一、概述
砝碼磁性對(duì)衡量結(jié)果影響的研究越來(lái)越引起各國(guó)計(jì)量單位的重視，在對(duì)1994年版建議R111的修改過程中，已經(jīng)將砝碼磁性的技術(shù)指標(biāo)、測(cè)量方法及其不確定度的影響等內(nèi)容增加進(jìn)去。

對(duì)于砝碼而言，磁化率和*磁性是反映其磁性的兩個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。根據(jù)R111中的定義，體積磁化率為一種介質(zhì)改變磁場(chǎng)的能力；而*磁性描述的是一個(gè)材料物體，如砝碼，在外界磁場(chǎng)中磁性狀態(tài)的參數(shù)。物體的磁性在其周圍的空間產(chǎn)生不均勻的磁場(chǎng)，因此對(duì)周圍其他的物體會(huì)產(chǎn)生磁力。在磁性基礎(chǔ)知識(shí)中，對(duì)磁化率有另一個(gè)定義，它是物質(zhì)在外加磁場(chǎng)作用下的合磁矩(稱為磁化強(qiáng)度)與磁場(chǎng)強(qiáng)度之比值。我們可以這樣理解，磁化率描述的是砝碼感受外界磁場(chǎng)強(qiáng)度的一種能力，如果磁化率大，就容易與外界磁場(chǎng)產(chǎn)生相互間的作用；而*磁性表述的是砝碼本身的磁性強(qiáng)弱，反映的是砝碼已經(jīng)被磁化的程度。

我國(guó)在使用高準(zhǔn)確度砝碼，如工作基準(zhǔn)(E1)等級(jí)、一(E2)等砝碼過程中，對(duì)其磁性現(xiàn)狀不甚了解，只是感覺到部分砝碼在機(jī)械天平和電子天平上的數(shù)據(jù)結(jié)果不一致，有的甚至超過該等級(jí)砝碼的檢定準(zhǔn)確度。在JJG98-1990《非自動(dòng)天平(試行)》檢定規(guī)程中，對(duì)于檢定電子天平的標(biāo)準(zhǔn)砝碼磁化率要求“不大于0.001”，但實(shí)際上無(wú)法進(jìn)行驗(yàn)證。隨著我國(guó)質(zhì)量計(jì)量與*交流的加強(qiáng)以及砝碼對(duì)外出口的增加，對(duì)砝碼磁性的測(cè)量越來(lái)越受到大家的重視。

以前對(duì)砝碼磁性采用原材料、破壞性的測(cè)量方式，而對(duì)于成型砝碼缺乏測(cè)量手段，所以無(wú)法了解在砝碼的加工以及日后使用過程中磁性的變化情況?，F(xiàn)在，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院(以下簡(jiǎn)稱計(jì)量院)引進(jìn)了計(jì)量局(BIPM)研發(fā)的磁化率計(jì)，中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院(以下簡(jiǎn)稱中測(cè)院)引進(jìn)了德國(guó)Sartorius公司開發(fā)的YSZ02C磁化率計(jì)。為了確保砝碼磁性測(cè)量的準(zhǔn)確、一致，計(jì)量院與中測(cè)院對(duì)這兩種不同的磁性測(cè)量裝置進(jìn)行了砝碼磁性的測(cè)量與比較。

二、測(cè)量設(shè)備

計(jì)量院采用的砝碼磁化率計(jì)的主體，是瑞士Mettler Toledo公司生產(chǎn)的UMX5超微量質(zhì)量比較儀。Z大稱量范圍5.1g，讀數(shù)能力0.1μg；其他配件包括:用于承載被測(cè)樣品的鋁橋，Z大載荷為1kg；用于調(diào)節(jié)鋁橋高度、改變測(cè)量位置處磁場(chǎng)強(qiáng)度、4組不同高度的鋁制墊腳；標(biāo)準(zhǔn)磁鐵3塊(帶BIPM檢定證書)；標(biāo)準(zhǔn)樣塊2個(gè)(帶BIPM檢定證書)；計(jì)算磁化率和*磁性的Excel軟件。

