國家千克副基準自動測量與數據管理的設計與實現

薛靚 羅玲

摘 要：為準確測量千克副基準的各項參數，提出采用自動化測量并建立數據庫管理系統的方法。該文對系統的總體方案進行設計，分析砝碼質量、砝碼磁化率、砝碼磁化強度、空氣密度、砝碼密度和體積的檢測原理、算法流程及軟件實現，設計數據庫管理系統。該方法可完善和提升國家千克副基準的測量系統，提高工作效率及測量的準確度，保證量值傳遞的準確性及穩定性。

關鍵詞：千克副基準；質量；磁化率；磁化強度；數據庫管理系統

文獻標志碼：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

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

新的OIML-R111國際建議，對千克副基準砝碼的密度、體積、磁化率、磁化強度等技術指標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的測量系統。本文提出的千克副基準自動測量與數據管理軟件，在空氣中將傳統的手動測量改為自動測量，能夠實現對副基準砝碼各參數的全面自動測量和數據管理。

1 千克副基準自動檢測系統總體方案設計

本軟件系統設計的主要目的是完成上位機對下位機數據的采集，包括對千克副基準的質量、磁化率和磁化強度、密度和體積數據的接收和處理，建立數據的管理系統，包含的主要功能有：

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

2）通過串口通信，實現質量、磁化率、磁化強度、溫濕度、大氣壓等的自動采集、數據分析及處理的軟件設計。

3）通過SQL Server 2000建立數據管理平臺，進行數據庫管理系統軟件設計[4]。

4）人機界面及用戶管理系統軟件的設計。

系統的總體設計方案如圖1所示。通過PC機向RS485串口發送指令，儀器設備收到指令后返回相應的指令，通過對指令解碼得到儀器的返回值，通過公式計算得到質量、磁化率、磁化強度、密度和體積的值。在應用中采用了4個串口，分別對質量比較儀，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行指令的發送和數據的采集。在編寫的程序界面中選擇要采集數據的模塊，進行相應裝置的數據采集[5]。

測量系統的軟件設計中，采用Visual C++6.0開發環境編寫數據采集的程序界面[6]，采用SQL Server 2000數據庫中設計表實現對數據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 千克副基準參數測量的詳細設計

千克副基準參數的測量，通過串口發送指令進行，然后建立千克副基準數據管理的軟件系統。本文將千克副基準參數的測量分為3個模塊，質量的測量、密度和體積的測量、磁化率和磁化強度的測量。

2.1 質量的自動測量

砝碼質量的測量采用比較法。將被測砝碼與標準砝碼進行比較，通過計算和處理得到所需的值。上位機通過串口向質量比較儀發送數據獲取測量的示值。測量裝置開機后，上位機向質量比較儀發送數據，質量比較儀返回測得的數據，將采集的數據放入數據庫中進行保存和處理。在VC++6.0下通過串口采集數據的效率高，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-服務模式的數據庫，能夠滿足本文中對數據管理的要求。串口的通信協議采用賽多利斯公司的XBPI協議進行[7]。

砝碼質量的檢測采用ABBA的方式進行，多次測量標準砝碼與被測砝碼，通過比較求出差值的標準偏差，對被測砝碼進行修正得到最終的砝碼值[8]。

程序中對串口開啟了線程，點擊開始檢測按鈕后向串口發送數據，控制轉臺的運動和傳感器的升降，使得標準砝碼和被檢測砝碼在轉盤上自動對正，使轉盤在轉臺上循環轉動，采集數據。通過對下位機返回的指令進行解碼得到標準砝碼和被測砝碼的質量。表1為檢測質量串口發送的各指令對應的功能。

在主界面中點擊質量檢測按鈕后，進入質量檢測的界面，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，點擊界面中的開始檢測按鈕，上位機向下位機發送命令控制轉臺、傳感器和承載器的運動，使得砝碼位于合適的位置上，通過向下位機發送指令進行稱重，通過計算得到砝碼的質量[9]。程序中編寫了保存檢測數據并將檢測數據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量的檢測報告，程序中使用SQL語句將質量值保存于數據庫中。

質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，所需的硬件設備有天平、液體容器、控制板卡、旋轉碼盤、步進電機等。采用阿基米德原理對砝碼的密度和體積進行測量。兩次在不同的條件下測量被測砝碼的質量，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m1和m2。一是將砝碼放置于空氣中的工作臺上測量得到質量m1，二是將砝碼放置于水中的工作臺上測量得到質量m2。砝碼在空氣中進行測量后需要迅速將其放入水中再次進行測量[10]。

上位機通過串口向天平發送數據獲取測量的示值。測量裝置開機后，上位機不斷向天平發送數據，天平不斷返回測得的數據，將采集的數據放入數據庫中進行保存和處理。串口的通信協議采用賽多利斯公司的XBPI協議進行。砝碼密度和體積測量的步驟如下：

1）測量環境中的溫濕度和大氣壓的值，帶入公式得到空氣密度ρa[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量m1。

4）將被測砝碼放置于機械加載機構上，控制步進電機和碼盤，將砝碼送到水中的工作臺上。

5）待砝碼在水中穩定后，多次測量得到砝碼在液體中的質量m2。

6）根據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?？諝饷芏鹊臏y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量時，需要將砝碼送到水中指定的位置進行。對砝碼在水中的運動設計了一個控制系統，控制系統由控制板卡、旋轉碼盤、步進電機、PC機、串口組成。砝碼運動的控制流程如圖4所示。

PC機對控制系統的控制在Visual C++6.0環境下，通過使用控制板卡自帶的函數編寫程序控制板卡的輸出信號，從而實現對步進電機和旋轉碼盤的控制，控制承載件的旋轉角度和運動量，將砝碼送到指定的位置進行測量。碼盤是用于測量角位移的數字編碼器，具有分辨能力強、測量精度高和工作可靠的優點，常用于軸轉角位置測量中。

