電子地磅發展縱橫談

本文回顧了電子地磅的發展經歷，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展史上一些重要節點的記憶。闡明了電子地磅計量與科學技術相結合的重要性。對電子地磅發展的規律進行了探討。

世界是物質的，物質是運動的，沒有物質的運動與沒有運動的物質都是不可想象的。物質無時不刻不在從一種形態轉換為另一種形態，無時不刻不從一個物體轉移到另一物體。這是一個哲學的根本話題。自從進入到文明社會開始，人類的生產生活就和對物質的研究緊密相連。

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

電子地磅作為測量物體所含物質的多少的一種工具存在已經很久了。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量進行“計量”的歷史了。我國在秦朝就對度量衡進行了高度的統一和標準化。在“度量衡”這個概念中，尤以衡器最具復雜性，承載了最早的對物理原理的應用。阿基米德曾說過：“給我一個支點，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發展史。因此我們有理由說衡器不僅是最原始、最基本的計量器具，更是最早的科學儀器。衡器的發展不僅和人類的生活密切相關，而且隨人類的科學進步而不斷發展。

電子地磅的發展經歷了一個漫長的過程。根據杠桿原理，早期的衡器形態基本上是杠桿原理的簡單再現。等臂杠桿和不等臂杠桿均依據于杠桿原理，這兩種形式具有不同的優缺點。利用等臂杠桿形成了天平，主要用于稱量小質量和精度要求高的質量計量；利用不等臂杠桿形成了杠桿，普遍用于質量較大及精度要求不高的質量計量。這兩種形態的衡器，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生了多種變化；稱量范圍有了擴展；

18 世紀，蘇格蘭化學家 J.布萊克首次將刀子、刀承應用在天平上，從而制得精確的稱重器具，進一步改進了這類衡器的精度。但是衡器的基本形態沒有發生根本性的變化。

隨著工業革命的到來，開創了衡器技術革命的新篇章。

1678 年英國力學家胡克發現了胡克定律。胡克的彈性定律指出：彈簧在發生彈性形變時，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 是物質的彈性系數，它只由材料的性質所決定，與其他因素無關。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量計量的形式，計量過程中不再使用標準砝碼，顯示也可以以指針或數值形式給出，開創了自行指示秤的先河。給人們的生產、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，彈簧秤的出現還是給質量計量帶來了一次技術革命：第一，豐富了質量計量的技術方式。在利用杠桿原理之外，開辟了利用胡克定律對質量進行計量的新的方法。第二，簡化了質量計量的工作。第一次使得在質量計量的實際工作中，不再依靠標準砝碼，方便了質量計量的工作。第三，事實上首次引入了自行指示秤的概念，方便了人們對計量結果的讀取。

1831 年，美國人 T.費爾班克斯發明臺秤，綜合了不等臂桿秤和天平的優點，使各種機械式衡器趨于完善。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，實現了多級杠桿的應用；而且對質量的承載部分和質量的顯示部分進行了分離，為現代衡器形態的出路指明了方向。出現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展。從此衡器與近現代工業革命緊密相連。

十八世紀法國研究人員莫爾先生首先發現的一種光學現象—莫爾條紋。到二十世紀 50 年代利用莫爾條紋發展起來的光柵技術，在計量精密測量方面得到了迅猛的發展和應用，并且很快導致了光柵秤的出現。光柵秤仍然采用了機械杠桿，利用杠桿原理實現了對質量的變換和傳遞力的工作，然后利用象限桿進行力的平衡，把標尺光柵（動光柵） 聯接在象限桿上，則象限桿的廻轉就帶動標尺光柵旋轉一個角度。利用光柵原理，對莫爾條紋的變化來完成光電模數轉換 （增量式） 從而達到高分辨率質量結果的技術。最后再由可逆計數器、譯碼器數字等顯示重量值。光柵秤首次計數器、譯碼器數字等顯示重量值。光柵秤首次把質量計量和電、光等技術結合起來并成功地引入到衡器計量技術領域。它首次實現了質量計量結果的數字化顯示，首次把質量計量的結果以電信號的形式呈現給大家，為質量計量參與到自動控制提供了一種可能。光柵秤在二十世紀 50、60年代得到了發展并且到 80 年代達到頂峰。但是由于光柵秤，并沒有引發衡器計量原理的根本性技術革命，而是在力的傳遞過程中添加了一套光柵技術，增加了衡器技術的復雜度，在大型衡器尚且可以。但是在小型衡器等領域多有不便。隨著稱重傳感器的出現，光柵秤很快的走到了歷史的盡頭。然而，光柵秤還是給大家帶來了新意。他不僅首次實現了質量計量結果的電信號輸出，而且也實現了稱重結果的數字化顯示。

