國家千克副基準(zhǔn)自動測量與數(shù)據(jù)管理的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

薛靚 羅玲

摘 要：為準(zhǔn)確測量千克副基準(zhǔn)的各項參數(shù)，提出采用自動化測量并建立數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的方法。該文對系統(tǒng)的總體方案進(jìn)行設(shè)計，分析砝碼質(zhì)量、砝碼磁化率、砝碼磁化強(qiáng)度、空氣密度、砝碼密度和體積的檢測原理、算法流程及軟件實(shí)現(xiàn)，設(shè)計數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。該方法可完善和提升國家千克副基準(zhǔn)的測量系統(tǒng)，提高工作效率及測量的準(zhǔn)確度，保證量值傳遞的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：千克副基準(zhǔn)；質(zhì)量；磁化率；磁化強(qiáng)度；數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2017）12-0104-05

Abstract： In order to accurately measure all parameters of the kilogram national secondary standard， presents the automatical measuring method and establishs database management system. The systems overall scheme are designed， analyzes the detection principle， algorithm and software implementation of mass， magnetic susceptibility， magnetization， air density， weight density and volume， designs the database management system. The method of measurement system presented in this paper can improve and enhance the measurement system of kilogram national secondary standard， to improve work efficiency and measuring accuracy， to ensure the accuracy and stability of transferring value.

Keywords： kilogram national secondary standard； mass； magnetic susceptibility； magnetization；database management system

0 引 言

砝碼作為質(zhì)量計量的基準(zhǔn)，保證其量值的精確傳遞十分重要[1]。在7個國際基本量中，目前唯有質(zhì)量采用實(shí)物基準(zhǔn)作為最高基準(zhǔn)，質(zhì)量的最高基準(zhǔn)由國際計量局（BIPM）保存。而作為國家千克基準(zhǔn)的原器必須定期送回國際計量局進(jìn)行校準(zhǔn)，為避免國家千克基準(zhǔn)在校準(zhǔn)中的磨損，設(shè)有國家千克副基準(zhǔn)。

新的OIML-R111國際建議，對千克副基準(zhǔn)砝碼的密度、體積、磁化率、磁化強(qiáng)度等技術(shù)指標(biāo)的測量提出了更高的要求[2]。目前測量方法為人工手動測量，測量效率低且精度不高，需要改善和提升國家千克副基準(zhǔn)的測量系統(tǒng)。本文提出的千克副基準(zhǔn)自動測量與數(shù)據(jù)管理軟件，在空氣中將傳統(tǒng)的手動測量改為自動測量，能夠?qū)崿F(xiàn)對副基準(zhǔn)砝碼各參數(shù)的全面自動測量和數(shù)據(jù)管理。

1 千克副基準(zhǔn)自動檢測系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本軟件系統(tǒng)設(shè)計的主要目的是完成上位機(jī)對下位機(jī)數(shù)據(jù)的采集，包括對千克副基準(zhǔn)的質(zhì)量、磁化率和磁化強(qiáng)度、密度和體積數(shù)據(jù)的接收和處理，建立數(shù)據(jù)的管理系統(tǒng)，包含的主要功能有：

1）基于軟件編程工具Visual C++6.0，利用PC控制實(shí)現(xiàn)密度和體積測量裝置的自動動作和定位，實(shí)現(xiàn)密度和體積的自動測量及分析軟件的設(shè)計[3]。

2）通過串口通信，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量、磁化率、磁化強(qiáng)度、溫濕度、大氣壓等的自動采集、數(shù)據(jù)分析及處理的軟件設(shè)計。

3）通過SQL Server 2000建立數(shù)據(jù)管理平臺，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件設(shè)計[4]。

