磁石玩具测量方法研究

徐晓光， 李滢舟， 张　斌， 尹丽娟， 张　栋

(深圳出入境检验检疫局， 广东 深圳 518045)

磁石玩具测量方法研究

徐晓光， 李滢舟， 张斌， 尹丽娟， 张栋

(深圳出入境检验检疫局， 广东 深圳 518045)

摘要:针对欧美玩具新标准中磁石测量问题， 提出通过玩具特征确定磁通系数的测量方法， 针对不同玩具标准建立不同测试流程， 解决不同玩具标准中磁石玩具测试的差异问题. 对磁石玩具磁通系数测试中测试仪器， 磁通密度测量、 磁石极面积测量、 测试结果的分析进行了详细论述， 重点介绍了测试结果的不确定计算方法. 并以圆形磁石玩具为例分析了测量中不确定来源， 建立了不确定计算的数学模型以及不确定度结果的计算分析. 指出该测量方法的应用解决了磁石玩具测量中的关键问题， 提高了测试结果精度和测试效率.

关键词:磁石玩具； 磁通系数； 磁通密度； 极面积； 测量不确定度

玩具是儿童的伴侣， 而儿童是弱小和容易受到伤害的. 为了保证儿童的健康和安全， 世界各国对玩具产品提出比一般产品更加严格的检测要求， 各种新的玩具标准层出不穷.

2006年夏天， 有至少11例儿童在玩耍玩具时误吞入磁石导致肠穿孔的事故， 造成不同程度的伤害甚至死亡. 美国消费产品安全委员会下令美国第二大玩具制造商美泰公司在全球召回440万件“波利口袋”(The Polly Pocket)磁铁玩具， 这就是著名的“磁石风波”事件. 在欧盟2007年RAPEX年度总结报告里， 特别指出磁石玩具的问题， 披露在2007年的夏季， 全球至少有1800万的磁石玩具需要回收， 其中相当大的数量发生在欧盟国家. 在2008年～2013年欧盟多次召回产生危险的磁石玩具.

2011年， 美国玩具协会颁布了美国玩具安全标准 ASTM F963-11， 对磁石玩具的检测做出严格的要求， 包括各种滥用测试， 耐久性能测试等一系列测试要求. 欧盟颁布新的玩具安全标准EN71-1： 2014， 其中修订了磁石测试要求， 增加了多项测试项目.

1测试要求

欧洲玩具安全标准EN71-1： 2014和美国玩具安全标准ASTM F963-11中规定[2,3]： 磁体进行可预见的滥用测试和磁体耐久性测试后， 从玩具或可接触到的松散磁性部件上脱落的任何磁体和磁性部件， 在按照磁通量密度测试时磁通量系数应小于50 kG2mm2(0.5 T2mm2)， 或者按照小零体圆筒测试时不能完全容入小零体圆筒.

其中磁通量系数

H=B2S,

式中：B为最大磁通密度， 单位kG；S为磁石的极面面积， 单位mm2.

2测试程序

2.1输往欧盟的磁石玩具的测试方法

按照EN71-1： 2014标准进行扭力测试、 拉力测试、 跌落测试、 冲击测试、 压力测试和磁体拉力测试后， 从玩具或可接触到的松散磁性部件上脱落的任何磁体和磁性部件， 在磁通量系数测试时磁通量密度应小于50 kG2mm2， 或者按照小零体圆筒测试时不能完全容入小零件圆筒. 木质玩具、 供在水中使用的玩具和口动玩具在按照上述测试之前， 应先进行浸泡测试. 其测试流程如图 1 所示.