中測(cè)院采用的磁化率計(jì)主要部件包括:具有N、S極的標(biāo)準(zhǔn)磁體、磁體支撐部件、磁極轉(zhuǎn)換部件、加載平臺(tái)、稱重系統(tǒng)等。該磁化率計(jì)Z大載荷為50kg，稱重系統(tǒng)Z大稱量范圍10.1g，讀數(shù)能力1μg。該設(shè)備是通過調(diào)整加載平臺(tái)高度來(lái)改變測(cè)量位置處的磁場(chǎng)強(qiáng)度，以適應(yīng)不同等級(jí)砝碼的磁性測(cè)量，并通過調(diào)整磁極轉(zhuǎn)換裝置來(lái)改變標(biāo)準(zhǔn)磁體的極性，以獲得被測(cè)砝碼在不同磁極極性下受到的磁力。Z后通過傳輸電纜將磁化率計(jì)采集到的測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，經(jīng)過該磁化率計(jì)軟件V.1.01.005的分析計(jì)算，Z終得出被測(cè)砝碼的磁化率和*磁性以及其他相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)。

三、測(cè)量過程

雖然兩臺(tái)磁性測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)不同，但測(cè)量原理、計(jì)算方法都采用了目前建議R111修改草案中提供的方法。

首先要確定被測(cè)樣品的準(zhǔn)確度等級(jí)，以及樣品底部與標(biāo)準(zhǔn)磁鐵中心之間的距離(Z0)。進(jìn)行磁性測(cè)量時(shí)，被測(cè)樣品將處于一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)中，這樣，被測(cè)樣品有被磁化的危險(xiǎn)性。在建議中對(duì)不同等級(jí)的砝碼，所處的Z大磁場(chǎng)強(qiáng)度有明確的規(guī)定:E1等砝碼為2kA/m；E2等砝碼為0.8kA/m；其他等級(jí)砝碼為0.2kA/m。

為了降低Z大磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)被測(cè)樣品的影響，有必要增大Z0的距離。在建議中，推薦的Z小距離為20mm。對(duì)于計(jì)量院使用的設(shè)備，Z0的距離是通過標(biāo)準(zhǔn)磁鐵和標(biāo)準(zhǔn)樣塊NIM-Alac測(cè)量得到的，在BIPM給的操作手冊(cè)中指出:“當(dāng)Z0≈22mm時(shí)，天平的讀數(shù)大約為-0.14mg。如果讀數(shù)在-0.1mg和-0.2mg之間，Z0的距離是可以接受的。”測(cè)量Z0的初始值后可以更換鋁塊墊腳得到不同的Z0值，以滿足不同準(zhǔn)確度砝碼的測(cè)量。

中測(cè)院采用的磁性裝置上分別標(biāo)記了從Z1到Z55個(gè)位置，通過改變位置(Z1的距離Z短，Z5的距離Z遠(yuǎn))實(shí)現(xiàn)不同準(zhǔn)確度砝碼的測(cè)量。但是這5個(gè)位置的高度不是BIPM實(shí)驗(yàn)得到的，而是由生產(chǎn)廠家作為常數(shù)確定下來(lái)，提供給Z終用戶的。

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，我國(guó)正在使用的部分高準(zhǔn)確度砝碼(一等砝碼)磁化率超過了OIML建議E2等砝碼的要求，有的甚至超過幾十倍。對(duì)于這樣的砝碼，如果采用建議中相應(yīng)準(zhǔn)確度等級(jí)的Z大磁場(chǎng)強(qiáng)度，將有造成砝碼被磁化的危險(xiǎn)。故建議對(duì)于此類砝碼，在進(jìn)行*次測(cè)量時(shí)，盡量增大Z0的距離，以防止對(duì)砝碼造成不必要的傷害。