4）人機(jī)界面及用戶管理系統(tǒng)軟件的設(shè)計。

系統(tǒng)的總體設(shè)計方案如圖1所示。通過PC機(jī)向RS485串口發(fā)送指令，儀器設(shè)備收到指令后返回相應(yīng)的指令，通過對指令解碼得到儀器的返回值，通過公式計算得到質(zhì)量、磁化率、磁化強(qiáng)度、密度和體積的值。在應(yīng)用中采用了4個串口，分別對質(zhì)量比較儀，磁性測量裝置，溫濕度、大氣壓測量裝置和密度體積測量裝置進(jìn)行指令的發(fā)送和數(shù)據(jù)的采集。在編寫的程序界面中選擇要采集數(shù)據(jù)的模塊，進(jìn)行相應(yīng)裝置的數(shù)據(jù)采集[5]。

測量系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，采用Visual C++6.0開發(fā)環(huán)境編寫數(shù)據(jù)采集的程序界面[6]，采用SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫中設(shè)計表實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析和處理以及管理。檢測軟件主程序界面如圖2所示。

2 千克副基準(zhǔn)參數(shù)測量的詳細(xì)設(shè)計

千克副基準(zhǔn)參數(shù)的測量，通過串口發(fā)送指令進(jìn)行，然后建立千克副基準(zhǔn)數(shù)據(jù)管理的軟件系統(tǒng)。本文將千克副基準(zhǔn)參數(shù)的測量分為3個模塊，質(zhì)量的測量、密度和體積的測量、磁化率和磁化強(qiáng)度的測量。

2.1 質(zhì)量的自動測量

砝碼質(zhì)量的測量采用比較法。將被測砝碼與標(biāo)準(zhǔn)砝碼進(jìn)行比較，通過計算和處理得到所需的值。上位機(jī)通過串口向質(zhì)量比較儀發(fā)送數(shù)據(jù)獲取測量的示值。測量裝置開機(jī)后，上位機(jī)向質(zhì)量比較儀發(fā)送數(shù)據(jù)，質(zhì)量比較儀返回測得的數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行保存和處理。在VC++6.0下通過串口采集數(shù)據(jù)的效率高，能夠滿足測量的精度要求。SQL Server是一種安全性高、可編程、可伸縮、可靠、可管理的客戶-服務(wù)模式的數(shù)據(jù)庫，能夠滿足本文中對數(shù)據(jù)管理的要求。串口的通信協(xié)議采用賽多利斯公司的XBPI協(xié)議進(jìn)行[7]。

砝碼質(zhì)量的檢測采用ABBA的方式進(jìn)行，多次測量標(biāo)準(zhǔn)砝碼與被測砝碼，通過比較求出差值的標(biāo)準(zhǔn)偏差，對被測砝碼進(jìn)行修正得到最終的砝碼值[8]。

程序中對串口開啟了線程，點(diǎn)擊開始檢測按鈕后向串口發(fā)送數(shù)據(jù)，控制轉(zhuǎn)臺的運(yùn)動和傳感器的升降，使得標(biāo)準(zhǔn)砝碼和被檢測砝碼在轉(zhuǎn)盤上自動對正，使轉(zhuǎn)盤在轉(zhuǎn)臺上循環(huán)轉(zhuǎn)動，采集數(shù)據(jù)。通過對下位機(jī)返回的指令進(jìn)行解碼得到標(biāo)準(zhǔn)砝碼和被測砝碼的質(zhì)量。表1為檢測質(zhì)量串口發(fā)送的各指令對應(yīng)的功能。

在主界面中點(diǎn)擊質(zhì)量檢測按鈕后，進(jìn)入質(zhì)量檢測的界面，初始化檢測的程序界面，打開串口。待砝碼放置于工作承載器上后，點(diǎn)擊界面中的開始檢測按鈕，上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送命令控制轉(zhuǎn)臺、傳感器和承載器的運(yùn)動，使得砝碼位于合適的位置上，通過向下位機(jī)發(fā)送指令進(jìn)行稱重，通過計算得到砝碼的質(zhì)量[9]。程序中編寫了保存檢測數(shù)據(jù)并將檢測數(shù)據(jù)顯示于界面上的程序代碼，生成了包含檢測時間、砝碼信息、檢測人員信息和被檢測砝碼質(zhì)量的檢測報告，程序中使用SQL語句將質(zhì)量值保存于數(shù)據(jù)庫中。

