阅读说明：本技术 一种电磁法砝码磁性测量方法及其测量装置 (Method and device for measuring magnetism of weights by electromagnetic method ) 是由 董雷 许倩钰 汤元会 施乐平 秦宇 宗世敏 王娜 许超 苏圭 于 2018-08-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种电磁法砝码磁性测量方法及其测量装置,该电磁法砝码磁性测量装置包括工作台、待测砝码、线圈支架、电子天平、内限位件、电源组、线圈、感磁体、感磁体支架和外限位件；本发明在磁化率计法中采用电磁线圈代替永久磁铁,通过改变电流的大小和方向来控制磁场强度和磁场方向,通过测量磁场作用于砝码的力,计算出砝码的磁化率和磁化强度,不需要破坏测量环境,并简化了操作；另外本发明的电磁法砝码磁性测量装置实现待测砝码磁性测量的方法中理论计算公式的所有参数均可通过实际测量得到,采用电磁线圈无磁矩m<Sub>d</Sub>,且距离参数不需重复测量,实现了对不同等级砝码磁性的快速测量。(The invention discloses an electromagnetic method weight magnetism measuring method and a measuring device thereof, wherein the electromagnetic method weight magnetism measuring device comprises a workbench, a weight to be measured, a coil bracket, an electronic balance, an inner limiting piece, a power pack, a coil, a magnetic sensing body bracket and an outer limiting piece; the invention adopts the electromagnetic coil to replace a permanent magnet in the susceptibility meter method, controls the magnetic field intensity and the magnetic field direction by changing the magnitude and the direction of the current, calculates the susceptibility and the magnetization of the weight by measuring the force of the magnetic field acting on the weight, does not need to destroy the measuring environment and simplifies the operation; in addition, all parameters of a theoretical calculation formula in the method for realizing the magnetic measurement of the weight to be measured by the electromagnetic method weight magnetic measurement device can be obtained by actual measurement, and the electromagnetic coil has no magnetic moment m d And the distance parameters do not need to be measured repeatedly, so that the magnetic properties of weights with different grades can be measured quickly.)

一种电磁法砝码磁性测量方法及其测量装置

技术领域

本发明设计砝码磁性测量领域，尤其涉及一种电磁法砝码磁性测量方法及其测量装置。

背景技术

随着现代传感器和电子技术的发展，在质量计量领域，电子天平和质量比较仪已经获得了越来越广泛的应用。与机械天平相比，这些仪器具有诸如称量速度快、称量结果不易受人为影响等优点。但是，由于电子天平和质量比较仪的工作原理采用了电磁力平衡补偿原理，称量过程中砝码与天平的磁钢及线圈产生的磁场泄漏不可避免地会产生相互作用力，这样的力与砝码受到的重力无法区分，从而影响称量结果的准确度。

现行砝码检定规程JJG99-2006中要求，“在进行折算质量检定之前，应测定质量标准的磁性(永久极化强度和磁化率)，以确保磁作用可以忽略。磁性检测不合格的砝码不得进行折算质量的检定。”在国际建议OIMLR11l(2004版)中规定，砝码磁性测量必须先于砝码质量测量；如果砝码磁性测量结果超出磁性要求，不应再进行砝码质量测量。因此，砝码的磁性指标就成为影响称量准确度的重要因素。在电子天平普遍代替机械天平的今天，了解砝码的磁性对于砝码质量值测量的影响越来越受到人们的重视。

砝码磁性的全部评定在技术上难以实施，现有的测试方法都是近似有效的。其中国际建议OIML R11l(2004版)优先推荐的使用方法是采用磁化率计进行测量，这也是《JJG99-2006砝码》检定规程推荐使用的测量方法，是国内砝码磁性测量的主要方法。磁化率计法测量砝码磁性，由于其使用永久磁铁产生磁场，测量时磁场方向的改变需要取出永久磁铁翻转，破坏原有测量环境，磁场强度的改变需要通过调节砝码支架，重新测量距离参数，其工作量大、操作复杂。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种电磁法砝码磁性测量方法及其测量装置，采用电磁线圈代替永久磁铁，通过改变电流的大小和方向来控制磁场强度和磁场方向，采用电磁线圈无磁矩m_d，且距离参数不需重复测量，所有参数均可通过实际测量得到。不需要破坏测量环境，并简化了操作。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种电磁法砝码磁性测量装置包括工作台1、待测砝码2、线圈支架3、电子天平4、内限位件5、电源组6、线圈7、感磁体8、感磁体支架9和外限位件10；

