量比較，另外，對皮帶的運(yùn)行速度加以測量，然后通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算，直接顯示單位載荷、瞬時流量、累積量等工藝參數(shù)。其數(shù)學(xué)模型為：通過動態(tài)檢測皮帶單位長度上的物料重量 （單位荷重） q 和皮帶速度 v，將兩個信號相乘得到瞬時流量 Q，再經(jīng)積分運(yùn)算或累加運(yùn)算得到一段時間內(nèi)輸送物料的累計(jì)流量 W。用公式可表示為：Q＝q× v，W＝§Qdt＝§qvdt。由于這種計(jì)量方式不需要與被稱量物體發(fā)生直接的接觸，因此在一些特殊的領(lǐng)域得到了應(yīng)用。當(dāng)然，由于涉及到核技術(shù)以及對物料和使用條件要求較高，目前使用領(lǐng)域還較窄。盡管如此，核子皮帶秤的稱重原理，再次突破了杠桿原理和胡克定律。使得利用核物理技術(shù)原理對物體的質(zhì)量計(jì)量成為了一種可能，豐富了質(zhì)量計(jì)量的形式和方法。

隨著新型材料及材料力學(xué)的發(fā)展，自二十世紀(jì) 80 年代開始，以稱重傳感器結(jié)合稱重儀表為主要部件的電子衡器開始大規(guī)模的占領(lǐng)衡器市場，頗有領(lǐng)導(dǎo)衡器新潮流的趨勢。電子衡器一般由稱重載荷裝置、稱重傳感器和稱重 （二次） 儀表等組成。稱重傳感器是一種將物體的質(zhì)量信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y量的電信號輸出的裝置。即將作用在被測物體上的重力按一定比例轉(zhuǎn)換成可計(jì)量的輸出信號。再由稱重 （二次） 儀表把接收到的電信號轉(zhuǎn)換并以數(shù)字或其他形式顯示成質(zhì)量值。

電子衡器的計(jì)量原理利用了質(zhì)量的引力 （重力） 屬性，但完全拋開了杠桿原理和胡克定律，由此使質(zhì)量計(jì)量的方式大大的簡化。又由于稱重傳感器的量限和形式，隨著材料科學(xué)和制作工藝的不斷改進(jìn)和發(fā)展，使得傳感器不但在實(shí)現(xiàn)方法上，而且在精度及量限都極大的滿足了質(zhì)量科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活。使得電子衡器很快的占據(jù)了市場。

伴隨稱重傳感器和二次儀表的不斷改進(jìn)，模擬傳感器和數(shù)字傳感器交相輝映的應(yīng)用，新技術(shù)不斷完善了電子衡器的制作工藝。微機(jī)的普及，無線傳輸技術(shù)的發(fā)展及互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，軟件技術(shù)的完善都使得電子衡器成為引領(lǐng)質(zhì)量計(jì)量技術(shù)的領(lǐng)航者。目前，電子衡器，高精度電子天平、工農(nóng)業(yè)及日常流通領(lǐng)域的電子臺秤及大噸位的電子秤，動態(tài)電子衡器，連續(xù)及非連續(xù)電子累計(jì)衡器都得到了很好的應(yīng)用。

二十世紀(jì) 80、90 年代機(jī)電結(jié)合秤曾近獲得了很好的應(yīng)用。這是一種利用了杠桿原理的機(jī)械秤的承載部分，在傳力部位添加了稱重傳感器，將質(zhì)量信號轉(zhuǎn)換為電信號再由二次儀表將電信號轉(zhuǎn)換并顯示為質(zhì)量值的一類衡器。但是隨著稱重傳感器造價的大幅度降低，目前這類衡器已經(jīng)基本退出了衡器市場。機(jī)電結(jié)合秤和光柵秤類似，由于在計(jì)量原理上沒有新的突破，其生命力很難長久。

當(dāng)然，還有利用其他的科學(xué)原理和技術(shù)，獲得物體的質(zhì)量值。比如在天體物理中天體質(zhì)量的獲得、在原子物理、量子物理學(xué)中基本粒子質(zhì)量的獲得，但這些儀器與傳統(tǒng)意義上的衡器相距甚遠(yuǎn)，不能歸結(jié)為衡器了。

目前，衡器的種類繁多，不論自動秤和非自動秤，不論自行指示秤和非自行指示秤，不論連續(xù)、非連續(xù)和分立計(jì)量秤等等，其計(jì)量原理基本上是利用了杠桿原理、胡克定律、核物理技術(shù)和稱重傳感器原理等幾大技術(shù)。

縱觀衡器數(shù)千年的發(fā)展史，我們不難發(fā)現(xiàn)由于物質(zhì)質(zhì)量的特殊性，不僅質(zhì)量單位的定義成為 7個國際基本單位唯一以實(shí)物定義的單位，而且確定質(zhì)量值的基本方法，幾千年來也是從沒有中斷。依賴杠桿原理而產(chǎn)生的機(jī)械衡器，目前仍以巨大的生命力，存在于各行各業(yè)。隨著科學(xué)技術(shù)不斷創(chuàng)新、發(fā)展而出現(xiàn)的新型衡器，彈簧秤、核子（皮帶） 秤、電子秤不斷在壯大衡器的家族，不斷在適應(yīng)和滿足現(xiàn)代社會的需求。

電子地磅的發(fā)展再次印證了科學(xué)技術(shù)發(fā)展的歷史，從簡單到復(fù)雜，再由復(fù)雜到簡單。而每一次的發(fā)展都是一次飛躍，都體現(xiàn)唯物主義的認(rèn)識論觀點(diǎn)。我們有理由相信，衡器的發(fā)展必將像衡器的產(chǎn)生那樣因杠桿原理產(chǎn)生，隨工業(yè)革命的出現(xiàn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而變革，也必將隨信息革命的應(yīng)用和未來新知識的出現(xiàn)而不斷完善和發(fā)展衡器自己。