砝码磁化强度的测量

徐 峰/福建省计量科学研究院

0 引言

砝码作为质量量值传递系统中的实物量具，随着JJG 99—2006《砝码》检定规程的颁布实施，对各个等级砝码的磁化强度提出了要求，我国对于砝码的各项性能指标要求与OIML国际建议R111保持一致。由于砝码的磁性性能成为影响称量准确度的重要因素，对砝码磁性的控制显得尤其重要。砝码磁性测量在国内属于刚刚开展的项目，本文对磁性测量装置以及磁性测量方法进行分析。

1 测量依据及设备

测量方法依据 JJG 99—2006中有关砝码的磁化强度测量方法，砝码磁化强度测量设备采用梅特勒公司生产的MX型磁化率计。

2 测量原理及测量步骤

2.1 测量装置

砝码磁化强度测量装置如图1所示。

其中：

h —砝码的高度；

Z1—砝码顶部到磁铁中心的距离；

图1 磁化强度测量装置

Z0—砝码底部到磁铁中心的距离；

RW—砝码的半径。

2.2 测量程序

1）磁铁的N极朝下，将砝码置于测量平台且在磁铁的正上方，重复称量3次(测量时绕样品轴心对称旋转120°)，确保砝码放在中心处。

a）记录加载时间、读数时间和卸载时间；

b）计算衡量仪器显示质量变化的平均值Δm1；

c）确定力F1= -Δm1×g（ g—重力加速度）。

2）磁铁的N极朝上，将砝码放在测量平台且在磁铁的正上方，重复称量3次(测量中绕着样品轴心对称旋转120°)，确保砝码放在中心处。

a）记录加载时间、读数时间和卸载时间；

b）计算衡量仪器显示的质量变化的平均值，-Δm2；

c）确定力 F2= -Δm2×g。

2.3 砝码几何参数及磁化率

以3个1 kg砝码（包括圆柱体砝码1个、OIML形状砝码1个，原一等形状砝码1个）为例，分析砝码磁化强度的测量结果不确定度。砝码几何尺寸见表1。

形状修正因子Ia，可以采用外圆柱体和内圆柱体分别计算Ia外和Ia内。

其中：Ia外为砝码外圆柱计算式；Ia内为砝码内圆柱计算式。

表1 砝码几何尺寸

砝码凹底部分直径统一采用最小直径计算（针对OIML形状的1 kg 砝码）。

计算磁化率及其标准不确定度结果见表2。

表2 砝码的磁化率和磁化率标准不确定度

3 数学模型

磁化强度：

式中：μ0—真空磁导率，为 4 π×10-7N/A2；

π —取值 3.1415926；

md—永久磁铁的磁矩，0.085 Am2；

g —当地重力加速度，为9.790 2 m/s2；

h —砝码的高度；

Z0—砝码底部和磁铁中间距离；

χ —砝码的磁化率；

BEZ—实验室内大气中磁场强度的垂直分量，福州地区取BEZ=28.539 17 μT。

4 测量结果

1）对圆柱体、OIML、一等形状的砝码各进行3次连续测量，所得到的质量变化Δm1、Δm2测量序列如表3。

由式（7）、（8）计算可得质量变化的平均值Δm1、Δm2（表 4）。

2）使用标准磁化率块对砝码底部和磁铁中间距离(Z0)进行6次测量，得到测量列，如表5所示。

由式(9)可得Z0的平均值：(Z0)= 0.022 77 m

表3 质量变化Δm1、Δm2 测量序列

表4 质量变化的平均值Δm1、Δm2

图3 投影仪的光学系统工作原理

投影仪的光源安置在聚光镜的焦点上，发出的光束经聚光镜后变成平行光投向工件，再经过物镜将被测工件放大并成像于影屏上。对于反射式投影系统，光源同样位于聚光镜的焦点上，发出的光束经聚光镜后成平行光，平行光束透过半透反射镜后投向工作台上的被测工件，在工作台上被测工件表面反射后向上经半透反射镜反射，通过物镜成像于影屏上。

投影仪的结构主要由底座、光路系统、工作台和读数系统以及物镜等部分所组成。光路系统、工作台及其读数系统固定在仪器的底座上。工作台调焦系统能根据不同倍率的物镜进行调焦，使被测工件清晰地成像于影屏，通过工作台及其读数系统进行测量。

投影仪一般带有10倍、20倍、50倍和100倍4种物镜。投影仪的物镜要和相对应的聚光镜一起使用，其目的是为了在影屏上能得到尽可能大的亮度。若高倍物镜用了低倍聚光镜，则影屏上亮度降低；相反，若低倍物镜用了高倍聚光镜，则影屏中间亮，而光照不能充满整个视场。投影仪的工作台可作纵向和横向移动，圆工作台可在360°范围内任意转动，这些运动均为测量工件的长度、角度所必需，达到进行测量的目的。

3 主要技术指标

1）工作台纵横(垂)向导轨移动的直线度和垂直度

工作台纵横(垂)向导轨移动的直线度和垂直度要求见表1。

表1 工作台纵横(垂)向导轨移动的直线度和垂直度要求

2）仪器示值误差

仪器示值误差的要求见表2。

表2 仪器示值误差

3）投影仪放大倍数的正确性

投影仪放大倍数的正确性要求见表3。

表3 投影仪放大倍数的正确性