图 1　EN71-1 磁石玩具测试流程图Fig.1　Test flow chart of magnet toys in EN71-1

2.2输往美国磁石玩具的测试方法

玩具在进行拉力、 扭力测试以及关于磁石的正常使用和滥用条款测试后不应产生危险磁石或危险磁石部件. 其中包括以下测试步骤： ① 磁体/磁体部件的循环使用和滥用测试. 对磁性部件或磁性的组装部件， 按接收状态根据预定的使用方式进行1 000个周期的使用. 把磁性部件放在一定距离， 使其产生磁吸作用， 释放它们， 然后拉开至使磁吸终止的距离. 每次连接和分开计作一个周期. 如果没有随玩具提供其他磁体或磁性部件， 那么应按照玩具的预定玩耍方式用配对的金属部件或表面进行周期使用. ② 冲击测试. 将磁体或磁性部件以最易受损的位置放置在一个平坦的水平钢面上， 把重量为2.2 lb(1.0 kg)、 重量分布于直径为3.1 in.(78.7 mm)的表面的金属块从4.0 in.(101.6 mm)的高度跌落到玩具上. ③ 扭力测试. 按ASTM F963-11第8.8条款扭力测试要求进行测试. ④ 拉力测试. 按ASTM F963-11第8.9条款拉力测试要求进行测试. ⑤ 循环测试. 重复步骤1的测试. 其测试流程如图 2 所示.

图 2　ASTM F963-11磁石玩具测试流程图 Fig.2　Test flow chart of magnet toys in ASTM F963-11

2.3测试结果

磁体/磁体玩具经过以上测试后进行判定， 磁通量系数大于50而且能完全容入小零件圆筒的磁体为危险磁石/磁石部件.

3磁通系数测试方法

3.1测试仪器

测试仪器包括： ① 精度为10 G的直流场高斯计， 且仪器应带有按照如下要求制造的轴向探头： 有效面积直径(0.76±0.13) mm； 有效面积和探头顶端距离(0.38±0.13) mm. ② 精度为0.1 mm游标卡尺[5].

3.2测试方法

3.2.1磁通量密度的测量

将探头顶端与磁体的磁极表面相连接. 对于磁性部件(磁体完全或部分埋入玩具的部分)， 将探头顶端与部件表面相连接. 探头与表面保持垂直. 移动探头使其越过表面， 以找出最大磁通密度， 记录测得的通量密度的最大值.

3.2.2磁极表面积的测量和计算

如果磁体埋入或附着在磁性部件中， 应将磁体从磁性部件中取出， 无论是否需要破坏玩具.

图 3　圆形端部磁石的极面积图示Fig.3　The pole surface of round magnet

如果磁极表面不是平的(如半球形)， 测量与穿过磁体磁极的轴线相垂直的磁体最大直径(见图 3)， 精度为±0.1 mm， 计算相应横截面的面积.

如果磁体的磁极表面是平的， 测量并用适当的几何公式计算其表面积， 精度为±0.1 mm.

对于多个磁极的磁体， 应选择面积最大的单一磁极， 可使用磁极观察胶片或其它等效方式确定[1].

3.2.3测量结果

磁通系数测量结果按如下方式表述：

磁通量系数(kG2mm2)是用最大磁通密度平方(kG2)乘以磁体的极面面积(mm2)来计算， 即

4测试结果的不确定分析

4.1不确定方法

在上述测量中， 当测量值与标准要求值非常接近时， 能否判断测量结果是否合格呢？因此我们用测量的不确定度来分析测量结果的准确性. 不确定度是由于测量误差的存在， 对被测量值的不能肯定的程度. 它也表明该结果的可信赖程度， 是测量结果质量的指标[7].

不确定度评价方法中有A类不确定和B类不确定， 对于磁石玩具的磁通系数测量， 其不确定来源主要有： 重复测量带来的标准不确定度， 用A类评定方法； 测试仪器的不确定性和读数的不确定性， 用B类评定方法[8]. 以端部为圆形的磁石玩具为例， 不确定评价如下.

4.2不确定度的评估

数学模型

不确定来源如表 1 所示. 表中所列B类不确定度uB1,uB3为测试仪器校准证书上给出的测量仪器不确定度.uA为重复性测量引起的标准不确定度， 一般以10次测量为准.

表 1　不确定度来源

针对不同类型玩具进行多次测试， 分别计算可得测试重复性标准不确定度. 圆形端部磁石玩具的标准不确定度结果见表 2 和表 3.

