徐 峰/福建省計量科學研究院

0 引言

砝碼作為質量量值傳遞系統(tǒng)中的實物量具，隨著JJG 99—2006《砝碼》檢定規(guī)程的頒布實施，對各個等級砝碼的磁化強度提出了要求，我國對于砝碼的各項性能指標要求與OIML國際建議R111保持一致。由于砝碼的磁性性能成為影響稱量準確度的重要因素，對砝碼磁性的控制顯得尤其重要。砝碼磁性測量在國內屬于剛剛開展的項目，本文對磁性測量裝置以及磁性測量方法進行分析。

1 測量依據及設備

測量方法依據 JJG 99—2006中有關砝碼的磁化強度測量方法，砝碼磁化強度測量設備采用梅特勒公司生產的MX型磁化率計。

2 測量原理及測量步驟

2.1 測量裝置

砝碼磁化強度測量裝置如圖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 磁化強度測量裝置

Z0—砝碼底部到磁鐵中心的距離；

RW—砝碼的半徑。

2.2 測量程序

1）磁鐵的N極朝下，將砝碼置于測量平臺且在磁鐵的正上方，重復稱量3次(測量時繞樣品軸心對稱旋轉120°)，確保砝碼放在中心處。

a）記錄加載時間、讀數時間和卸載時間；

b）計算衡量儀器顯示質量變化的平均值Δm1；

c）確定力F1= -Δm1×g（ g—重力加速度）。

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

a）記錄加載時間、讀數時間和卸載時間；

b）計算衡量儀器顯示的質量變化的平均值，-Δm2；

c）確定力 F2= -Δm2×g。

2.3 砝碼幾何參數及磁化率

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

形狀修正因子Ia，可以采用外圓柱體和內圓柱體分別計算Ia外和Ia內。

其中：Ia外為砝碼外圓柱計算式；Ia內為砝碼內圓柱計算式。

表1 砝碼幾何尺寸

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

計算磁化率及其標準不確定度結果見表2。

表2 砝碼的磁化率和磁化率標準不確定度

3 數學模型

磁化強度：

式中：μ0—真空磁導率，為 4 π×10-7N/A2；

π —取值 3.1415926；

md—永久磁鐵的磁矩，0.085 Am2；

g —當地重力加速度，為9.790 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—實驗室內大氣中磁場強度的垂直分量，福州地區(qū)取BEZ=28.539 17 μT。

4 測量結果

1）對圓柱體、OIML、一等形狀的砝碼各進行3次連續(xù)測量，所得到的質量變化Δm1、Δm2測量序列如表3。

由式（7）、（8）計算可得質量變化的平均值Δm1、Δm2（表 4）。

2）使用標準磁化率塊對砝碼底部和磁鐵中間距離(Z0)進行6次測量，得到測量列，如表5所示。

由式(9)可得Z0的平均值：(Z0)= 0.022 77 m

表3 質量變化Δm1、Δm2 測量序列

表4 質量變化的平均值Δm1、Δm2

圖3 投影儀的光學系統(tǒng)工作原理

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

投影儀的結構主要由底座、光路系統(tǒng)、工作臺和讀數系統(tǒng)以及物鏡等部分所組成。光路系統(tǒng)、工作臺及其讀數系統(tǒng)固定在儀器的底座上。工作臺調焦系統(tǒng)能根據不同倍率的物鏡進行調焦，使被測工件清晰地成像于影屏，通過工作臺及其讀數系統(tǒng)進行測量。

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應的聚光鏡一起使用，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視場。投影儀的工作臺可作縱向和橫向移動，圓工作臺可在360°范圍內任意轉動，這些運動均為測量工件的長度、角度所必需，達到進行測量的目的。

3 主要技術指標

1）工作臺縱橫(垂)向導軌移動的直線度和垂直度

工作臺縱橫(垂)向導軌移動的直線度和垂直度要求見表1。

表1 工作臺縱橫(垂)向導軌移動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表2。

表2 儀器示值誤差

3）投影儀放大倍數的正確性

投影儀放大倍數的正確性要求見表3。

表3 投影儀放大倍數的正確性