砝碼磁化強(qiáng)度的測(cè)量

徐 峰/福建省計(jì)量科學(xué)研究院

0 引言

砝碼作為質(zhì)量量值傳遞系統(tǒng)中的實(shí)物量具，隨著JJG 99—2006《砝碼》檢定規(guī)程的頒布實(shí)施，對(duì)各個(gè)等級(jí)砝碼的磁化強(qiáng)度提出了要求，我國(guó)對(duì)于砝碼的各項(xiàng)性能指標(biāo)要求與OIML國(guó)際建議R111保持一致。由于砝碼的磁性性能成為影響稱量準(zhǔn)確度的重要因素，對(duì)砝碼磁性的控制顯得尤其重要。砝碼磁性測(cè)量在國(guó)內(nèi)屬于剛剛開(kāi)展的項(xiàng)目，本文對(duì)磁性測(cè)量裝置以及磁性測(cè)量方法進(jìn)行分析。

1 測(cè)量依據(jù)及設(shè)備

測(cè)量方法依據(jù) JJG 99—2006中有關(guān)砝碼的磁化強(qiáng)度測(cè)量方法，砝碼磁化強(qiáng)度測(cè)量設(shè)備采用梅特勒公司生產(chǎn)的MX型磁化率計(jì)。

2 測(cè)量原理及測(cè)量步驟

2.1 測(cè)量裝置

砝碼磁化強(qiáng)度測(cè)量裝置如圖1所示。

其中：

h —砝碼的高度；

Z1—砝碼頂部到磁鐵中心的距離；

圖1 磁化強(qiáng)度測(cè)量裝置

Z0—砝碼底部到磁鐵中心的距離；

RW—砝碼的半徑。

2.2 測(cè)量程序

1）磁鐵的N極朝下，將砝碼置于測(cè)量平臺(tái)且在磁鐵的正上方，重復(fù)稱量3次(測(cè)量時(shí)繞樣品軸心對(duì)稱旋轉(zhuǎn)120°)，確保砝碼放在中心處。

a）記錄加載時(shí)間、讀數(shù)時(shí)間和卸載時(shí)間；

b）計(jì)算衡量?jī)x器顯示質(zhì)量變化的平均值Δm1；

c）確定力F1= -Δm1×g（ g—重力加速度）。

2）磁鐵的N極朝上，將砝碼放在測(cè)量平臺(tái)且在磁鐵的正上方，重復(fù)稱量3次(測(cè)量中繞著樣品軸心對(duì)稱旋轉(zhuǎn)120°)，確保砝碼放在中心處。

a）記錄加載時(shí)間、讀數(shù)時(shí)間和卸載時(shí)間；

b）計(jì)算衡量?jī)x器顯示的質(zhì)量變化的平均值，-Δm2；

c）確定力 F2= -Δm2×g。

2.3 砝碼幾何參數(shù)及磁化率

以3個(gè)1 kg砝碼（包括圓柱體砝碼1個(gè)、OIML形狀砝碼1個(gè)，原一等形狀砝碼1個(gè)）為例，分析砝碼磁化強(qiáng)度的測(cè)量結(jié)果不確定度。砝碼幾何尺寸見(jiàn)表1。

形狀修正因子Ia，可以采用外圓柱體和內(nèi)圓柱體分別計(jì)算Ia外和Ia內(nèi)。

其中：Ia外為砝碼外圓柱計(jì)算式；Ia內(nèi)為砝碼內(nèi)圓柱計(jì)算式。

表1 砝碼幾何尺寸

砝碼凹底部分直徑統(tǒng)一采用最小直徑計(jì)算（針對(duì)OIML形狀的1 kg 砝碼）。

計(jì)算磁化率及其標(biāo)準(zhǔn)不確定度結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 砝碼的磁化率和磁化率標(biāo)準(zhǔn)不確定度

