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新型砝碼磁參數(shù)測量系統(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(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JJG99—2006{砝碼》計(jì)量檢定規(guī)程都明確提出在測量質(zhì)量前要對砝碼進(jìn)行磁性參數(shù)測量，規(guī)定了各等級砝碼磁化率和*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)測量裝置．由于測量原理限制，它只能測量單個點(diǎn)的磁參數(shù)，不適用于低*度等級和非常規(guī)形狀的砝碼．日本學(xué)者開發(fā)了*種改進(jìn)的測量系統(tǒng)I8]，實(shí)現(xiàn)了對常規(guī)低*度圓柱體砝碼的測量，但仍然無法實(shí)現(xiàn)對非常規(guī)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(shù)測量系統(tǒng)．該系統(tǒng)具有測量*度*、適用面廣的特點(diǎn)，可用于測量非常規(guī)形狀的、低*度等級的砝碼．

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)測量系統(tǒng)分為測量模塊和運(yùn)動模塊2部分．測量模塊主要由*斯計(jì)構(gòu)成，用于測量某點(diǎn)的磁通量．運(yùn)動模塊由電機(jī)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)，通過控制電機(jī)前后左右的移動，使得*斯計(jì)可以測量直線或平面上*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)采用美國貝爾*生產(chǎn)的7030型三通道*斯計(jì),它具有3個通道，可以同時(shí)連接3個探頭，分別測量3個方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度，測量速度快、*度*.為了覆蓋*有等級砝碼的*化強(qiáng)度測量要求，系統(tǒng)采用中場強(qiáng)的*斯計(jì)探頭.該探頭的測量范圍是3T,分辨率為0.01pT.測量數(shù)據(jù)通過串口實(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)臺由3臺電機(jī)驅(qū)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(zhuǎn)動，如圖2*示繞y軸轉(zhuǎn)動的移動方式用于測量圓柱體砝碼(如E等級砝碼),可以設(shè)定不同的旋轉(zhuǎn)角度.x軸和之軸方向的移動方式，使測量系統(tǒng)具有了進(jìn)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(shù)測量,這是目前其他同類磁參數(shù)測量系統(tǒng)*無法做到的.本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)配備*臺計(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.以平面測量模式為例,通過控制軟件設(shè)定I軸和z軸方向的測量長度、每次移動的長度以及正負(fù)方向等.待參數(shù)設(shè)定完畢后,系統(tǒng)自動開始測量工作,*斯計(jì)3個通道的數(shù)據(jù)將會實(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*帶的磁性不影響測量結(jié)果，系統(tǒng)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(tǒng)硬件設(shè)備和地球本身*帶的磁性，這部分值會在后期的數(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,其功能是控制系統(tǒng)的測量過程,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.在測量過程中，測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄,并自動存人相應(yīng)文件.測量數(shù)據(jù)收集完畢后,控制軟件自動讀取、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量的原始數(shù)據(jù)，包括移動參數(shù)、*斯計(jì)3個通道的測量值等;另外1份文件記錄了對前3份數(shù)據(jù)的處理結(jié)果，包括該測量砝碼的基本參數(shù)(直徑、長度等)、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，使得測量結(jié)果更加快速、*.

2實(shí)驗(yàn)結(jié)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(tǒng)的直線、平面以及轉(zhuǎn)動測量模式功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn).根據(jù)*標(biāo)準(zhǔn),各等級砝碼磁化強(qiáng)度如表1*示為了保證測量的*性和可重復(fù)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(qiáng)度為250μT,則砝碼磁通量測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差不得大于250μT的1/5,即50μT.同理,E2等級砝碼的*大*化強(qiáng)度為8μT,則砝碼磁通量測量結(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(shù),適用于各種砝碼.實(shí)驗(yàn)采用M等級鑄鐵砝碼,測量其頂面直徑上的磁參數(shù).*先使用控制軟件移動轉(zhuǎn)臺,將砝碼直徑線段的起點(diǎn)移至探針下面,并盡量貼近;然后選擇直線測量模式，設(shè)定移動方向?yàn)檎?，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(diǎn);參數(shù)設(shè)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(zhuǎn)臺上沒有放置砝碼時(shí)的測量，“載荷測量”是指轉(zhuǎn)臺上放置相應(yīng)砝碼時(shí)的測量.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),并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較.表2是各次測量*得磁通量.由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,9個測量點(diǎn)10次測量值的標(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)的直線測量結(jié)果具有良好的*性和可重復(fù)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(shù)，適用于非圓柱體砝碼．實(shí)驗(yàn)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(shè)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(shí)驗(yàn)共進(jìn)行6組，每組測得126個數(shù)據(jù)點(diǎn)，磁通量數(shù)據(jù)見圖6～8．各個測量點(diǎn)的6組測量值均小于28T，約比要求的50tiT小50．這表明系統(tǒng)的平面測量結(jié)果具有良好的*性和可重復(fù)性．

2．3轉(zhuǎn)動測量模式

轉(zhuǎn)動測量模式用于對圓柱體砝碼磁參數(shù)的測量．實(shí)驗(yàn)采用等級不銹鋼砝碼．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)行測量，測量流程為“空載測量載荷測量*翻轉(zhuǎn)載荷測量再次空載測量”．本次實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行6組，每組實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動2周，設(shè)定轉(zhuǎn)臺每轉(zhuǎn)動30。測量*次數(shù)據(jù)，取2周的平均值作為該點(diǎn)的測量值，每組采集24個測量值．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次測量中，頂面測量*獲得的各個角度的磁通量中，標(biāo)準(zhǔn)差均小于0．4T，而底面測量中，各角度磁通量的標(biāo)準(zhǔn)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(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)動測量模式的實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)的砝碼磁參數(shù)測量系統(tǒng)測量值的標(biāo)準(zhǔn)差均比*標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的數(shù)值小，測量結(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)動測量模式是可行的．本文設(shè)計(jì)的砝碼磁參數(shù)測量系統(tǒng)具備了直線、平面以及轉(zhuǎn)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(guī)形狀砝碼的測量，解決了目前砝碼磁參數(shù)測量系統(tǒng)只能測量常規(guī)形狀且**等級砝碼磁參數(shù)的問題．

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