測(cè)量被測(cè)樣品的有關(guān)幾何參數(shù)。目前在我國(guó)使用高準(zhǔn)確度等級(jí)的砝碼形狀基本上有3種:正圓柱體砝碼(原公斤工作基準(zhǔn)、克工作基準(zhǔn)砝碼)、一等砝碼和OIML砝碼。在測(cè)量過程中發(fā)現(xiàn)，磁化率和*磁性的測(cè)量結(jié)果，會(huì)由于砝碼形狀不同而發(fā)生改變(測(cè)量結(jié)果參見表1)。

兩臺(tái)磁化率計(jì)對(duì)被測(cè)樣品幾何參數(shù)的確定有各自不同的方法。計(jì)量院使用的BIPM磁化率計(jì)采用的是Z基本的正圓柱體測(cè)量方法，需要提供兩組砝碼的正圓柱體幾何參數(shù)，分別為“inner”圓柱體和“outer”圓柱體，具體圖形如圖1所示。

圖1Outer圓柱體和Inner圓柱體</CTSM>

中測(cè)院采用的YSZ02C型磁化率計(jì)，砝碼所需提供的幾何參數(shù)如圖2所示。

圖2砝碼所需提供的幾何參數(shù)</CTSM>

此方案將砝碼分為5個(gè)部分，分別為:底面下凹部分、砝碼主體部分、頸部收縮部分、頸部放大部分和Z后的提手部分。對(duì)于這5個(gè)不同的部分，需要提供5個(gè)不同的高度A、B、C、D、E，均為底面到相應(yīng)標(biāo)記的距離；同時(shí)每個(gè)部分還要提供Z上端和Z下端的直徑。

我國(guó)生產(chǎn)的砝碼均為平底結(jié)構(gòu)，故對(duì)于計(jì)量院的設(shè)備，在幾何量設(shè)置中，第二部分可以全部設(shè)置為零。而中測(cè)院的設(shè)備是A部分的參數(shù)全部為零。

由于磁鐵分南、北兩極，并且在測(cè)量過程中會(huì)對(duì)被測(cè)樣品產(chǎn)生不同力的吸引，故在測(cè)量時(shí)要對(duì)樣品進(jìn)行兩次測(cè)量。*次是磁鐵的北極對(duì)準(zhǔn)砝碼底部，第二次是南極對(duì)準(zhǔn)砝碼底部。通過這兩次的測(cè)量結(jié)果，我們可以分別計(jì)算出砝碼的磁化率和*磁性。

這兩種磁化率計(jì)所采用的天平，均為準(zhǔn)確度等級(jí)非常高的微量天平或超微量天平。測(cè)量過程中，受到周圍環(huán)境、天平本身特性的影響，會(huì)和質(zhì)量稱量一樣，有漂移的現(xiàn)象。為了避免漂移對(duì)衡量結(jié)果的影響，建議在測(cè)量時(shí)也采用ABBA或ABA的衡量方法，以提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。

Z后的數(shù)據(jù)處理過程，都采用了建議R111中推薦的計(jì)算公式，既可以得到砝碼的磁化率，又可以得到*磁性。但要指出的是，建議推薦的方法適用于磁化率χ<1的砝碼。我們也嘗試著測(cè)量了一個(gè)磁化率和*磁性非常大的砝碼(x1)，但結(jié)果不能令人滿意，這也許是測(cè)量方法的局限所致，沒有做進(jìn)一步討論的必要了。

四、測(cè)量結(jié)果

為了驗(yàn)證兩臺(tái)磁化率計(jì)測(cè)量的等效性，我們對(duì)被測(cè)樣品做了仔細(xì)地選擇。計(jì)量院有兩個(gè)帶有BIPM檢定證書的樣塊，為正圓柱體形狀，在此次測(cè)量中被使用。另外選擇了4個(gè)砝碼作為被測(cè)樣品，其準(zhǔn)確度等級(jí)為一等、E2等；有OIML形狀的、原一等砝碼形狀的；磁化率和*磁性分為高、中、低三個(gè)級(jí)別。

為了避免測(cè)量的偶然性影響，我們對(duì)每個(gè)樣品都做了多次衡量，并取各次結(jié)果的平均值作為Z終的測(cè)量結(jié)果(如表1所示)。