工作台1包括工作台平台11和工作台支柱12，待测砝码2放置在工作台平台11上，工作台1内部放置有线圈支架3，线圈支架3通过外限位件10和工作台1连接，线圈支架3包括线圈支架平台31和线圈支架支柱32，线圈7放置在线圈支架平台31上并通过导线和电源组6连接，线圈支架支柱32通过内限位件5和电子天平4连接，内限位件5嵌于外限位件10内，电子天平4的秤盘上放置感磁体支架9，感磁体支架9上放置感磁体8，感磁体8穿过线圈支架平台31延伸至线圈7的内部。

进一步，工作台支柱12包括工作台上柱121、工作台下柱122、螺栓123、上调节124和下调节125，工作台上柱121包括第一上柱1211，第二上柱1212和第三上柱1213，第一上柱1211和工作台平台11连接，第一上柱1211、第二上柱1212、第三上柱1213依次连接，第二上柱1212设有刻度，第二上柱1212通过螺栓123和工作台下柱122上端连接，第三上柱1213***工作台下柱122上端，工作台下柱122下端连接上调节124，上调节124连接下调节125，上调节124和下调节125均设有表面滚直纹。

进一步，线圈支架支柱32包括上柱321、中柱322、下柱323、调节螺钉324和十字半圆头螺钉325，线圈支架平台31与上柱321连接，上柱321通过调节螺钉324同中柱322连接，中柱322通过十字半圆头螺钉325同下柱323连接，下柱323设有刻度。

进一步，工作台支柱12和线圈支架支柱32数量均为多根。

进一步，感磁体支架9包括下底圆盘91和圆柱92，圆柱92上设有凹槽921，凹槽921放置感磁体8，下底圆盘91和电子天平4的秤盘相配合。

进一步，工作台1、线圈支架3、内限位件5、感磁体支架9和外限位件10包括无磁材料2A12制成；感磁体8包括1J85钋镆合金制成。

一种电磁法砝码磁性测量装置实现待测砝码磁性测量的方法，包括以下步骤：

步骤1、待测砝码2放置在工作台平台11上，且在线圈7正上方中心处，测量待测砝码2底部到线圈7中心的距离Z₀，待测砝码2半径R_W，待测砝码2高度h，待测砝码2顶部到线圈7中心的距离Z₁；

步骤2、开启电源，用高斯计测得工作台1上表面产生的磁场H；

步骤3、取下待测砝码2，将电子天平4归零；

步骤4、重新将待测砝码2放置在工作台平台11上且在线圈7正上方中心处，待电子天平4数值稳定后，记录加载时间t₁、读数时间t₂和卸载时间t₃，保持t₁、t₂、t₃不变，重复多次测量，计算电子天平4显示的质量变化的平均值Δm₁，计算待测砝码2由外加磁场产生的力F₁＝-Δm₁×g，其中，g是当地重力加速度值；

