新型砝碼磁參數測量系統的研究：

質(zhì)量是*重要的計量基本量*，力值、扭矩等參數的計量都要溯源到質(zhì)量值的計量．因此，質(zhì)量計量在計量體系中具有重要的意義．在現代質(zhì)量計量中，砝碼是質(zhì)量量值傳遞的標準量具，砝碼質(zhì)量值的檢定和測量工作通常使用機械或電子比較儀(天平)．與機械式比較儀相比，基于電磁力平衡原理的電子比較儀具有使用方便、穩定性好的優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛運用于質(zhì)量量值傳遞．利用電子比較儀測量時(shí)，砝碼與電子比較儀之間產(chǎn)生的相互磁力作用對測量結果具有較大影響，砝碼的磁性參數必須滿(mǎn)足相應的要求．0IMIR1l12004(E)版《砝碼》*建議_6和我國JJG99—2006{砝碼》計量檢定規程都明確提出在測量質(zhì)量前要對砝碼進(jìn)行磁性參數測量，規定了各等級砝碼磁化率和*化強度的*大*限值，只有滿(mǎn)足相應要求的砝碼才能用于質(zhì)量量值傳遞．磁化率計是*上使用*多的磁參數測量裝置．由于測量原理限制，它只能測量單個(gè)點(diǎn)的磁參數，不適用于低*度等級和非常規形狀的砝碼．日本學(xué)者開(kāi)發(fā)了*種改進(jìn)的測量系統I8]，實(shí)現了對常規低*度圓柱體砝碼的測量，但仍然無(wú)法實(shí)現對非常規形狀砝碼的測量．針對這種情況，本文研發(fā)了*種新型的磁參數測量系統．該系統具有測量*度*、適用面廣的特點(diǎn)，可用于測量非常規形狀的、低*度等級的砝碼．

1系統設計

1．1設計原理

本文設計的砝碼磁參數測量系統分為測量模塊和運動(dòng)模塊2部分．測量模塊主要由*斯計構成，用于測量某點(diǎn)的磁通量．運動(dòng)模塊由電機運動(dòng)實(shí)現，通過(guò)控制電機前后左右的移動(dòng)，使得*斯計可以測量直線(xiàn)或平面上*有點(diǎn)的磁通量并計算出砝碼*化強度．

1．2硬件系統結構

本文設計的系統實(shí)物如圖1*示，其主要結構包括*斯計、支撐轉臺以及計算機3部分．*斯計是硬件系統的核心部件，用于采集原始數據.系統采用美國貝爾*生產(chǎn)的7030型三通道*斯計,它具有3個(gè)通道，可以同時(shí)連接3個(gè)探頭，分別測量3個(gè)方向的磁感應強度，測量速度快、*度*.為了覆蓋*有等級砝碼的*化強度測量要求，系統采用中場(chǎng)強的*斯計探頭.該探頭的測量范圍是3T,分辨率為0.01pT.測量數據通過(guò)串口實(shí)時(shí)傳人計算機,保存于文件中,待數據收集完畢后進(jìn)行相應處理.支撐轉臺由3臺電機驅動(dòng),具有3種移動(dòng)方式，分別為x軸、z軸方向的移動(dòng)以及繞y軸的轉動(dòng)，如圖2*示繞y軸轉動(dòng)的移動(dòng)方式用于測量圓柱體砝碼(如E等級砝碼),可以設定不同的旋轉角度.x軸和之軸方向的移動(dòng)方式，使測量系統具有了進(jìn)行直線(xiàn)和平面測量的能力,可用于非圓柱體砝碼(如M等級砝碼):的磁參數測量,這是目前其他同類(lèi)磁參數測量系統*無(wú)法做到的.本文設計的系統配備*臺計算機,用于控制軟件的安裝、使用以及實(shí)驗數據分析.以平面測量模式為例,通過(guò)控制軟件設定I軸和z軸方向的測量長(cháng)度、每次移動(dòng)的長(cháng)度以及正負方向等.待參數設定完畢后,系統自動(dòng)開(kāi)始測量工作,*斯計3個(gè)通道的數據將會(huì )實(shí)時(shí)發(fā)送至控制軟件數據處理模塊.為了保證系統的硬件設備和地球本身*帶的磁性不影響測量結果，系統將在放置砝碼前、后進(jìn)行2次的空載測量.2次空載的平均值將作為系統硬件設備和地球本身*帶的磁性，這部分值會(huì )在后期的數據計算中扣除.

1.3軟件系統及其算法

軟件系統采用LabView編寫(xiě),其功能是控制系統的測量過(guò)程,完成數據收集和處理的任務(wù).軟件系統的控制算法如圖3*示.在測量過(guò)程中，測量數據實(shí)時(shí)記錄,并自動(dòng)存人相應文件.測量數據收集完畢后,控制軟件自動(dòng)讀取、分析原始數據文件,生成4份文件，其中,3份文件記錄了每次測量的原始數據，包括移動(dòng)參數、*斯計3個(gè)通道的測量值等;另外1份文件記錄了對前3份數據的處理結果，包括該測量砝碼的基本參數(直徑、長(cháng)度等)、磁通量、磁化率、*化強度.*有數據分析均由控制軟件完成,避免大量的人工計算，使得測量結果更加快速、*.