表 2　最大磁通密度标准不确定度

表 3　磁石的极面直径标准不确定度

合成不确定度

自由度

合成标准不确定度

自由度按照Welch-Satterhwaite公式计算

计算测量结果

评定扩展不确定度[6]：

设置信水平95%， 从学生T表中查得包含因子k， 扩展不确定度：

测量结果为

查t分布表得k=2.179(95%的置信度)， 扩展不确定度U=uH×k=0.217×2.179=0.5， 则此款磁石玩具磁通量测量值H=51.7±0.5 kG2mm2.

5结论

在磁石玩具测试方法中， 最大磁通密度的正确确定、 磁石极面积的正确测量， 测试过程中测试条件的确定和操作方法步骤的确定都将对磁石玩具磁通系数测试结果精度和测试效率起决定的作用. 该磁石玩具测试方法可同时满足标准ASTM F963-11, EN71-1： 2014, GB6675-2014和ISO8124:2014中磁石玩具测试的要求.

参考文献：

[1]EN ISO 4287 Geometrical product specification-Surface texture: Profile method-Terms, definitions and surface texture parameters[S]. Geneva: International Organization for Standardization, 1997.

[2]BS EN71-1:2014 Safety of toys part 1: Mechanical and physical properties [S]. London: BSI Group Headquarters, 2014.

[3]ASTM F963-11： Standard Consumer Safety Specification for Toy Safety [S]. Bethesda: ASTM committee, 2011.

[4]EN ISO 8124-1:2014 Safety of toys part 1: Safety aspects related to mechanical and physical properties [S]. Geneva: International Organization for Standardization, 2014.

[5]GB 6675.2-2014 玩具安全 第2部分 机械与物理性能[S]. 北京： 中国标准出版社, 2014.

[6]JJF 1059.1-2012. 测量不确定度评定与表示[S]. 北京: 中国国家计量技术规范： 中国质检出版社, 2012.

[7]张希富, 张强. 噪声源校准方法及不确定度分析[J].宇航计测技术， 2012， 32(1)： 50-55.

Zhang Xifu, Zhang Qiang. The analysis of the measurement method and the measurement uncertainty for noise source [J]. Astronautic and Measurement, 2012, 32(1): 50-55. (in Chinese)

[8]徐永杰, 陆绮荣, 李静, 等. 一种虚拟测试系统的不确定度研究[J]. 测控自动化， 2008， 24(1)： 81-82.

Xu Yongjie, Lu Qirong, Li Jing, et al. The study of the uncertainties for a virtual test system [J]. Control & Measurement, 2008, 24(1)： 81-82. (in Chinese)

Research on the Test Method of Magnet Toys

XU Xiaoguang, LI Yingzhou, ZHANG Bin, YIN Lijuan, ZHANG Dong

(Shenzhen Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau, Shenzhen 518045, China)

Abstract:Based on the problem of the new standard in Europe and the United States about toy magnet testing, this paper put forward a test method through toys characteristics determine the flux index measurement method, establish different test procedures for different toy standard, and solve the testing differences problem in different standards for magnet toys. The testing instrument,magnetic flux density measuring, magnet pole area measuring, test results of analysis in magnetic flux index measuring were discussed in detail. It emphasized on introducing the test result uncertainty calculation method, analyzing of the uncertainty sources in measurement, establishing the mathematical model of the uncertainty calculation by a round magnet toy as example. It pointed out that the test method was applied to solve the key problem for magnet toys testing, and improved the test accuracy and efficiency.

Key words:magnet toys； magnetic flux index; magnetic flux density； pole surface； measurement uncertainty

文章编号:1671-7449(2016)03-0221-06

收稿日期:2015-08-20

基金项目：国家质量监督检验检疫总局科研资助项目(2013IK117)

作者简介：徐晓光(1976-)， 男， 高级工程师， 硕士， 主要从事计算机控制技术， 声学测量技术等研究.

中图分类号:TB52

文献标识码:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.03.007