探討重力加速度對力學計量器具精準性的影響

姚彬

（菏澤市產品檢驗檢測研究院，山東 菏澤 274000）

力學計量器具是平時生活中較為常見的器材，在運用該器具進行實際測量過程中，其測量結果往往與重力加速度有著密切的聯系，而世界上各個區域的重力加速度值并不是完全統一，具體數值會隨著各個地方維度、海拔等數值的變化而變化，表現出十分顯著的地域差異性特征。因此，可以看出重力加速度會對力學計量器材測量的精準性產生較大影響。正確認識到重力加速度對力學計量器具測量精準性的影響，分析與制定切實可行的改善策略，最大程度降低重力加速度數值變化帶來的誤差范圍，這對于提高力學計量器具實際測量精準性有著十分重要的作用。本文重點分析了重力的概念，歸納和總結了重力加速度和力學計量器具的關聯關系，探究了重力加速度對力學計量器具測量精準性的影響，并給予了相應的處理對策，為進一步提高力學計量器具精準性提供幫助。

1 重力的概念

重力通常表示為由地球引力作用導致的指向地心的一種力，其實際數值大小會隨著物體質量的增加而增大。一般來說，物體重量表示為物體承受重力的大小。根據牛頓第二定律可以得知，物體的實際重力可以通過物體質量與該區域的重力加速度相乘計算得出，然而各個區域的重力加速度會隨著該區域海拔、緯度以及地徑等多方面因素的影響，并不是恒定不變的，從而可以得知，即便是同一個物體，在不同區域其重力數值是不相同的。因為重力加速度在不同維度、不同海拔以及不同地徑條件下會產生相應的變化，假使測量區域不相同，即便是同一質量的兩個物體，其重力也會不相同。依照計算公式g=9.80665×（1-0.00265cos2ψ）/（1+2h/R），從上述公式中可以看出，重力加速度會隨著地區緯度ψ 值的增大而變大，同時會隨著區域海拔高度h 的提高而減小，即重力加速度正比于地區溫度，反比于地區海拔高度。

2 力學計量器具的測量原理分析

在進行力的測量時，可以通過多種方式來實現，依照重力的概念，一般將力的測量方法概括為兩種，分別是力的“靜力效應”以及力的“動力效應”。

2.1 依托于力的動力效應測量力值

力的動力效應一般表示為基于某個已知物體在地球重力場中的重力加速度數值與質量數值來計量力的大小。由此可以看出，要想有效測定力值大小，必須要先準確獲取待測定物體的質量和其擁有的加速度。所有物體均處于地球重力場中，在地球引力的作用下會產生重力加速度，人們便將該力稱之為“重力”。所以，可以使用某個已知質量的物體在地球重力場中的重力來測量力值，或者將重力擴大后，依托于力的平衡比較來測量力值。這種方式便是依托于力的動力效應測量力值大小的原理。像杠桿式與液壓式標準測力機、機械杠桿秤以及天平等計量器具均是基于上述原理進行力值測量的。

從本質上來看，該標準測力機就是一個放大的不等臂天平，而液壓式標準機則于此存在較大不同，其是依托于帕斯卡原理實現力值測量的，然而不管是哪種標準測力機，其均是將已知砝碼的重力擴大之后，再作用到被檢測力儀上，再依托于對比的方式，對被檢測力儀進行示值定度。

2.2 依托于力的靜力效應測量力值

力的靜力效應一般表示為物體在出現形變的同時，內部會出現一種應力，導致物體表面產生一定的物理特征變化。在依托于這種原理進行力值大小測量時，其工作方式主要涵蓋了以下2 種形式。

（1）依托于某些彈性元件變形進行力值大小測量。以這種方式進行力值測量的力學計量器具類型較多，常見的有彈性式百分表、彈性式壓力表以及標準測力儀等。在利用這類力學計量器具進行力值測量時，在被測量力的作用下，計量器具中的彈性元件會發生相應的形變，然后依照形變的具體大小，獲得被測量力值的大小。

（2）通過結合部分物理效應的不同類型力傳感器進行力值大小的測量。以這種方式進行力值測量的力學計量器具類型也比較多，比如說數字壓力表，在力傳感器中，當施加被測力時，應變片會產生相應的改變，緊接著將該改變變化為電容、電阻等物理特征輸出，最后對電路進行測量，以此來得到被測力值的大小。以數字壓力表為例進行說明，當被測力施加到數字壓力表上之后，壓力接口會將信息傳送給傳感器感應模塊中，之后傳感器放大感應信號，同時開展V/A 轉化，然而發送到CPU 進行處理，最后顯示出測定數值。通常情況下，數字壓力表基于重力標定，能夠顯示壓強數值，當測量地發生變化時，由于重力加速度的改變，當確保施加壓力數值不改變時，數字壓力表顯示出的數值也是不同的，由此可以看出，重力加速度會對實際測量精準性產生較大影響。