步骤5、取下待测砝码2，更换电流方向，重复步骤4，计算电子天平4显示的质量变化的平均值Δm₂，计算待测砝码2由外加磁场产生的力F₂＝-Δm₂×g；

步骤6、利用步骤4和步骤5的计算结果计算待测砝码2由外加磁场产生的力

利用步骤1和步骤2的测量结果计算待测砝码2由外加磁场产生的

其中μ₀为真空中的磁导率：μ₀＝4π×10^-7NA^-2，

利用步骤1测量的结果计算几何修正因子I_a和I_b，

步骤7、利用步骤6的计算结果求得待测砝码磁化率χ和永久磁化强度Mz，

其中，B_EZ是大气中磁场强度的垂直分量。

进一步，所述方法适用于E2、F1、F2等级砝码0.001kg～5kg的磁性测量。

进一步，步骤2在测量E2等级砝码时，磁场H≤800Am^-1，在测量F1、F2等级砝码时，磁场H≤200Am^-1。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在磁化率计法中采用电磁线圈代替永久磁铁，通过改变电流的大小和方向来控制磁场强度和磁场方向，通过测量磁场作用于砝码的力，计算出砝码的磁化率和磁化强度，不需要破坏测量环境，并简化了操作；感磁体支架的下底圆盘与电子天平称盘吻合，有利于消除天平偏载的影响，感磁体支架设计的凹槽可以将感磁体磁芯放置卡紧，确保稳固且位于中心位置；电磁法砝码磁性测量装置实现待测砝码磁性测量的方法中理论计算公式的所有参数均可通过实际测量得到，采用电磁线圈无磁矩m_d，且距离参数不需重复测量，实现了对不同等级砝码磁性的快速测量。

附图说明

图1为电磁法砝码磁性测量装置结构示意图；

图2为电磁法砝码磁性测量装置结构立体图；

图3为电磁法砝码磁性测量装置中工作台结构示意图；

图4为电磁法砝码磁性测量装置中线圈支架结构示意图；

图5为电磁法砝码磁性测量装置中感磁体支架结构示意图；

图6为电磁法砝码磁性测量装置中工作台支柱上柱结构示意图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、工作台，2、待测砝码，3、线圈支架，4、电子天平，5、内限位件，6、电源组，7、线圈，8、感磁体，9、感磁体支架，10、外限位件，11工作台平台，12工作台支柱，121、工作台上柱，1211、第一上柱，1212、第二上柱，1213、第三上柱，122、工作台下柱，123、螺栓，124、上调节，125、下调节，31、线圈支架平台，32、线圈支架支柱，321、上柱，322、中柱，323、下柱，324、调节螺钉，325、十字半圆头螺钉，91、下底圆盘，92、圆柱，921、凹槽。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述。

如图1，图2，图3，图4，图5所示，一种电磁法砝码磁性测量装置包括工作台1、待测砝码2、线圈支架3、电子天平4、内限位件5、电源组6、线圈7、感磁体8、感磁体支架9和外限位件10；所述工作台1包括工作台平台11和工作台支柱12，所述待测砝码2放置在工作台平台11上，工作台1将线圈支架3、电子天平4、内限位件5、线圈7、感磁体8、感磁体支架9和外限位件10包住，线圈支架3包括线圈支架平台31和线圈支架支柱32，线圈7放置在线圈支架平台31上并通过导线和电源组6连接，线圈支架3将感磁体8和感磁体支架9包住，线圈支架平台31上开有小孔，感磁体8穿过线圈支架平台31延伸至线圈7的内部，感磁体8放置在感磁体支架9上，感磁体支架9放置在电子天平4的秤盘上，线圈支架3通过外限位件10和工作台1连接，线圈支架3通过内限位件5和电子天平4连接。

如图3和图6所示，工作台支柱12包括工作台上柱121、工作台下柱122、螺栓123、上调节124和下调节125，工作台上柱121包括第一上柱1211，第二上柱1212和第三上柱1213，并依次连接，第一上柱1211和工作台平台11连接，第二上柱设有刻度，第二上柱1211通过螺栓123和工作台下柱122上端连接，可通过高度定位螺栓调节工作台支柱12的高低，第三上柱1213***工作台下柱122内，工作台下柱122下端和上调节124连接，上调节124和下调节125连接，上调节124和下调节125均设有表面滚直纹，上调节124和下调节125可实现工作台1的水平调节。

如图4所示，线圈支架支柱32包括上柱321、中柱322、下柱323、调节螺钉324和十字半圆头螺钉325，线圈支架平台31与上柱321连接，上柱321通过调节螺钉324同中柱322连接，中柱322通过十字半圆头螺钉325同下柱323连接，下柱323设有刻度，可实现线圈支架支柱32的高度调节。

如图5所示，感磁体支架9包括下底圆盘91和圆柱92，圆柱92的上端带有凹槽921，感磁体8卡紧在凹槽921中，确保稳固且位于中心位置，下底圆盘91和电子天平4的秤盘相配合，有利于消除天平偏载的影响。

如图2所示，线圈支架3通过外限位件10和工作台1连接，内限位件5嵌于外限位件10内，线圈支架3通过内限位件5和电子天平4连接，内限位件5板面上设置圆形凹槽，圆形凹槽和电子天平4相配合，确保装置能相互配合，在电流变化范围内正常工作。