在質量計量的歷史上，人們一直不滿足于衡器技術的現狀，一直做著各種嘗試。在電子技術和半導體技術尚未成熟之前，一種完全依靠機械原理但將結果以數字化顯示的衡器也曾經長期得到應用。

機械式連續累計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通過的松散物料進行自動稱量的衡器。由重力傳遞系統、滾輪、機械式自動計數器和速度盤等組成。速度盤轉速正比于皮帶速度。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整。當皮帶上沒有物料時，滾輪靠近速度盤中心，轉速為零，計數器不累計；當皮帶上有物料時，滾輪隨著重力變大向周邊移動，并帶動計數器記下皮帶上通過的物料總量。形成了機械式計數器功能，對連續、穩定對物料質量進行計量的皮帶秤，達到了輸出累計結果的功能。這種衡器在依賴于稱重傳感器及電子儀表電子衡器出現之前，較好的滿足了大宗、散狀、顆粒物料連續計量的要求，在二十世紀 80 年代擁有較大的市場。

與此同時一種依賴于核物理技術的核子皮帶秤在二十世紀 80 年代出現在衡器領域。核子皮帶秤的工作原理是基于伽瑪射線穿透被測介質時，當伽馬射線能量一定的時候，其強度的衰減與介質的組分、密度和射線方向上的厚度呈指數關系，通過對載有物料時的射線強度進行連續測量，并與空皮帶 （或其它傳送設備） 時的射線強度測量比較，另外，對皮帶的運行速度加以測量，然后通過計算機系統的計算，直接顯示單位載荷、瞬時流量、累積量等工藝參數。其數學模型為：通過動態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，再經積分運算或累加運算得到一段時間內輸送物料的累計流量 W。用公式可表示為：Q＝q× v，W＝§Qdt＝§qvdt。由于這種計量方式不需要與被稱量物體發生直接的接觸，因此在一些特殊的領域得到了應用。當然，由于涉及到核技術以及對物料和使用條件要求較高，目前使用領域還較窄。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原理對物體的質量計量成為了一種可能，豐富了質量計量的形式和方法。

隨著新型材料及材料力學的發展，自二十世紀 80 年代開始，以稱重傳感器結合稱重儀表為主要部件的電子衡器開始大規模的占領衡器市場，頗有領導衡器新潮流的趨勢。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量信號轉變為可測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換成可計量的輸出信號。再由稱重 （二次） 儀表把接收到的電信號轉換并以數字或其他形式顯示成質量值。

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

伴隨稱重傳感器和二次儀表的不斷改進，模擬傳感器和數字傳感器交相輝映的應用，新技術不斷完善了電子衡器的制作工藝。微機的普及，無線傳輸技術的發展及互聯網的應用，軟件技術的完善都使得電子衡器成為引領質量計量技術的領航者。目前，電子衡器，高精度電子天平、工農業及日常流通領域的電子臺秤及大噸位的電子秤，動態電子衡器，連續及非連續電子累計衡器都得到了很好的應用。

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

當然，還有利用其他的科學原理和技術，獲得物體的質量值。比如在天體物理中天體質量的獲得、在原子物理、量子物理學中基本粒子質量的獲得，但這些儀器與傳統意義上的衡器相距甚遠，不能歸結為衡器了。

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、非連續和分立計量秤等等，其計量原理基本上是利用了杠桿原理、胡克定律、核物理技術和稱重傳感器原理等幾大技術。

縱觀衡器數千年的發展史，我們不難發現由于物質質量的特殊性，不僅質量單位的定義成為 7個國際基本單位唯一以實物定義的單位，而且確定質量值的基本方法，幾千年來也是從沒有中斷。依賴杠桿原理而產生的機械衡器，目前仍以巨大的生命力，存在于各行各業。隨著科學技術不斷創新、發展而出現的新型衡器，彈簧秤、核子（皮帶） 秤、電子秤不斷在壯大衡器的家族，不斷在適應和滿足現代社會的需求。

電子地磅的發展再次印證了科學技術發展的歷史，從簡單到復雜，再由復雜到簡單。而每一次的發展都是一次飛躍，都體現唯物主義的認識論觀點。我們有理由相信，衡器的發展必將像衡器的產生那樣因杠桿原理產生，隨工業革命的出現和科學技術的發展而變革，也必將隨信息革命的應用和未來新知識的出現而不斷完善和發展衡器自己。