質(zhì)量檢測的軟件界面如圖3所示。

2.2 密度和體積自動測量

密度和體積的測量中，所需的硬件設(shè)備有天平、液體容器、控制板卡、旋轉(zhuǎn)碼盤、步進(jìn)電機(jī)等。采用阿基米德原理對砝碼的密度和體積進(jìn)行測量。兩次在不同的條件下測量被測砝碼的質(zhì)量，通過計算得到被測砝碼的密度值和體積值。

測量方法為液體靜力比較法，主要測量兩個參數(shù)m1和m2。一是將砝碼放置于空氣中的工作臺上測量得到質(zhì)量m1，二是將砝碼放置于水中的工作臺上測量得到質(zhì)量m2。砝碼在空氣中進(jìn)行測量后需要迅速將其放入水中再次進(jìn)行測量[10]。

上位機(jī)通過串口向天平發(fā)送數(shù)據(jù)獲取測量的示值。測量裝置開機(jī)后，上位機(jī)不斷向天平發(fā)送數(shù)據(jù)，天平不斷返回測得的數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行保存和處理。串口的通信協(xié)議采用賽多利斯公司的XBPI協(xié)議進(jìn)行。砝碼密度和體積測量的步驟如下：

1）測量環(huán)境中的溫濕度和大氣壓的值，帶入公式得到空氣密度ρa(bǔ)[11]。

2）確定測量時的液體密度ρl。

3）得到被測砝碼在空氣中的質(zhì)量m1。

4）將被測砝碼放置于機(jī)械加載機(jī)構(gòu)上，控制步進(jìn)電機(jī)和碼盤，將砝碼送到水中的工作臺上。

5）待砝碼在水中穩(wěn)定后，多次測量得到砝碼在液體中的質(zhì)量m2。

6）根據(jù)公式計算得到砝碼的密度和體積。

第1）步中需要先測量空氣的密度。空氣密度的測量需要使用溫濕度大氣壓測量儀器，得到空氣的溫度、濕度和大氣壓，通過計算得到空氣的密度值。

第4）步中測量砝碼在水中的質(zhì)量時，需要將砝碼送到水中指定的位置進(jìn)行。對砝碼在水中的運(yùn)動設(shè)計了一個控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)由控制板卡、旋轉(zhuǎn)碼盤、步進(jìn)電機(jī)、PC機(jī)、串口組成。砝碼運(yùn)動的控制流程如圖4所示。

PC機(jī)對控制系統(tǒng)的控制在Visual C++6.0環(huán)境下，通過使用控制板卡自帶的函數(shù)編寫程序控制板卡的輸出信號，從而實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)碼盤的控制，控制承載件的旋轉(zhuǎn)角度和運(yùn)動量，將砝碼送到指定的位置進(jìn)行測量。碼盤是用于測量角位移的數(shù)字編碼器，具有分辨能力強(qiáng)、測量精度高和工作可靠的優(yōu)點(diǎn)，常用于軸轉(zhuǎn)角位置測量中。

砝碼在空氣中的質(zhì)量m1，由質(zhì)量檢測裝置檢測得到。將砝碼放置于水中檢測得到質(zhì)量m2，通過公式計算得到。其中水的密度已知，空氣密度通過實(shí)時檢測大氣壓溫濕度計算而得到。

