文中简要分析了重力加速度的各类变化因素,再讨论了重力加速度对测量准确度的影响,重点研究了地球纬度和海拔高度对称量结果的影响,最后提出常见的两种电子天平的重力加速度补偿方法。
重力加速度是物理学科中的词汇,是指地面附近的物体由于受到地心引力的作用而产生一个向下的加速度,物体的重力加速度产生是由地心引力的作用和地球自转产生的离心力的作用共同造成的,其方向是垂直于地面水准面的。平常生活中人们通常采用标准重力加速度,即在北纬 45°海平面处测得的重力加速度值。但实际上,重力加速度的大小受许多因素的影响,例如纬度、海拔高度、地球内部密度、局部大气压改变、地下水改变、地球和月球太阳的相对位置的变换、海潮的变化、地极的变化、局部磁场等等,其具体值由地点的改变而发生改变。
其中纬度和海拔高度因素对重力加速度的影响是最大的。地球的自转会使其表面产生变化,不同维度地区,由于地心引力、惯性离心力及夹角的不同,重力加速度都会有不同。由地球纬度变化而造成的电子天平的测量误差达到了 0. 8% 左右;而由于海拔越高,重力加速度越小,(海拔每增加 1 米,重力加速度的数量级就减小 10-6 m/s 2 )。当纬度相同时,离地面的垂直高度即海拔高度的不同可以给电子天平的称量结果造成 0. 2%以上的称量误差。
重力加速度对电子天平称量准确度的影响:
当位于甲地使用电磁式电子天平称量被测物体时,用 100g 的标准砝码校准电磁式电子天平时,其校准后的处理结果为 100. 00000g。当位于乙地使用电子天平称量被测物体时,再称量同一砝码,其称量结果变化为 100. 00005g。有这个例子可见,处理结果会随着重力加速度的改变而改变。本为重点讨论纬度和海拔高度对电子天平称量准确度的影响。为地球表面电子天平被测物体的受力示意图。其中被测物体质量为 m,所处位置的纬度为 β,海拔高度为 H。忽略太阳、月亮与地球的相对位置的对重力加速度影响,将地球看作密度相同的球体。
重力加速度影响的自动补偿方法:
结合电子天平的称量原理可知,电子天平主要使用电磁传感器来测量被测物的质量,其测量过程经历了将质量转化为重力,再转化为电信号的过程,因此,重力加速度对称量的结果有着重要的影响。电子天平的称量工作要根据使用的地点实施重力加速度补偿。
内置校准砝码补偿方法及其缺点:
目前电磁式电子天平使用内置的校准重量补偿方法,即在电子天平内安装用于校准的标准砝码。通过称量校准砝码的质量来计算出称重地点的重力加速度值。永磁体的磁感应强度 B 和线圈的长度 L是恒定的,传感器输出电流 I 和 A/D 转换之后,再显示出称量结果。具体计算如下,已知被测物体的质量,并且准确度高于电子天平的准确度,则可以由公式推出称量地点的重力加速度值。该标准质量就是校正砝码的质量。这种补偿方法要求电子天平配置加载系统和自校专用标准砝码,这种配置会增加了电子天平的生产成本,也提高了工艺复杂性。除此之外这种方法还有一个缺点,当标准砝码经过长期使用之后,由于表面难以进行清洁处理就不能再用于砝码的检定工作,内置砝码的质量会发生变化。变化后,即使再对电子天平进行校准也不能使电子天平称量准确,还极易造成电子天平的时漂误差。这也就表明在使用电子天平时,如果经过反复校准,仍存在称量误差时,很有可能时因为内置砝码的质量变化而造成的。这是就需要使用外附校准砝码补偿方法来校准电子天平了。
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