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时间:2019/9/12 8:33:47 点击次数:2

新型砝码磁参数测量系统的研究:

质量是最重要的计量基本量之一,力值、扭矩等参数的计量都要溯源到质量值的计量.因此,质量计量在计量体系中具有重要的意义.在现代质量计量中,砝码是质量量值传递的标准量具,砝码质量值的检定和测量工作通常使用机械或电子比较仪(天平).与机械式比较仪相比,基于电磁力平衡原理的电子比较仪具有使用方便、稳定性好的优点,已被广泛运用于质量量值传递.利用电子比较仪测量时,砝码与电子比较仪之间产生的相互磁力作用对测量结果具有较大影响,砝码的磁性参数必须满足相应的要求.0IMIR1l12004(E)版《砝码》国际建议_6和我国JJG992006{砝码》计量检定规程都明确提出在测量质量前要对砝码进行磁性参数测量,规定了各等级砝码磁化率和极化强度的最大极限值,只有满足相应要求的砝码才能用于质量量值传递.磁化率计是国际上使用最多的磁参数测量装置.由于测量原理限制,它只能测量单个点的磁参数,不适用于低准确度等级和非常规形状的砝码.日本学者开发了一种改进的测量系统I8],实现了对常规低准确度圆柱体砝码的测量,但仍然无法实现对非常规形状砝码的测量.针对这种情况,本文研发了一种新型的磁参数测量系统.该系统具有测量准确度高、适用面广的特点,可用于测量非常规形状的、低准确度等级的砝码.

1系统设计

11设计原理

本文设计的砝码磁参数测量系统分为测量模块和运动模块2部分.测量模块主要由高斯计构成,用于测量某点的磁通量.运动模块由电机运动实现,通过控制电机前后左右的移动,使得高斯计可以测量直线或平面上所有点的磁通量并计算出砝码极化强度.

12硬件系统结构

本文设计的系统实物如图1所示,其主要结构包括高斯计、支撑转台以及计算机3部分.高斯计是硬件系统的核心部件,用于采集原始数据.系统采用美国贝尔公司生产的7030型三通道高斯计,它具有3个通道,可以同时连接3个探头,分别测量3个方向的磁感应强度,测量速度快、精度高.为了覆盖所有等级砝码的极化强度测量要求,系统采用中场强的高斯计探头.该探头的测量范围是3T,分辨率为0.01pT.测量数据通过串口实时传人计算机,保存于文件中,待数据收集完毕后进行相应处理.支撑转台由3台电机驱动,具有3种移动方式,分别为x轴、z轴方向的移动以及绕y轴的转动,如图2所示绕y轴转动的移动方式用于测量圆柱体砝码(E等级砝码),可以设定不同的旋转角度.x轴和之轴方向的移动方式,使测量系统具有了进行直线和平面测量的能力,可用于非圆柱体砝码(M等级砝码):的磁参数测量,这是目前其他同类磁参数测量系统所无法做到的.本文设计的系统配备一台计算机,用于控制软件的安装、使用以及实验数据分析.以平面测量模式为例,通过控制软件设定I轴和z轴方向的测量长度、每次移动的长度以及正负方向等.待参数设定完毕后,系统自动开始测量工作,高斯计3个通道的数据将会实时发送至控制软件数据处理模块.为了保证系统的硬件设备和地球本身所带的磁性不影响测量结果,系统将在放置砝码前、后进行2次的空载测量.2次空载的平均值将作为系统硬件设备和地球本身所带的磁性,这部分值会在后期的数据计算中扣除.

1.3软件系统及其算法

软件系统采用LabView编写,其功能是控制系统的测量过程,完成数据收集和处理的任务.软件系统的控制算法如图3所示.在测量过程中,测量数据实时记录,并自动存人相应文件.测量数据收集完毕后,控制软件自动读取、分析原始数据文件,生成4份文件,其中,3份文件记录了每次测量的原始数据,包括移动参数、高斯计3个通道的测量值等;另外1份文件记录了对前3份数据的处理结果,包括该测量砝码的基本参数(直径、长度等)、磁通量、磁化率、极化强度.所有数据分析均由控制软件完成,避免大量的人工计算,使得测量结果更加快速、准确.

2实验结果及分析

使用M等级铸铁砝码和E2等级不锈钢砝码对系统的直线、平面以及转动测量模式功能进行实验.根据国际标准,各等级砝码磁化强度如表1所示为了保证测量的准确性和可重复性,测量出的磁通量需满足一.定的测量要求.M等级砝码的最大极化强度为250μT,则砝码磁通量测量结果的标准差不得大于250μT1/5,50μT.同理,E2等级砝码的最大极化强度为8μT,则砝码磁通量测量结果的标准差不得大于1.6μT.实验所得数据由控制软件自动处理,并计算出相应的标准差,与要求的标准差进行对比。

2.1直线测量模式

直线测量模式用于测量砝码上某条直线的磁参数,适用于各种砝码.实验采用M等级铸铁砝码,测量其顶面直径上的磁参数.首先使用控制软件移动转台,将砝码直径线段的起点移至探针下面,并尽量贴近;然后选择直线测量模式,设定移动方向为正向,测量长度为80mm,每次移动距离是10mm,即在测量直线上得到9个测量点;参数设定完毕后,即可按照“空载测量一载荷测量一再次空载测量”的流程进行测量,其中“空载测量”是指转台上没有放置砝码时的测量,“载荷测量”是指转台上放置相应砝码时的测量.为了更好的验证实验结果,进行10次重复性实验,并对实验结果进行比较.2是各次测量所得磁通量.由实验数据可知,9个测量点10次测量值的标准差都小于014iT,远远低于要求的16T.这表明系统的直线测量结果具有良好的准确性和可重复性.

22平面测量模式

平面测量模式用于测量砝码上某个平面的磁参数,适用于非圆柱体砝码.实验采用M等级铸铁砝码,选取砝码的顶面作为测量平面.该测量平面长130mm,宽80mm,设定z轴方向和z轴方向每次移动长度为10mm,移动长度分别为13080mm,本次实验共进行6组,每组测得126个数据点,磁通量数据见图68.各个测量点的6组测量值均小于28T,约比要求的50tiT50.这表明系统的平面测量结果具有良好的准确性和可重复性.

23转动测量模式

转动测量模式用于对圆柱体砝码磁参数的测量.实验采用等级不锈钢砝码.为了保证实验数据的准确性,E2的顶面和底面均要进行测量,测量流程为“空载测量载荷测量一翻转载荷测量再次空载测量”.本次实验共进行6组,每组实验转台转动2周,设定转台每转动30。测量一次数据,取2周的平均值作为该点的测量值,每组采集24个测量值.实验结果如图9和图10所示.比较实验数据可知,在6次测量中,顶面测量所获得的各个角度的磁通量中,标准差均小于04T,而底面测量中,各角度磁通量的标准差均小于06T.无论是顶面还是底面测量,其磁通量都小于16T,这表明测量结果是可靠的,具有良好的准确性和可重复性.

3结论

在直线、平面、转动测量模式的实验中,设计的砝码磁参数测量系统测量值的标准差均比国际标准中规定的数值小,测量结果具有良好的准确性和可重复性.因此,系统的直线、平面、转动测量模式是可行的.本文设计的砝码磁参数测量系统具备了直线、平面以及转动测量的功能,尤其是直线和平面测量模式很好地完成了对低准确等级的、非常规形状砝码的测量,解决了目前砝码磁参数测量系统只能测量常规形状且高准确等级砝码磁参数的问题.

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