可在界面中選擇被檢測砝碼的型號，設(shè)置檢測的參數(shù)，選擇砝碼的類型，設(shè)定檢測環(huán)境中的溫濕度和大氣壓，輸入操作者的信息。選擇好砝碼的型號和設(shè)置好參數(shù)后，將被檢測的砝碼放置于砝碼承載件上。點(diǎn)擊界面中的將砝碼送至水中按鈕，上位機(jī)通過串口向控制板卡發(fā)送數(shù)據(jù)，板卡控制步進(jìn)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)碼盤運(yùn)動，將砝碼送到水中的測量位置。程序中設(shè)置了延時程序，一定時間后砝碼于水中穩(wěn)定，待判斷出砝碼于水中穩(wěn)定后，點(diǎn)擊開始檢測按鈕上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行砝碼在水中的質(zhì)量檢測，通過對返回數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼得到砝碼在水中的質(zhì)量。在程序中通過砝碼的密度和體積公式計算得到砝碼的密度和體積值，并將得到的結(jié)果顯示于程序界面上。密度和體積檢測軟件界面如圖5所示。

在編寫的程序代碼中，設(shè)置了初始化函數(shù)OnInitDialog（）、步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)函數(shù)StepMotor（）、緩沖區(qū)的大小buffer[i]、延時函數(shù)Sleep（10 000）、處理接收下位機(jī)返回指令的handle（）函數(shù)，通過計算和數(shù)據(jù)處理得到最終的砝碼密度和體積值，設(shè)置了將結(jié)果顯示于界面的指針和API函數(shù)，設(shè)置了生成報告的CBuildReport類，調(diào)用了將結(jié)果保存于數(shù)據(jù)庫的SQL語句。

程序中對擾動信號進(jìn)行了消除，每次采集20個數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理減小系統(tǒng)誤差、粗大誤差和隨機(jī)誤差，對處理后的數(shù)據(jù)通過計算得到最終的密度和體積值。數(shù)據(jù)庫中設(shè)計的密度和體積數(shù)據(jù)存儲如表2所示。

2.3 磁化率和磁化強(qiáng)度的自動測量

采用上位機(jī)編程通過串口向磁性測量裝置實(shí)時地發(fā)送指令采集數(shù)據(jù)。所需的硬件設(shè)備為一個裝有磁鐵的磁性測量裝置。測量中將被測砝碼放置于測量的工作臺面上，砝碼的位置保持不變。檢測中調(diào)整磁鐵N級和S級的朝向，可得到砝碼與磁鐵之間的吸引力和砝碼重力之間的合力，分別得到F1和F2。砝碼的高度h，半徑Rw，頂部到磁鐵中心的距離Z1，底部到磁鐵中心的距離Z0已知的條件下，可得到砝碼磁化率和磁化強(qiáng)度的值，其中磁鐵在工作臺上表面產(chǎn)生的最大磁場為H。采用VC++6.0編程環(huán)境進(jìn)行程序界面的編寫，最后將采集的數(shù)據(jù)保存于SQL Server數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中，并對其進(jìn)行處理。串口的通信協(xié)議采用賽多利斯公司自帶的XBPI協(xié)議進(jìn)行。

千克副基準(zhǔn)磁化率和磁化強(qiáng)度檢測時，當(dāng)磁鐵的S極朝上時，重力、砝碼與磁鐵之間作用力的合力為F1；調(diào)整磁鐵的N極朝上，重力、砝碼與磁鐵之間作用力的合力為F2，F(xiàn)1和F2用于后續(xù)磁化率和磁化強(qiáng)度的計算。由于砝碼與磁鐵之間距離太小可能會導(dǎo)致磁鐵將砝碼磁化，在測量的過程中需要由大到小調(diào)整砝碼與磁鐵之間的距離值（即由大到小調(diào)整Z0的值）[12]。