本装置及测量方法适用于E2、F1、F2等级砝码0.001kg～5kg的磁性测量，具体测量过程的核心技术在于可控电磁场的稳定准确。电磁场的稳定准确主要由电流、线圈、感磁体三部分决定。

具体的，电源组包括电源和数字多用表，向线圈供电可准确控制输出电流，达到准确调节控制线圈磁场强度的目的。

示例性的，线圈的设计：

圆环线圈的电流为I，则在坐标原点附近一点(r,θ)(球坐标分量，且r＜R)的轴向磁感应强度为：

其中，μ₀是磁导率常数；β为圆环线圈的位置参数；L_n(β)为圆环线圈的n阶磁场系数；p_n(cosθ)为勒让德多项式。

1)圆环线圈的位置参数

圆环线圈所在平面到坐标原点的垂直距离为h，则圆环线圈位置参数为β＝h/R；

2)圆环线圈的磁场系数

磁场系数满足L_n(-β)＝(-1)ⁿL_n(β)；

3)勒让德多项式

其中，|P_n(x)|≤1(|x|≤1)；P₀(x)＝1；在圆环线圈的轴线上，勒让德多项式可以取得极值。

圆环线圈在坐标原点产生的轴向磁场

其中，线圈半径R为35mm，h＝6mm。则圆环线圈的位置参数β＝h/R＝1/6,线圈电流I＝70A。I＝nI₁。其中，I₁＝0.7A,则匝数n＝100，线圈规格设计为10*10，0.4的线。

示例性的，感磁体及其支架的设计：

感磁体包括高导磁材料钋镆合金1J85制成，材料密度为8.75g/cm³；支架包括无磁材料2A12制成，材料密度为2.78g/cm³。示例性的，电子天平最大称量22g，线圈龙骨最小内径3mm。感磁体和支架的总重量低于电子天平的最大称量，感磁体直径小于线圈龙骨最小内径。故感磁体设计为直径2.5mm高30mm的圆柱体。

具体的，砝码工作台、线圈支架、内限位件、外限位件包括无磁材料2A12制成，确保材料对电磁场产生的影响可以忽略。

具体的，在实际测量工作时，保持工作环境大气温度(18～23)℃，每4小时最大变化1℃；大气相对湿度(30～70)％RH，每4小时最大变化10％RH，远离振源和磁源。

选用标尺分度值1μg的电子天平，选用电压2mV电流1mA的电源、选用10*10，0.4的线圈，选用圆柱体直径2.5mm高30mm的感磁体进行待测砝码2磁性测量。

步骤1、待测砝码2放置在工作台平台11上，且在线圈7正上方中心处，测量待测砝码2底部到线圈7中心的距离Z₀，待测砝码2半径R_W，待测砝码2高度h，待测砝码2顶部到线圈7中心的距离Z₁；

步骤2、开启电源，用高斯计测得工作台1上表面产生的磁场H，在测量E2等级砝码时，磁场H≤800Am^-1，在测量F1、F2等级砝码时，磁场H≤200Am^-1；

步骤3、取下待测砝码2，将电子天平4归零；

步骤4、重新将待测砝码2放置在工作台上且在线圈7正上方中心处，待电子天平4数值稳定后，记录加载时间t₁、读数时间t₂和卸载时间t₃，保持t₁、t₂、t₃不变，重复多次测量，计算电子天平4显示的质量变化的平均值Δm₁，计算待测砝码2由外加磁场产生的力F₁＝-Δm₁×g，其中，g是当地重力加速度值；

步骤5、取下待测砝码2，更换电流方向，重复步骤4，计算电子天平4显示的质量变化的平均值Δm₂，计算待测砝码2由外加磁场产生的力F₂＝-Δm₂×g；

步骤6、利用步骤4和步骤5的计算结果计算待测砝码2由外加磁场产生的力

利用步骤1和步骤2的测量结果计算待测砝码2由外加磁场产生的

其中μ₀为真空中的磁导率：μ₀＝4π×10^-7NA^-2，

利用步骤1测量的结果计算几何修正因子I_a和I_b，

步骤7、利用步骤6的计算结果求得待测砝码磁化率χ和永久磁化强度Mz，

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。