电子技术革新度量衡

五、电子技术革新度量衡

秦始皇统一了尺寸、升斗、斤两的度、量、衡制度，促进了交通、文化、贸易的发展，在历史上我国最早统一度量衡，为中国两千多年前的经济发展奠定了基础。衡器虽然很小，但影响很大。“秤砣虽小压千斤”，说明度量衡对国民经济和社会生活的影响是很大的，它在国民经济和社会生活中占有很重要的地位。现在全世界都统一了度量衡，例如，米和厘米是世界上最常用的长度单位。吨、千克是通用的重量单位。这样才有利于国际之间科学、文化、贸易的交流。

20世纪是科学技术发展的最快时期，新发明、新技术层出不穷，这一时期人类的发明创造占其总量的80％左右。各种物理量的计量也大大增加。人们除了长度、重量外，对温度、湿度、速度、加速度、流量、电流、电压、磁场强度、角度、高度等等都需要测量，而且计量范围也大为扩展。电子技术的发展，特别是传感器技术的发展，使很多难以计量的参数得到很好的解决，因此常用的计量器具使用变得方便快捷。电子秤、电子尺、电子表、电子温度计在短短20多年里已融入了人们的生活。电子计量器具还可以数字显示，也可与计算机接口，进行数据的存储、统计等处理。商用电子秤就是压力传感器、电子技术、计算机技术结合的产物。称重的历史可以追溯到远古时代，埃及王朝时代就开始用天平称重，近几百年欧洲用弹簧称重，并做成“弹簧秤”广泛使用。而中国的“机械杠杆秤”是用杠杆原理，由秤钩、秤杆、秤砣、刀口等组成，结构简单，使用方便。世界上不少国家采用“秤”作为称重工具，一直沿用到现在。但是刀口与提重支架相互摩擦产生损耗和变形，欲长期保持其精度是相当困难的。秤砣锈损或错乱，称重就更不准确了。

电子秤。现在广泛使用的称重台就是将弹簧变形量结合杠杆作用，变成位移量再利用差动变送器原理构成的。如图3-11所示，在感应弹簧上形成与重量成比例的伸长量。这个量将推动差动变送器内部的磁芯变位，当输入一个幅度恒定的振荡，其输出大小就随磁芯的微小位移而变化，这样就完成了重量变化到电信号变化的转换。接着对电信号线性放大、检波、模拟数字变化、数字处理和显示，这一部分在单片机内或专用芯片内完成。如果要完成以下功能还要软件配合：（1）能用简易键盘设置单价，加重后能同时显示重量、金额和单价；（2）重量显示（单位为千克），最大称重为9.999千克；（3）单价金额及总价金额显示，单价金额和总价金额以及单位（元）；（4）具有去皮功能和总额累加计算功能；（5）能显示、打印购物清单，清单内容包括：商品名称、数量、单价、金额、本次购物总金额。如果这个系统再配上“条码识别”就是现代商场称重收款系统了。

图3-11　一种电子秤原理示意图

还有一种电子秤是采用电阻应变式称重传感器制成的，电子秤、汽车衡、轨道衡等，只要传感器设计合理，应变计选择恰当，制作工艺上粘贴、防潮、密封可靠，电路采用集成化设计，其性能可以长期保持稳定可靠。其测量精度高、测量范围也大。

核子秤。在矿山、码头、粮仓都使用传送带传送着各种固态散装物料。如果能将瞬时通过的重量以及累计的重量精确地动态显示、记录、打印出来该多好。这将解决复合有机肥生产时进行配料的自动控制，装车、装船的重量“在线”计量等。这是冶金、化工、饲料、煤炭、建材、港口等行业和部门亟待解决的问题。近几年发展起来的核子秤解决了这类问题。它是集核探测技术、现代电子技术、计算技术为一体的高技术产品。

图3-12　物料在线计量重量

核子秤由放射源、探测器（一种特殊的专门做的电离室）、速度传感器及电脑（工业用的）组成，如图3-12所示。其工作原理是利用被测物体对γ 射线的吸收特性来完成计量（被测料的）重量的。γ 射线形成的扇形束穿过物料和输送机的传输带时部分被吸收，未被吸收的部分照射到传感器，并在电离室内转换成微弱的电流信号。物料越多，传感器吸收到的射线越少，转换成的电流信号越弱；反之就越强。这个信号经放大转换处理后就是对应的单位长度上的物料的重量。与此同时，速度传感器测出的传送带速度V，经电子计算机处理后，可得瞬时流量（瞬时通过的重量），再经计算机累计（积分运算后）就可得到通过的累计重量。