BEZ是實(shí)驗室內(nèi)大氣中磁場強(qiáng)度的垂直分量，通常將其視為地球磁場強(qiáng)度的垂直分量。在不同的海拔下，BEZ的范圍為-48～60 μT。BEZ的梯度值在地球的赤道上為零，在極點(diǎn)處最大。BEZ在北半球中符號為正號，在南半球中符號為負(fù)號。空氣磁化率可以忽略不計。規(guī)程中推薦的公式應(yīng)用于正圓柱體砝碼相關(guān)參數(shù)的計算[13]。若被測的砝碼不是理想的正圓柱體砝碼，則需要對其做進(jìn)一步的修正計算，否則將產(chǎn)生較大的不確定度[14]。

在對砝碼磁化率和磁化強(qiáng)度的檢測中，由于被檢測的砝碼型號豐富，砝碼的半徑、高度也存在差異，在編寫的檢測程序中需要設(shè)定不同型號砝碼對應(yīng)的不同參數(shù)，在程序界面中選擇不同砝碼型號后得到不同的數(shù)據(jù)。需要預(yù)先得到砝碼的最大磁場和地球磁場強(qiáng)度的垂直分量，從而得到砝碼的磁距。檢測過程中調(diào)整適當(dāng)?shù)腪0值，翻轉(zhuǎn)磁鐵極性對砝碼進(jìn)行多次測量。檢測中需要保持砝碼干凈，保持檢測環(huán)境恒溫和恒濕，溫度保持在（20 ±1）℃。保證測量的重復(fù)性，通過反復(fù)不斷地測量得到最終的值[15]。

磁化率和磁化強(qiáng)度的快速檢測中，輸入砝碼的幾何尺寸參數(shù)，砝碼的幾何尺寸可通過界面中的下拉列表框進(jìn)行選擇，在程序界面左邊的la和lb列表框中顯示對應(yīng)砝碼型號的幾何尺寸。在界面中可設(shè)定砝碼的類型、溫度、操作者以及設(shè)定輸入方式和選擇測量的速度。通過點(diǎn)擊下一步圖標(biāo)進(jìn)入到下一個界面。在檢測中正確放置砝碼的位置朝上，界面中默認(rèn)檢測砝碼的N級朝上。砝碼放置于檢測儀器上后，可以調(diào)整儀器中磁鐵的位置，改變砝碼到磁鐵的距離。如界面中的Z1～Z5為砝碼到磁鐵的不同距離值。為避免砝碼被磁鐵磁化，檢測中應(yīng)從大到小調(diào)整砝碼到磁鐵的距離[16]。若砝碼到磁鐵的距離過大，則檢測不到砝碼的磁化率和磁化強(qiáng)度信號，因此需要調(diào)整磁鐵到合適的位置。

磁化率和磁化強(qiáng)度檢測的初始化界面如圖6所示，界面中設(shè)定了砝碼的型號規(guī)格等，在界面中選擇和輸入了砝碼的幾何尺寸參數(shù)后，進(jìn)行砝碼參數(shù)檢測。在檢測中，設(shè)置了去皮，清零，自動內(nèi)校、復(fù)皮、回零幾個指令，各指令對應(yīng)的發(fā)送數(shù)據(jù)如表3所示。

調(diào)整磁鐵的位置，將使得磁鐵與砝碼之間的距離位于Z5，磁鐵的N極朝上。在云界面中點(diǎn)擊下一步按鈕后開始對砝碼進(jìn)行檢測，得到F1。旋轉(zhuǎn)磁鐵，使得磁鐵的S極朝上，去皮，加載檢測砝碼，得到質(zhì)量F2的值。

改變磁鐵與砝碼之間的距離，可得到多組F1和F2的值，將其值代入砝碼磁化率和磁化強(qiáng)度的計算公式中，通過數(shù)據(jù)處理得到最終的磁化率和磁化強(qiáng)度的值[17]。得到F2的值后，通過點(diǎn)擊下一步按鈕可進(jìn)入檢測的結(jié)果程序界面。在最后的界面中點(diǎn)擊結(jié)果按鈕，可得到本次檢測的結(jié)果報告，可打印該報告，程序界面如圖7所示。