2實(shí)驗結果及分析

使用M等級鑄鐵砝碼和E2等級不銹鋼砝碼對系統的直線(xiàn)、平面以及轉動(dòng)測量模式功能進(jìn)行實(shí)驗.根據*標準,各等級砝碼磁化強度如表1*示為了保證測量的*性和可重復性，測量出的磁通量需滿(mǎn)足*.定的測量要求.M等級砝碼的*大*化強度為250μT,則砝碼磁通量測量結果的標準差不得大于250μT的1/5,即50μT.同理,E2等級砝碼的*大*化強度為8μT,則砝碼磁通量測量結果的標準差不得大于1.6μT.實(shí)驗*得數據由控制軟件自動(dòng)處理,并計算出相應的標準差，與要求的標準差進(jìn)行對比。

2.1直線(xiàn)測量模式

直線(xiàn)測量模式用于測量砝碼上某條直線(xiàn)的磁參數,適用于各種砝碼.實(shí)驗采用M等級鑄鐵砝碼,測量其頂面直徑上的磁參數.*先使用控制軟件移動(dòng)轉臺,將砝碼直徑線(xiàn)段的起點(diǎn)移至探針下面,并盡量貼近;然后選擇直線(xiàn)測量模式，設定移動(dòng)方向為正向，測量長(cháng)度為80mm,每次移動(dòng)距離是10mm,即在測量直線(xiàn)上得到9個(gè)測量點(diǎn);參數設定完畢后，即可按照“空載測量*載荷測量*再次空載測量”的流程進(jìn)行測量,其中“空載測量”是指轉臺上沒(méi)有放置砝碼時(shí)的測量，“載荷測量”是指轉臺上放置相應砝碼時(shí)的測量.為了更好的驗證實(shí)驗結果,進(jìn)行10次重復性實(shí)驗,并對實(shí)驗結果進(jìn)行比較.表2是各次測量*得磁通量.由實(shí)驗數據可知,9個(gè)測量點(diǎn)10次測量值的標準差都小于0．14／iT，遠遠低于要求的1．6肚T．這表明系統的直線(xiàn)測量結果具有良好的*性和可重復性．

2．2平面測量模式

平面測量模式用于測量砝碼上某個(gè)平面的磁參數，適用于非圓柱體砝碼．實(shí)驗采用M等級鑄鐵砝碼，選取砝碼的頂面作為測量平面．該測量平面長(cháng)130mm，寬80mm，設定z軸方向和z軸方向每次移動(dòng)長(cháng)度為10mm，移動(dòng)長(cháng)度分別為130，80mm，本次實(shí)驗共進(jìn)行6組，每組測得126個(gè)數據點(diǎn)，磁通量數據見(jiàn)圖6～8．各個(gè)測量點(diǎn)的6組測量值均小于28T，約比要求的50tiT小50．這表明系統的平面測量結果具有良好的*性和可重復性．

2．3轉動(dòng)測量模式

轉動(dòng)測量模式用于對圓柱體砝碼磁參數的測量．實(shí)驗采用等級不銹鋼砝碼．為了保證實(shí)驗數據的*性，E2的頂面和底面均要進(jìn)行測量，測量流程為“空載測量載荷測量*翻轉載荷測量再次空載測量”．本次實(shí)驗共進(jìn)行6組，每組實(shí)驗轉臺轉動(dòng)2周，設定轉臺每轉動(dòng)30。測量*次數據，取2周的平均值作為該點(diǎn)的測量值，每組采集24個(gè)測量值．實(shí)驗結果如圖9和圖10*示．比較實(shí)驗數據可知，在6次測量中，頂面測量*獲得的各個(gè)角度的磁通量中，標準差均小于0．4T，而底面測量中，各角度磁通量的標準差均小于0．6T．無(wú)論是頂面還是底面測量，其磁通量都小于1．6T，這表明測量結果是可靠的，具有良好的*性和可重復性．

3結論

在直線(xiàn)、平面、轉動(dòng)測量模式的實(shí)驗中，設計的砝碼磁參數測量系統測量值的標準差均比*標準中規定的數值小，測量結果具有良好的*性和可重復性．因此，系統的直線(xiàn)、平面、轉動(dòng)測量模式是可行的．本文設計的砝碼磁參數測量系統具備了直線(xiàn)、平面以及轉動(dòng)測量的功能，尤其是直線(xiàn)和平面測量模式很好地完成了對低*等級的、非常規形狀砝碼的測量，解決了目前砝碼磁參數測量系統只能測量常規形狀且**等級砝碼磁參數的問(wèn)題．

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