值得注意的是，依托于力的靜力效應進行力值大小測量時，重力加速度均會對最終測量結果產生一定的影響。我國幅員遼闊，緯度跨度十分大，同時不同區域的海拔變化也非常大，進而導致重力加速度在不同區域差異較為明顯。海口與漠河位于我國的最南端與最北端，其維度差異了32°，重力加速度改變幅度為0.27%。拉薩的海拔高度達到了3650m，漠河海拔高度為600m，兩者海拔高度相差了大約3000m，重力加速度改變幅度為0.31%，可以看出變化幅度還是非常大的，會對力值測量精準性產生較大影響。同一個力學計量器具，在某個地方進行力值測量能夠得到準確的結果，然而到另一個地方測量可能會產生較大的誤差。另外，我國不同城市的重力加速度也有著較大區別，各個城市具體重力加速度值如表1 所示，也會對力學計量精準性產生較大影響。

表1 我國不同城市重力加速度數值

3 重力加速度對力學計量器具精準性的影響

3.1 影響

當重力加速度發生變化時，對力學計量器具的測量結果也會產生一定的影響，難以充分保障力值測量的精準性，然而這種影響產生的誤差大小也是高低不等。力學計量器具測量中存在一個誤差標準界定，當重力加速度的變化幅度dg/g 不大于5×104，則測量結果是位于合理誤差范圍內的，力學計量器具在出廠檢定中不要求考慮重力加速度的影響。比如說上海生產制造的數字壓力表，在上海本區域內銷售與應用時，數字壓力表只需要進行一般的出廠檢驗即可，達到相應的精準度要求便可進入市場銷售。反之，因為重力加速度變化量產生的誤差值已經超過了標準誤差范圍時，力學計量器具在發送到實際應用地方之后，應當要進行二次校準，保證力學計量器具的精準性和使用區域相匹配。例如，廣州區域產的電子秤，在接受一系列出廠檢定之后，精準性達到標準要求，最大示值為3kg，分度值為1g，精準等級達到了III 級，允許的最大誤差為1.5g。當將該電子秤拿到沈陽使用時，依照理論分析與計算，最大示值和顯示值之間存在不對等現象，從而造成重力加速度引發的誤差偏大，電子秤的實際測量精準性不高，需要進行二次校準。

3.2 應對方法

從上文分析可以看出，重力加速度變化會對力學計量器具精準性產生較大影響，為了有效避免這種原因導致的力值測量誤差，應當要采取相應的措施給予改善，具體可以從以下幾個方面進行。

（1）從力學計量器具生產廠家視角來看，在進行力學計量器具設計與開發的同時，可以匹配專業軟件進行重力誤差補償，當力學計量器具運輸到其他區域之后，企業工作人員只需要通過后臺將該區域的重力加速度數值輸入進去，依托于單片機進行自動處理，就能夠實現遠程力學計量器具自動校準。

（2）在力學計量器具中，實現規劃好一組二進制開關，同時調整開關處于適宜狀態，之后調整放大倍數，進而能夠修正重力加速度改變引發的測量誤差，也可以使用電位器實現對力學計量器具的調整。

（3）借助于自動標定方法的使用，平衡因為重力加速度改變產生的測量誤差。力學計量器具在實際應用前，將標準器放入其中，緊接著依托于鍵盤對操作系統進行調整與改進，在進行相關微處理以后，確保力學計量器具上顯示的數值與標準器標稱值相同。

（4）力學計量器具生產企業在實際進行生產制造過程中，可以事先根據力學計量器具的實際使用調整好相關參數，消除因為重力加速度變化造成的力值測量誤差。例如，在廣州地區制造的示值為3000g 的電子秤，如果該電子秤需要發送到沈陽使用，生產企業可以在出廠前對電子秤進行調節，將3003.7g 標準砝碼設置為3000g，從而確保電子秤在沈陽地區使用能夠具有較高的精準性。

4 結語

綜上所述，力學計量器具在生產制造、檢驗以及應用過程中，均會受到重力加速度的影響。所以，在開發新的力學計量器具時，應當要充分意識到重力加速度對力學計量器具精準性的影響，采用科學的應對方案，最大程度降低重力加速度對力值測量結果的影響，從而確保力學測量器具擁有較高的精準性。