新型砝碼磁參數測量系統的研究：

質量是*重要的計量基本量*，力值、扭矩等參數的計量都要溯源到質量值的計量．因此，質量計量在計量體系中具有重要的意義．在現代質量計量中，砝碼是質量量值傳遞的標準量具，砝碼質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、穩定性好的優點，已被廣泛運用于質量量值傳遞．利用電子比較儀測量時，砝碼與電子比較儀之間產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量前要對砝碼進行磁性參數測量，規定了各等級砝碼磁化率和*化強度的*大*限值，只有滿足相應要求的砝碼才能用于質量量值傳遞．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，它只能測量單個點的磁參數，不適用于低*度等級和非常規形狀的砝碼．日本學者開發了*種改進的測量系統I8]，實現了對常規低*度圓柱體砝碼的測量，但仍然無法實現對非常規形狀砝碼的測量．針對這種情況，本文研發了*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，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模塊2部分．測量模塊主要由*斯計構成，用于測量某點的磁通量．運動模塊由電機運動實現，通過控制電機前后左右的移動，使得*斯計可以測量直線或平面上*有點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*生產的7030型三通道*斯計,它具有3個通道，可以同時連接3個探頭，分別測量3個方向的磁感應強度，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.測量數據通過串口實時傳人計算機,保存于文件中,待數據收集完畢后進行相應處理.支撐轉臺由3臺電機驅動,具有3種移動方式，分別為x軸、z軸方向的移動以及繞y軸的轉動，如圖2*示繞y軸轉動的移動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方式，使測量系統具有了進行直線和平面測量的能力,可用于非圓柱體砝碼(如M等級砝碼):的磁參數測量,這是目前其他同類磁參數測量系統*無法做到的.本文設計的系統配備*臺計算機,用于控制軟件的安裝、使用以及實驗數據分析.以平面測量模式為例,通過控制軟件設定I軸和z軸方向的測量長度、每次移動的長度以及正負方向等.待參數設定完畢后,系統自動開始測量工作,*斯計3個通道的數據將會實時發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,其功能是控制系統的測量過程,完成數據收集和處理的任務.軟件系統的控制算法如圖3*示.在測量過程中，測量數據實時記錄,并自動存人相應文件.測量數據收集完畢后,控制軟件自動讀取、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，包括移動參數、*斯計3個通道的測量值等;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、平面以及轉動測量模式功能進行實驗.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.實驗*得數據由控制軟件自動處理,并計算出相應的標準差，與要求的標準差進行對比。

2.1直線測量模式

直線測量模式用于測量砝碼上某條直線的磁參數,適用于各種砝碼.實驗采用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轉臺,將砝碼直徑線段的起點移至探針下面,并盡量貼近;然后選擇直線測量模式，設定移動方向為正向，測量長度為80mm,每次移動距離是10mm,即在測量直線上得到9個測量點;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”的流程進行測量,其中“空載測量”是指轉臺上沒有放置砝碼時的測量，“載荷測量”是指轉臺上放置相應砝碼時的測量.為了更好的驗證實驗結果,進行10次重復性實驗,并對實驗結果進行比較.表2是各次測量*得磁通量.由實驗數據可知,9個測量點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平面的磁參數，適用于非圓柱體砝碼．實驗采用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130mm，寬80mm，設定z軸方向和z軸方向每次移動長度為10mm，移動長度分別為130，80mm，本次實驗共進行6組，每組測得126個數據點，磁通量數據見圖6～8．各個測量點的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轉動測量模式

轉動測量模式用于對圓柱體砝碼磁參數的測量．實驗采用等級不銹鋼砝碼．為了保證實驗數據的*性，E2的頂面和底面均要進行測量，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”．本次實驗共進行6組，每組實驗轉臺轉動2周，設定轉臺每轉動30。測量*次數據，取2周的平均值作為該點的測量值，每組采集24個測量值．實驗結果如圖9和圖10*示．比較實驗數據可知，在6次測量中，頂面測量*獲得的各個角度的磁通量中，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、平面、轉動測量模式的實驗中，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、平面、轉動測量模式是可行的．本文設計的砝碼磁參數測量系統具備了直線、平面以及轉動測量的功能，尤其是直線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題．

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