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新型砝碼磁參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的研究：

質(zhì)量是*重要的計(jì)量基本量*，力值、扭矩等參數(shù)的計(jì)量都要溯源到質(zhì)量值的計(jì)量．因此，質(zhì)量計(jì)量在計(jì)量體系中具有重要的意義．在現(xiàn)代質(zhì)量計(jì)量中，砝碼是質(zhì)量量值傳遞的標(biāo)準(zhǔn)量具，砝碼質(zhì)量值的檢定和測(cè)量工作通常使用機(jī)械或電子比較儀(天平)．與機(jī)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(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛運(yùn)用于質(zhì)量量值傳遞．利用電子比較儀測(cè)量時(shí)，砝碼與電子比較儀之間產(chǎn)生的相互磁力作用對(duì)測(cè)量結(jié)果具有較大影響，砝碼的磁性參數(shù)必須滿足相應(yīng)的要求．0IMIR1l12004(E)版《砝碼》*建議_6和我國(guó)JJG99—2006{砝碼》計(jì)量檢定規(guī)程都明確提出在測(cè)量質(zhì)量前要對(duì)砝碼進(jìn)行磁性參數(shù)測(cè)量，規(guī)定了各等級(jí)砝碼磁化率和*化強(qiáng)度的*大*限值，只有滿足相應(yīng)要求的砝碼才能用于質(zhì)量量值傳遞．磁化率計(jì)是*上使用*多的磁參數(shù)測(cè)量裝置．由于測(cè)量原理限制，它只能測(cè)量單個(gè)點(diǎn)的磁參數(shù)，不適用于低*度等級(jí)和非常規(guī)形狀的砝碼．日本學(xué)者開(kāi)發(fā)了*種改進(jìn)的測(cè)量系統(tǒng)I8]，實(shí)現(xiàn)了對(duì)常規(guī)低*度圓柱體砝碼的測(cè)量，但仍然無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)非常規(guī)形狀砝碼的測(cè)量．針對(duì)這種情況，本文研發(fā)了*種新型的磁參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)．該系統(tǒng)具有測(cè)量*度*、適用面廣的特點(diǎn)，可用于測(cè)量非常規(guī)形狀的、低*度等級(jí)的砝碼．

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1．1設(shè)計(jì)原理

本文設(shè)計(jì)的砝碼磁參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)分為測(cè)量模塊和運(yùn)動(dòng)模塊2部分．測(cè)量模塊主要由*斯計(jì)構(gòu)成，用于測(cè)量某點(diǎn)的磁通量．運(yùn)動(dòng)模塊由電機(jī)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)控制電機(jī)前后左右的移動(dòng)，使得*斯計(jì)可以測(cè)量直線或平面上*有點(diǎn)的磁通量并計(jì)算出砝碼*化強(qiáng)度．