砝碼在空氣中的質量m1，由質量檢測裝置檢測得到。將砝碼放置于水中檢測得到質量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，設置檢測的參數，選擇砝碼的類型，設定檢測環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置好參數后，將被檢測的砝碼放置于砝碼承載件上。點擊界面中的將砝碼送至水中按鈕，上位機通過串口向控制板卡發送數據，板卡控制步進電機和旋轉碼盤運動，將砝碼送到水中的測量位置。程序中設置了延時程序，一定時間后砝碼于水中穩定，待判斷出砝碼于水中穩定后，點擊開始檢測按鈕上位機發送數據進行砝碼在水中的質量檢測，通過對返回數據進行解碼得到砝碼在水中的質量。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，設置了初始化函數OnInitDialog（）、步進電機的參數函數StepMotor（）、緩沖區的大小buffer[i]、延時函數Sleep（10 000）、處理接收下位機返回指令的handle（）函數，通過計算和數據處理得到最終的砝碼密度和體積值，設置了將結果顯示于界面的指針和API函數，設置了生成報告的CBuildReport類，調用了將結果保存于數據庫的SQL語句。

程序中對擾動信號進行了消除，每次采集20個數據，通過對數據進行處理減小系統誤差、粗大誤差和隨機誤差，對處理后的數據通過計算得到最終的密度和體積值。數據庫中設計的密度和體積數據存儲如表2所示。

2.3 磁化率和磁化強度的自動測量

采用上位機編程通過串口向磁性測量裝置實時地發送指令采集數據。所需的硬件設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度的值，其中磁鐵在工作臺上表面產生的最大磁場為H。采用VC++6.0編程環境進行程序界面的編寫，最后將采集的數據保存于SQL Server數據管理系統中，并對其進行處理。串口的通信協議采用賽多利斯公司自帶的XBPI協議進行。

千克副基準磁化率和磁化強度檢測時，當磁鐵的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，F1和F2用于后續磁化率和磁化強度的計算。由于砝碼與磁鐵之間距離太小可能會導致磁鐵將砝碼磁化，在測量的過程中需要由大到小調整砝碼與磁鐵之間的距離值（即由大到小調整Z0的值）[12]。

BEZ是實驗室內大氣中磁場強度的垂直分量，通常將其視為地球磁場強度的垂直分量。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，在極點處最大。BEZ在北半球中符號為正號，在南半球中符號為負號?？諝獯呕士梢院雎圆挥嫛Ｒ幊讨型扑]的公式應用于正圓柱體砝碼相關參數的計算[13]。若被測的砝碼不是理想的正圓柱體砝碼，則需要對其做進一步的修正計算，否則將產生較大的不確定度[14]。

在對砝碼磁化率和磁化強度的檢測中，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定不同型號砝碼對應的不同參數，在程序界面中選擇不同砝碼型號后得到不同的數據。需要預先得到砝碼的最大磁場和地球磁場強度的垂直分量，從而得到砝碼的磁距。檢測過程中調整適當的Z0值，翻轉磁鐵極性對砝碼進行多次測量。檢測中需要保持砝碼干凈，保持檢測環境恒溫和恒濕，溫度保持在（20 ±1）℃。保證測量的重復性，通過反復不斷地測量得到最終的值[15]。

磁化率和磁化強度的快速檢測中，輸入砝碼的幾何尺寸參數，砝碼的幾何尺寸可通過界面中的下拉列表框進行選擇，在程序界面左邊的la和lb列表框中顯示對應砝碼型號的幾何尺寸。在界面中可設定砝碼的類型、溫度、操作者以及設定輸入方式和選擇測量的速度。通過點擊下一步圖標進入到下一個界面。在檢測中正確放置砝碼的位置朝上，界面中默認檢測砝碼的N級朝上。砝碼放置于檢測儀器上后，可以調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，檢測中應從大到小調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度信號，因此需要調整磁鐵到合適的位置。

磁化率和磁化強度檢測的初始化界面如圖6所示，界面中設定了砝碼的型號規格等，在界面中選擇和輸入了砝碼的幾何尺寸參數后，進行砝碼參數檢測。在檢測中，設置了去皮，清零，自動內校、復皮、回零幾個指令，各指令對應的發送數據如表3所示。

調整磁鐵的位置，將使得磁鐵與砝碼之間的距離位于Z5，磁鐵的N極朝上。在云界面中點擊下一步按鈕后開始對砝碼進行檢測，得到F1。旋轉磁鐵，使得磁鐵的S極朝上，去皮，加載檢測砝碼，得到質量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度的計算公式中，通過數據處理得到最終的磁化率和磁化強度的值[17]。得到F2的值后，通過點擊下一步按鈕可進入檢測的結果程序界面。在最后的界面中點擊結果按鈕，可得到本次檢測的結果報告，可打印該報告，程序界面如圖7所示。

進入檢測的每一步，均向串口發送數據，并且對接收的數據進行處理。對不同型號的砝碼，調整不同的檢測距離，可以得到不同的試驗結果[18]，可打印。

在數據庫中設計了數據表用于存儲檢測的信息，方便追溯和查詢，數據如表4所示。

3 結束語

本文對國家千克副基準的參數測量進行了研究，其中包括了對千克副基準的質量、密度和體積，磁化率和磁化強度、空氣密度的測量，并在實驗室環境下對檢測的軟件進行了設計，同時利用硬件設備采集數據進行分析。本方法可完善和提升國家千克副基準的測量系統，提高工作效率及測量的準確度，保證量值傳遞的準確性及穩定性。

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（編輯：李剛）