由復(fù)旦大學(xué)物理系的馬繼 成 ` 吳師 民 ` 陸 申龍 在《物理實(shí)驗(yàn)》中刊登的《電子分析天平的工作原理及在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用》一文中我們了解到：
長期 以來 , 應(yīng)用杠桿原理把被測(cè)物與已知 質(zhì)量的祛碼進(jìn)行力學(xué)平衡測(cè)量 , 一直是質(zhì)量測(cè) 量的主要方法 . 但采用杠桿原理的分析天平 , 存 在著許多缺點(diǎn) . 現(xiàn)在 , 微克量級(jí)的電子分析天 平 已在科學(xué)計(jì)量 、 工業(yè)生產(chǎn)和 實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)域開始 被廣泛使用 , 因此 , 我們對(duì)電子分析天平的工 作原理 、 結(jié)構(gòu)和使用作一介紹 , 以供實(shí)驗(yàn)教學(xué)參考 

 電子分析天平的工作原理

如圖 1 所示 , 使用天平時(shí) , 在空載狀態(tài)下 接通 電源 , 天平下端線圈中會(huì)有標(biāo)準(zhǔn)電流通過 , 產(chǎn)生電磁力 F , 使天平處于平衡位置 (零點(diǎn) ) . 其 中線圈通 電后橫梁的位置改變量是 由接收發(fā)光 二極管和 差動(dòng)變壓器進(jìn)行測(cè)量 一 在平衡狀態(tài)下 , 當(dāng)天平托盤放上待測(cè)物時(shí) , 橫梁發(fā)生傾斜 , 則位置檢測(cè)器產(chǎn)生不平衡信號(hào) , 傳給天平底部的一個(gè)內(nèi)部檢別電路 . 該 電路即 產(chǎn)生補(bǔ)償 電流流過線圈 , 并產(chǎn)生更大的電磁力 , 以維持天平的平衡 . 直到不平衡信號(hào)消失 , 天平則重新處于平衡狀態(tài).這時(shí)流過線圈的電流 與天平在空載平衡時(shí)流過 的電流存在 一個(gè)增 值 , 這個(gè)增值與 電磁力 F 成嚴(yán)格的比例關(guān)系 , 也就與待測(cè)物重力成正比例 , 所以可用這個(gè) 電 流增值大小來表示待測(cè)物的質(zhì)量 .

如圖 2 所示 , 為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示 的 目的 , 線 圈中的 電流增值必須流經(jīng) 電阻轉(zhuǎn)變?yōu)?電壓信 號(hào) , 再經(jīng)放大 、濾波等信號(hào)處理后 , 進(jìn)行模/數(shù) 轉(zhuǎn)換 . 電流模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)后 , 再經(jīng) 微機(jī)處理 , 最終在顯示器上顯示 出質(zhì)量值 .

概括來說 , 電磁力平衡式電子分析天平是 把待測(cè)物的質(zhì)量通過 電磁力平衡原理變換為電 流檢測(cè) , 再經(jīng)電流 / 電壓變換 、 模 /數(shù)轉(zhuǎn)換和 數(shù) 字化運(yùn)算處理 , 用數(shù)字顯示待測(cè)物的質(zhì)量值 .

兩種分析天平稱衡物體質(zhì)且的比較

1) 用電光分析天平稱衡 在室溫為 14 . 3℃時(shí) , 用 2 5m l 的比重瓶裝 滿乙醇 ( 比重瓶上端毛細(xì)管開 口 ) , 放在天平稱 量過程中 , 乙醇質(zhì)量 由于不斷少量蒸發(fā)而減少 , 每隔 l m in 測(cè)一次 , 測(cè)量結(jié)果如圖 3 所示 .

圖 3 開始實(shí)驗(yàn) , 將比重瓶和祛碼分別放置于天 平兩端 , 因質(zhì)量變化 , 需要操作約 3~ s m in 天 平才趨于平衡. 在天平平衡后仍會(huì)有微小的震 動(dòng) , 且在每次加減祛碼時(shí)都會(huì)使天平不穩(wěn)定 , 導(dǎo) 致光標(biāo)左右漂移較大 , 而無法精確讀數(shù) . 

2) 用電子分析天平稱衡 在同樣條件下用 電子分析天平稱衡 , 測(cè)量結(jié)果如圖 4 所示 . 開始實(shí)驗(yàn) , 將比重瓶放置在電子分析天平的 托盤上 , 至穩(wěn)定用時(shí)約 2~ 3 5 , 而且穩(wěn)定性很好 , 顯示示數(shù)不會(huì)漂移 , 讀數(shù)方便 , 可以連續(xù)測(cè)量 .

電子分析天平的優(yōu)點(diǎn)

從兩種天平測(cè)量裝滿揮發(fā)性液體的比重瓶 質(zhì)量的結(jié)果 , 可以看出電子分析天平的優(yōu)點(diǎn) : l) 待測(cè)物的質(zhì)量用數(shù)字顯示 , 而且從稱量 到顯示出結(jié)果的整個(gè)過程非常迅速 , 約 2~ 3 5 , 避免了煩瑣的操作程序 , 且質(zhì)量測(cè)量的準(zhǔn)確度 較高 . 這是它便于 使用 的最大優(yōu)點(diǎn) . 2) 有數(shù)據(jù)輸出功能 , 可與計(jì)算機(jī)連接 , 利 用計(jì)算機(jī)在線測(cè)量 . 3) 維修、 校準(zhǔn)非常簡(jiǎn)單 .