1．2硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)物如圖1*示，其主要結(jié)構(gòu)包括*斯計(jì)、支撐轉(zhuǎn)臺(tái)以及計(jì)算機(jī)3部分．*斯計(jì)是硬件系統(tǒng)的核心部件，用于采集原始數(shù)據(jù).系統(tǒng)采用美國(guó)貝爾*生產(chǎn)的7030型三通道*斯計(jì),它具有3個(gè)通道，可以同時(shí)連接3個(gè)探頭，分別測(cè)量3個(gè)方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度，測(cè)量速度快、*度*.為了覆蓋*有等級(jí)砝碼的*化強(qiáng)度測(cè)量要求，系統(tǒng)采用中場(chǎng)強(qiáng)的*斯計(jì)探頭.該探頭的測(cè)量范圍是3T,分辨率為0.01pT.測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)串口實(shí)時(shí)傳人計(jì)算機(jī),保存于文件中,待數(shù)據(jù)收集完畢后進(jìn)行相應(yīng)處理.支撐轉(zhuǎn)臺(tái)由3臺(tái)電機(jī)驅(qū)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(zhuǎn)動(dòng)，如圖2*示繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的移動(dòng)方式用于測(cè)量圓柱體砝碼(如E等級(jí)砝碼),可以設(shè)定不同的旋轉(zhuǎn)角度.x軸和之軸方向的移動(dòng)方式，使測(cè)量系統(tǒng)具有了進(jìn)行直線和平面測(cè)量的能力,可用于非圓柱體砝碼(如M等級(jí)砝碼):的磁參數(shù)測(cè)量,這是目前其他同類(lèi)磁參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)*無(wú)法做到的.本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)配備*臺(tái)計(jì)算機(jī),用于控制軟件的安裝、使用以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析.以平面測(cè)量模式為例,通過(guò)控制軟件設(shè)定I軸和z軸方向的測(cè)量長(zhǎng)度、每次移動(dòng)的長(zhǎng)度以及正負(fù)方向等.待參數(shù)設(shè)定完畢后,系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)始測(cè)量工作,*斯計(jì)3個(gè)通道的數(shù)據(jù)將會(huì)實(shí)時(shí)發(fā)送至控制軟件數(shù)據(jù)處理模塊.為了保證系統(tǒng)的硬件設(shè)備和地球本身*帶的磁性不影響測(cè)量結(jié)果，系統(tǒng)將在放置砝碼前、后進(jìn)行2次的空載測(cè)量.2次空載的平均值將作為系統(tǒng)硬件設(shè)備和地球本身*帶的磁性，這部分值會(huì)在后期的數(shù)據(jù)計(jì)算中扣除.

1.3軟件系統(tǒng)及其算法

軟件系統(tǒng)采用LabView編寫(xiě),其功能是控制系統(tǒng)的測(cè)量過(guò)程,完成數(shù)據(jù)收集和處理的任務(wù).軟件系統(tǒng)的控制算法如圖3*示.在測(cè)量過(guò)程中，測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄,并自動(dòng)存人相應(yīng)文件.測(cè)量數(shù)據(jù)收集完畢后,控制軟件自動(dòng)讀取、分析原始數(shù)據(jù)文件,生成4份文件，其中,3份文件記錄了每次測(cè)量的原始數(shù)據(jù)，包括移動(dòng)參數(shù)、*斯計(jì)3個(gè)通道的測(cè)量值等;另外1份文件記錄了對(duì)前3份數(shù)據(jù)的處理結(jié)果，包括該測(cè)量砝碼的基本參數(shù)(直徑、長(zhǎng)度等)、磁通量、磁化率、*化強(qiáng)度.*有數(shù)據(jù)分析均由控制軟件完成,避免大量的人工計(jì)算，使得測(cè)量結(jié)果更加快速、*.

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

使用M等級(jí)鑄鐵砝碼和E2等級(jí)不銹鋼砝碼對(duì)系統(tǒng)的直線、平面以及轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量模式功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn).根據(jù)*標(biāo)準(zhǔn),各等級(jí)砝碼磁化強(qiáng)度如表1*示為了保證測(cè)量的*性和可重復(fù)性，測(cè)量出的磁通量需滿足*.定的測(cè)量要求.M等級(jí)砝碼的*大*化強(qiáng)度為250μT,則砝碼磁通量測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差不得大于250μT的1/5,即50μT.同理,E2等級(jí)砝碼的*大*化強(qiáng)度為8μT,則砝碼磁通量測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差不得大于1.6μT.實(shí)驗(yàn)*得數(shù)據(jù)由控制軟件自動(dòng)處理,并計(jì)算出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差，與要求的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行對(duì)比。