3 數(shù)學(xué)模型

磁化強(qiáng)度：

式中：μ0—真空磁導(dǎo)率，為 4 π×10-7N/A2；

π —取值 3.1415926；

md—永久磁鐵的磁矩，0.085 Am2；

g —當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，?.790 2 m/s2；

h —砝碼的高度；

Z0—砝碼底部和磁鐵中間距離；

χ —砝碼的磁化率；

BEZ—實(shí)驗(yàn)室內(nèi)大氣中磁場(chǎng)強(qiáng)度的垂直分量，福州地區(qū)取BEZ=28.539 17 μT。

4 測(cè)量結(jié)果

1）對(duì)圓柱體、OIML、一等形狀的砝碼各進(jìn)行3次連續(xù)測(cè)量，所得到的質(zhì)量變化Δm1、Δm2測(cè)量序列如表3。

由式（7）、（8）計(jì)算可得質(zhì)量變化的平均值Δm1、Δm2（表 4）。

2）使用標(biāo)準(zhǔn)磁化率塊對(duì)砝碼底部和磁鐵中間距離(Z0)進(jìn)行6次測(cè)量，得到測(cè)量列，如表5所示。

由式(9)可得Z0的平均值：(Z0)= 0.022 77 m

表3 質(zhì)量變化Δm1、Δm2 測(cè)量序列

表4 質(zhì)量變化的平均值Δm1、Δm2

圖3 投影儀的光學(xué)系統(tǒng)工作原理

投影儀的光源安置在聚光鏡的焦點(diǎn)上，發(fā)出的光束經(jīng)聚光鏡后變成平行光投向工件，再經(jīng)過(guò)物鏡將被測(cè)工件放大并成像于影屏上。對(duì)于反射式投影系統(tǒng)，光源同樣位于聚光鏡的焦點(diǎn)上，發(fā)出的光束經(jīng)聚光鏡后成平行光，平行光束透過(guò)半透反射鏡后投向工作臺(tái)上的被測(cè)工件，在工作臺(tái)上被測(cè)工件表面反射后向上經(jīng)半透反射鏡反射，通過(guò)物鏡成像于影屏上。

投影儀的結(jié)構(gòu)主要由底座、光路系統(tǒng)、工作臺(tái)和讀數(shù)系統(tǒng)以及物鏡等部分所組成。光路系統(tǒng)、工作臺(tái)及其讀數(shù)系統(tǒng)固定在儀器的底座上。工作臺(tái)調(diào)焦系統(tǒng)能根據(jù)不同倍率的物鏡進(jìn)行調(diào)焦，使被測(cè)工件清晰地成像于影屏，通過(guò)工作臺(tái)及其讀數(shù)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。

投影儀一般帶有10倍、20倍、50倍和100倍4種物鏡。投影儀的物鏡要和相對(duì)應(yīng)的聚光鏡一起使用，其目的是為了在影屏上能得到盡可能大的亮度。若高倍物鏡用了低倍聚光鏡，則影屏上亮度降低；相反，若低倍物鏡用了高倍聚光鏡，則影屏中間亮，而光照不能充滿整個(gè)視場(chǎng)。投影儀的工作臺(tái)可作縱向和橫向移動(dòng)，圓工作臺(tái)可在360°范圍內(nèi)任意轉(zhuǎn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)均為測(cè)量工件的長(zhǎng)度、角度所必需，達(dá)到進(jìn)行測(cè)量的目的。

3 主要技術(shù)指標(biāo)

1）工作臺(tái)縱橫(垂)向?qū)к壱苿?dòng)的直線度和垂直度

工作臺(tái)縱橫(垂)向?qū)к壱苿?dòng)的直線度和垂直度要求見(jiàn)表1。

表1 工作臺(tái)縱橫(垂)向?qū)к壱苿?dòng)的直線度和垂直度要求

2）儀器示值誤差

儀器示值誤差的要求見(jiàn)表2。

表2 儀器示值誤差

3）投影儀放大倍數(shù)的正確性

投影儀放大倍數(shù)的正確性要求見(jiàn)表3。

表3 投影儀放大倍數(shù)的正確性