核子秤是一种智能化的数字式动态称重显示仪，它使用的放射源是铯137，其射线强度很低，并且采用有效防护措施，所以是非常安全的。距放射源0.3m工作8小时的照射量为2毫伦，国家安全标准规定为20毫伦，而体检一次照射量为610毫伦，从这组数据可以看出，使用核子秤是非常安全的。核子秤对物料的计量属于非接触测量，再加上计算机技术的应用，因而具有广泛的应用范围，并且寿命长、工作可靠，在振动式传输、皮带传送、螺旋给料传输等场合都可应用它来动态称重。

再来说说长度的计量吧！丛书姊妹篇“微波·激光的神奇应用”谈到远距离测距，利用激光测地球到月球之间的距离，激光测得月球与地球的平均距离是38.54万千米，误差只有250m。航天员登月在月球表面置了一个激光反射器，使测月误差缩小到15cm。

另一方面的情况是，现在科学家可以分辨出一米的一百亿分之一的长度，称作1埃（A）。1埃是什么概念？它相当于1纳米的十分之一，1纳米是米的十亿分之一，“埃”是原子尺度研究的关键长度单位（常规的电子显微镜拥有的直接分辨率在2埃左右）。科学家新近又用透射电子显微镜实现了小于1埃的分辨率。超高分辨率的能力，为纳米科学工作者打开了新的探索大门。这是现代电子技术让人们观察到的最微小的事物。这将使材料（特别是纳米材料）的微观结构研究进入一个全新的境界。可以预期，惊人的新材料（很多优异性能的材料）的发现将指日可待。

在生活工作中测量长度或空间两点的距离常常用皮尺测量，例如，要架一条长达数公里远的电缆线，在选线路时需要大量地测距，常会感到用皮尺很不方便，另外，皮尺还有不易测量的场合（如河道宽度、交通繁忙的街道或公路等）。近年来出现的利用超声波测距的“电子尺”可以实现不用皮尺，快速测距。它确定两点之间的距离的原理是由手持的主机为一点，以副机为另一点，如图3-13中主机与副机之间的距离为测量距离，测量工作“按键”按下时主机向副机发出超声波脉冲，经超声波传播到副机，而当收到主机发来的具有一定特色形式的超声波后，立即自动发一超声波到主机。主机从发射到收到超声波（40kHz）的时间被单片机记录下来，这个时间乘以声波传播速度就是声音来回跑的距离，显然它的一半就是这两点间的离距。为了减少测量误差，单片机（超微型的电脑）软件还得考虑一些问题，如即时测温，以确定这种温度下的声音传播速度，排除环境温度对测量精度的影响。单片机还要实现即时显示、存储、多次测量的累加等功能。

图3-13　电子尺：超声波测距的主机、副抗

电子流量计。对现在常用的水表、气表加以改进，去除齿轮传动及指示，将涡轮充磁，并安放一个干簧管，涡轮每转一周干簧管接点被接通一次，这个脉冲信号送到计数器计数，再利用单片机及射频卡可做成水、气的卡式收费系统。

另一种超声波流量传感器（WAS流量传感器）是将流量直接转换成频率变化以数字量输出，频率测量精度高，动态范围宽。其原理是在压电基片上制成一对超声延迟线，并组成延迟线振荡器，而且在两延迟线之间的基片上设置加热元件，将基片加热至高于环境温度的某一温度值。当它处于有液体流动的管道内，当流体经由基体表面通过时，带走部分热量，基片温度降低，这将使超声波振荡器频率变化。通过测量频率的变化，得知流体流速的大小，进而得到流量的多少。前面讲述的是电子流量计的硬件原理，真正制作是靠现代电子技术的分支部分（半导体及微电子加工）来完成，在这套丛书的微电子技术部分有详细介绍。而后的频率测量数据变换、处理靠电子电路设计及单片机的软件完成。