2.1直線測(cè)量模式

直線測(cè)量模式用于測(cè)量砝碼上某條直線的磁參數(shù),適用于各種砝碼.實(shí)驗(yàn)采用M等級(jí)鑄鐵砝碼,測(cè)量其頂面直徑上的磁參數(shù).*先使用控制軟件移動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái),將砝碼直徑線段的起點(diǎn)移至探針下面,并盡量貼近;然后選擇直線測(cè)量模式，設(shè)定移動(dòng)方向?yàn)檎?，測(cè)量長(zhǎng)度為80mm,每次移動(dòng)距離是10mm,即在測(cè)量直線上得到9個(gè)測(cè)量點(diǎn);參數(shù)設(shè)定完畢后，即可按照“空載測(cè)量*載荷測(cè)量*再次空載測(cè)量”的流程進(jìn)行測(cè)量,其中“空載測(cè)量”是指轉(zhuǎn)臺(tái)上沒(méi)有放置砝碼時(shí)的測(cè)量，“載荷測(cè)量”是指轉(zhuǎn)臺(tái)上放置相應(yīng)砝碼時(shí)的測(cè)量.為了更好的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果,進(jìn)行10次重復(fù)性實(shí)驗(yàn),并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較.表2是各次測(cè)量*得磁通量.由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,9個(gè)測(cè)量點(diǎn)10次測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)差都小于0．14／iT，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于要求的1．6肚T．這表明系統(tǒng)的直線測(cè)量結(jié)果具有良好的*性和可重復(fù)性．

2．2平面測(cè)量模式

平面測(cè)量模式用于測(cè)量砝碼上某個(gè)平面的磁參數(shù)，適用于非圓柱體砝碼．實(shí)驗(yàn)采用M等級(jí)鑄鐵砝碼，選取砝碼的頂面作為測(cè)量平面．該測(cè)量平面長(zhǎng)130mm，寬80mm，設(shè)定z軸方向和z軸方向每次移動(dòng)長(zhǎng)度為10mm，移動(dòng)長(zhǎng)度分別為130，80mm，本次實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行6組，每組測(cè)得126個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，磁通量數(shù)據(jù)見(jiàn)圖6～8．各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的6組測(cè)量值均小于28T，約比要求的50tiT小50．這表明系統(tǒng)的平面測(cè)量結(jié)果具有良好的*性和可重復(fù)性．

2．3轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量模式

轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量模式用于對(duì)圓柱體砝碼磁參數(shù)的測(cè)量．實(shí)驗(yàn)采用等級(jí)不銹鋼砝碼．為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的*性，E2的頂面和底面均要進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量流程為“空載測(cè)量載荷測(cè)量*翻轉(zhuǎn)載荷測(cè)量再次空載測(cè)量”．本次實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行6組，每組實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)2周，設(shè)定轉(zhuǎn)臺(tái)每轉(zhuǎn)動(dòng)30。測(cè)量*次數(shù)據(jù)，取2周的平均值作為該點(diǎn)的測(cè)量值，每組采集24個(gè)測(cè)量值．實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9和圖10*示．比較實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在6次測(cè)量中，頂面測(cè)量*獲得的各個(gè)角度的磁通量中，標(biāo)準(zhǔn)差均小于0．4T，而底面測(cè)量中，各角度磁通量的標(biāo)準(zhǔn)差均小于0．6T．無(wú)論是頂面還是底面測(cè)量，其磁通量都小于1．6T，這表明測(cè)量結(jié)果是可靠的，具有良好的*性和可重復(fù)性．

3結(jié)論

在直線、平面、轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量模式的實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)的砝碼磁參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)差均比*標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的數(shù)值小，測(cè)量結(jié)果具有良好的*性和可重復(fù)性．因此，系統(tǒng)的直線、平面、轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量模式是可行的．本文設(shè)計(jì)的砝碼磁參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)具備了直線、平面以及轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量的功能，尤其是直線和平面測(cè)量模式很好地完成了對(duì)低*等級(jí)的、非常規(guī)形狀砝碼的測(cè)量，解決了目前砝碼磁參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)只能測(cè)量常規(guī)形狀且**等級(jí)砝碼磁參數(shù)的問(wèn)題．

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