從上面的結(jié)果我們可以了解，兩臺(tái)不同型號(hào)磁化率計(jì)的磁化率測(cè)量結(jié)果之間的偏差基本在9.9%左右，而且中測(cè)院的數(shù)據(jù)比計(jì)量院的偏大；*磁性測(cè)量結(jié)果之間的偏差相對(duì)比較大，并且其中的Y527砝碼通過計(jì)量院測(cè)量的結(jié)果超過了建議中的規(guī)定(8μT)，這也許是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有限所致。

但是從上面的結(jié)果我們還是可以判定，它們都可以對(duì)我國(guó)現(xiàn)在正在使用的高準(zhǔn)確度等級(jí)的砝碼開展磁化率和*磁性的測(cè)量工作，對(duì)砝碼的磁性做定性的測(cè)量，且結(jié)果一致。但鑒于磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)隨著時(shí)間和使用次數(shù)的增多而逐漸變?nèi)?，建議定期對(duì)兩臺(tái)磁化率計(jì)進(jìn)行比對(duì)，以確保磁化率測(cè)量工作的準(zhǔn)確性和一致性。

五、結(jié)論和討論

值得指出的是，砝碼的磁性與其幾何參數(shù)有關(guān)。計(jì)量院對(duì)1kg砝碼的幾何尺寸進(jìn)行了比較。建議提供了高準(zhǔn)確度等級(jí)砝碼示意圖，砝碼底部均為下凹結(jié)構(gòu)。BIPM在測(cè)量磁性軟件中也給出了它的幾何參數(shù)，我們利用游標(biāo)卡尺也測(cè)量了1kg砝碼的實(shí)際尺寸，結(jié)果如表2所示。

從表2可以觀察到，除了Outer_2和Inner_2這兩個(gè)參數(shù)，其他參數(shù)的偏差不超過0.3mm，但BIPM的結(jié)果比計(jì)量院都偏大，磁化率為15.65%，*磁性為52.63%。這樣的偏差可能是由于砝碼底部的參數(shù)差異引起的。

中測(cè)院設(shè)備附帶的控制軟件中，僅提供了建議中推薦的砝碼形狀幾何參數(shù)(底部帶下凹部分)。對(duì)于一等砝碼，如Y527，我們Z初采用的是控制軟件內(nèi)部所提供的參數(shù)，其磁化率測(cè)量結(jié)果為0.25867；Z后我們用游標(biāo)卡尺按照程序的要求，直接測(cè)量并輸入砝碼各個(gè)部位的尺寸后，再計(jì)算得到磁化率為0.17146，兩者偏差為33.71%。從這幾點(diǎn)我們了解到，砝碼的幾何參數(shù)對(duì)測(cè)量其磁化率和*磁性有很大的影響。

通過天平進(jìn)行多次衡量，在測(cè)量過程中我們發(fā)現(xiàn)，磁化率和*磁性越小的砝碼，天平達(dá)到平衡所需要的時(shí)間越短，測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性越是令人滿意；隨著磁化率和*磁性的增大，天平的穩(wěn)定時(shí)間越長(zhǎng)，測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性也越差，Z大的偏差可以達(dá)到0.1mg以上。我國(guó)用于生產(chǎn)高準(zhǔn)確度砝碼的材料基本為JF1型不銹鋼和普通不銹鋼。通過實(shí)驗(yàn)了解到，JF1型不銹鋼材料的磁化率非常?。欢胀ú讳P鋼的磁化率差異非常大。對(duì)于普通不銹鋼生產(chǎn)的砝碼，我們建議進(jìn)行多次衡量，采用其平均值作為Z終的結(jié)果是比較穩(wěn)妥的方法。

值得注意的是，建議中推薦的磁化率計(jì)測(cè)量砝碼磁性的方法適用于1kg以下的砝碼，對(duì)于2kg以上的砝碼，在需要測(cè)量其*磁性時(shí)，建議采用高斯計(jì)法，而不是此磁化率法。