進(jìn)入檢測的每一步，均向串口發(fā)送數(shù)據(jù)，并且對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。對不同型號的砝碼，調(diào)整不同的檢測距離，可以得到不同的試驗結(jié)果[18]，可打印。

在數(shù)據(jù)庫中設(shè)計了數(shù)據(jù)表用于存儲檢測的信息，方便追溯和查詢，數(shù)據(jù)如表4所示。

3 結(jié)束語

本文對國家千克副基準(zhǔn)的參數(shù)測量進(jìn)行了研究，其中包括了對千克副基準(zhǔn)的質(zhì)量、密度和體積，磁化率和磁化強(qiáng)度、空氣密度的測量，并在實(shí)驗室環(huán)境下對檢測的軟件進(jìn)行了設(shè)計，同時利用硬件設(shè)備采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。本方法可完善和提升國家千克副基準(zhǔn)的測量系統(tǒng)，提高工作效率及測量的準(zhǔn)確度，保證量值傳遞的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

[1] DAVIS R S. Determining the magnetic properties of 1 kg mass standards[J]. Journal of Research of the National Institute of Standards & Technology，2004，109（2）：209-225.

[2] BAUMERT J H， MCWHINNEY M S. Software measures and the Capability Maturity Model[D]. Pittshurgh： Carnegie Mellon University，1999.

[3] 孫鑫，余安萍. VC++深入詳解[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2006：73-92.

[4] ROB P， CORONEL C. 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計、實(shí)現(xiàn)與管理[M].陳立軍，譯. 北京：電子工業(yè)出版社，2004：13-21.

[5] BAKLARZ G， WONG B. DB2 UDB v8.1 for Linux，UNIX，Windows數(shù)據(jù)庫管理[M].龔玲，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：39-47.

[6] 劉蕾，唐為義，原所先. 基于VC++與PMAC的機(jī)器人控制軟件的開發(fā)[J]. 微計算機(jī)信息，2008（5）：203-205.

[7] 陳志泊，李冬梅，王春玲，等. 數(shù)據(jù)原理及應(yīng)用教程[M]. 北京：人民郵電出版社，2002：46-70.

[8] 顧曦，莫義華. 折算質(zhì)量與真空質(zhì)量的換算[J]. 計量與測試技術(shù)，2009（5）：51-52.

[9] 測量不確定度評定與表示：JJF 1059.1-2012[S]. 北京：中國質(zhì)檢出版社，2012.

[10] 姚久民，王麗麗，客海濱，等. 空氣密度與氣體普適常量測量實(shí)驗的改進(jìn)[J]. 物理實(shí)驗，2011（12）：24-26.

[11] 薛靚. 千克副基準(zhǔn)砝碼比對中空氣浮力的影響[J]. 中國測試技術(shù)，2003，29（4）：16.

[12] 托馬斯· 費(fèi)林， 托馬斯·費(fèi)勒利希，德特勒夫·海登布盧特，等. 砝碼件的磁性能檢驗[J]. 衡器，2006（2）：48-50.

[13] 砝碼：JJG 99-2006[S]. 北京：中國計量出版社，2006.

[14] 鄧彥. 對砝碼磁性測量的研究[J]. 電子質(zhì)量，2009（9）：64-66.

[15] 黨正強(qiáng)，薛靚. 砝碼磁性的測量及不確定度分析[J]. 中國測試技術(shù)，2006，32（5）：39-41.

[16] 徐峰. 砝碼磁化率量值比對及不確定度分析[J].衡器，2011（1）：28-33.

[17] 薛靚，陳雪松，曾波，等. 砝碼磁化率對其折算質(zhì)量值的影響及量化分析[J].中國測試，2010，36（5）：18-20.

[18] 王健，姚弘，張躍，等. 砝碼磁化率對質(zhì)量測量過程的影響[J]. 計量學(xué)報，2009，30（6）：539-542.

（編輯：李剛）