天平
出处：按学科分类—工业技术 企业管理出版社《计量专业工程师手册》第238页（3927字）
1．天平及其分类
天平是高准确度级和特种准确度级的衡器。以往通常指支点在中央、力点在两侧的一种等臂杠杆型的质量计量仪器。这种等臂天平常被用来象征法律上的公正和平等，迄今仍是质量计量的有效而重要的手段之一。
天平根据其平衡方式，可分为杠杆式、弹性变形式和电磁力平衡式三种。根据读数类型，可分为指针刻度式、光学标牌式、数显式和自动记录式四种。根据承载装置的形式，可分为吊挂秤盘式和托盘式(上皿式)两类。根据秤量和计量性能，可分为高精密天平、精密天平、大型天平、中型天平、常量天平、半微量天平、微量天平和超微量天平等多种。根据用途和使用场合，可分为实验室天平、分析天平、工业天平、差热天平、比重天平(液体静力天平)、纱线天平、沉积(降)天平、水分测定天平、试金天平、克拉天平、自动片剂天平等等。根据自动化程度，可分为非自动天平和自动天平两类。根据有无电子部件，可分电子天平和机械天平两类。
2．天平的受力分析和特性
按力矩比较原理工作的等臂天平，可以认为是测量质量的简单而精密的装置之一。简化的等臂天平如图5．2－3所示，两臂绕支点O转动，并通过夹角θ或指针端点线位移d显示出不平衡。设质量为m的砝码产生的重力作用于B点，被称物体的重力作用于A点，它们之间相差一个很小的量Δmg。并设A、B、O三点处于同一直线上，则按力矩平衡原理可得：
图5．2－3 等臂天平的受力分析
Δmg·L cosθ=Mg·rsinθ
式中 L——天平的臂长；
M——天平的质量；
r——天平的重心G与支点O的距离(重心距)；
g——重力加速度。
为理解天平的测量原理，首先应讨论一下天平的灵敏度s。它是天平能够反应出两秤盘上物体质量差的能力，通常被定义为指针位移d与指针长度h的比值除以质量差Δm，即：
将式(5．2－5)代入式(5．2－6)后可得：
由此可见，灵敏度与天平的载荷无关，而与天平的臂长、质量有关。这是一个很重要的结论。实用上选择质轻刚劲的村料来制造天平的横梁。增加臂长或减小重心距，将有利于提高灵敏度。但重心距减小过多，会导致天平失稳。
可以看到，这种天平犹如一个复摆，设它对O点的转动惯量为T，则摆动周期T为：
将式(5．2－8)代入(5．2－7)后可得：
式中f——天平的固有频率。
由此可见，灵敏度愈高的天平，摆动得愈慢。这也是一个重要的结论。为了不影响衡量操作的速率，人们希望尽快地达到平衡，而又不至影响回转点的读数。这就需要在设计上进行选择，或者施加适当的阻尼，例如：空气阻尼、液体阻尼或磁场阻尼。同时，在实际应用中，对灵敏度应选得适中，因为提高灵敏度s往往以降低固有频率f为代价，这就势必影响天平的动态特性。
天平的正确度是指两臂相等的程度，可用不等臂误差表示。只要将两具物体在秤盘上互换位置，即可方便地检验出不等臂性。除制造因素、材质因素外，温度变化或两臂受热不均匀等环境因素，也可导致不等臂误差。
天平的稳定度是指天平受干扰后恢复到原平衡位置的能力。它主要取决于重心距，即重心愈低于支点，天平就愈为稳定，但灵敏度也随之下降。
天平的示值不变度是指在相同条件下，对同一物体多次衡量所得结果的一致程度。它与刀子、刀承、横梁等部件的加工、装配状况，以及环境条件的影响等均有关系。
目前的精密天平，其综合不确定度有的可达10－8～10－9量级。上述原理的等臂杠杆，有时也作为复杂计量仪器中的一个部件，用来测量其它的量。
3．机械天平和电子天平
(1) 机械天平是由机械构件组成，其载荷的补偿和平衡依靠机械原理完成的一类天平的总称。其示值可采用机械的、光学的或其它非电量的方法读得，例如骑码标尺读数或弹簧变形刻度等。机械天平的结构可以是双刀单盘、三刀双盘的杠杆式天平，也可以是借助弹簧变形的扭力天平、或者是架盘天平等。例如机械分析天平，其主要结构部件包括天平横梁、吊耳、刀口支承、制动装置、砝码拨盘机构、空气阻尼器、秤盘制动器、灵敏度螺旋、零点螺旋、刻度板、调平螺旋等。
(2) 电子天平是利用非电量－电量转换元件即称重传感器，把被称物体的质量按比例转换成电信号的一类天平的总称。根据秤量和准确度的不同，称重传感器有电阻应变式、电动线圈式和电磁力补偿式等多种。
目前(0．1～0．3)kg秤量范围的电子天平，以电磁力补偿原理居多，其工作原理如图5．2－4所示。在未加载时，来自电流调节器的电流I，使位置指示器上处于同一水平的两指针保持不动，而显示仪上的示值恰与天平的零点对应。加载后秤盘下降，这时借助于电流调节器提供更大的电流，直到产生的电磁力F补偿所加的载荷(图中100g)，使位置指示器两指针重新处于同一水平为止。此时，显示仪即指示出与被称物体质量成比例的、载荷与空秤之间的电流差。
图5．2－4 电子天平工作原理
4．分析天平和工业天平
(1)分析天平是秤量范围与读数能力都适用于化学分析或物理分析的一类高分辨率天平的总称。这类天平的最大秤量通常在200g以内，分度值在多数情况下小于最大秤量的10－5，通常包括常量天平、半微量天平、微量天平及超微量天平等。
常量天平是秤量为(100～200)g，分度值为(10－4～10－3)g，读数通常为0．1mg的一类用于常量分析的天平。半微量天平是秤量为(30～100)g，分度值为(10－5～10－4)g，读数通常为0．01mg的一类分析天平。微量天平是秤量为(3～50)g，分度值为(10－6～10－5)g，读数通常为1μg的一类用于微量分析的天平。超微量天平是秤量为5g以下，分度值为10－7～10－6，读数通常小于1μg的一类用于超微量分析的天平。根据秤量范围、工作原理和结构，分析天平可分为机械、光学和电子等多种。真空微量天平还需在真空氛围下，进行微小质量的测量和分析。
(2)工业天平是在工业生产过程中或在常规化学分析中，用于称量贵金属、药物、化学试剂或材料等一类天平的总称。它们大多用在工业和商业部门，有的只具有狭窄的用途；在多数情况下，其名称是用由用途确定的。例如比重天平、纱线天平、水份测定天平、药用天平、差热天平等。
以差热天平为例，它能对加热的物质在相变、氧化、还原、分解、脱水、升华等现象中所发生的质量变化和能量变化进行准确的测量，也称为热天平。这种工业天平装有温控装置，可在气体中或真空中称量，自动记录温度、差热和质量变化曲线。
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