国家千克副基准自动测量与数据管理的设计与实现

薛靓 罗玲

摘 要：为准确测量千克副基准的各项参数，提出采用自动化测量并建立数据库管理系统的方法。该文对系统的总体方案进行设计，分析砝码质量、砝码磁化率、砝码磁化强度、空气密度、砝码密度和体积的检测原理、算法流程及软件实现，设计数据库管理系统。该方法可完善和提升国家千克副基准的测量系统，提高工作效率及测量的准确度，保证量值传递的准确性及稳定性。

关键词：千克副基准；质量；磁化率；磁化强度；数据库管理系统

文献标志码：A 文章编号：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

砝码作为质量计量的基准，保证其量值的精确传递十分重要[1]。在7个国际基本量中，目前唯有质量采用实物基准作为最高基准，质量的最高基准由国际计量局（BIPM）保存。而作为国家千克基准的原器必须定期送回国际计量局进行校准，为避免国家千克基准在校准中的磨损，设有国家千克副基准。

新的OIML-R111国际建议，对千克副基准砝码的密度、体积、磁化率、磁化强度等技术指标的测量提出了更高的要求[2]。目前测量方法为人工手动测量，测量效率低且精度不高，需要改善和提升国家千克副基准的测量系统。本文提出的千克副基准自动测量与数据管理软件，在空气中将传统的手动测量改为自动测量，能够实现对副基准砝码各参数的全面自动测量和数据管理。

1 千克副基准自动检测系统总体方案设计

本软件系统设计的主要目的是完成上位机对下位机数据的采集，包括对千克副基准的质量、磁化率和磁化强度、密度和体积数据的接收和处理，建立数据的管理系统，包含的主要功能有：

1）基于软件编程工具Visual C++6.0，利用PC控制实现密度和体积测量装置的自动动作和定位，实现密度和体积的自动测量及分析软件的设计[3]。

2）通过串口通信，实现质量、磁化率、磁化强度、温湿度、大气压等的自动采集、数据分析及处理的软件设计。

3）通过SQL Server 2000建立数据管理平台，进行数据库管理系统软件设计[4]。

4）人机界面及用户管理系统软件的设计。

系统的总体设计方案如图1所示。通过PC机向RS485串口发送指令，仪器设备收到指令后返回相应的指令，通过对指令解码得到仪器的返回值，通过公式计算得到质量、磁化率、磁化强度、密度和体积的值。在应用中采用了4个串口，分别对质量比较仪，磁性测量装置，温湿度、大气压测量装置和密度体积测量装置进行指令的发送和数据的采集。在编写的程序界面中选择要采集数据的模块，进行相应装置的数据采集[5]。

測量系统的软件设计中，采用Visual C++6.0开发环境编写数据采集的程序界面[6]，采用SQL Server 2000数据库中设计表实现对数据的分析和处理以及管理。检测软件主程序界面如图2所示。

2 千克副基准参数测量的详细设计

千克副基准参数的测量，通过串口发送指令进行，然后建立千克副基准数据管理的软件系统。本文将千克副基准参数的测量分为3个模块，质量的测量、密度和体积的测量、磁化率和磁化强度的测量。

2.1 质量的自动测量

砝码质量的测量采用比较法。将被测砝码与标准砝码进行比较，通过计算和处理得到所需的值。上位机通过串口向质量比较仪发送数据获取测量的示值。测量装置开机后，上位机向质量比较仪发送数据，质量比较仪返回测得的数据，将采集的数据放入数据库中进行保存和处理。在VC++6.0下通过串口采集数据的效率高，能够满足测量的精度要求。SQL Server是一种安全性高、可编程、可伸缩、可靠、可管理的客户-服务模式的数据库，能够满足本文中对数据管理的要求。串口的通信协议采用赛多利斯公司的XBPI协议进行[7]。

砝码质量的检测采用ABBA的方式进行，多次测量标准砝码与被测砝码，通过比较求出差值的标准偏差，对被测砝码进行修正得到最终的砝码值[8]。

程序中对串口开启了线程，点击开始检测按钮后向串口发送数据，控制转台的运动和传感器的升降，使得标准砝码和被检测砝码在转盘上自动对正，使转盘在转台上循环转动，采集数据。通过对下位机返回的指令进行解码得到标准砝码和被测砝码的质量。表1为检测质量串口发送的各指令对应的功能。

在主界面中点击质量检测按钮后，进入质量检测的界面，初始化检测的程序界面，打开串口。待砝码放置于工作承载器上后，点击界面中的开始检测按钮，上位机向下位机发送命令控制转台、传感器和承载器的运动，使得砝码位于合适的位置上，通过向下位机发送指令进行称重，通过计算得到砝码的质量[9]。程序中编写了保存检测数据并将检测数据显示于界面上的程序代码，生成了包含检测时间、砝码信息、检测人员信息和被检测砝码质量的检测报告，程序中使用SQL语句将质量值保存于数据库中。

质量检测的软件界面如图3所示。

2.2 密度和体积自动测量

密度和体积的测量中，所需的硬件设备有天平、液体容器、控制板卡、旋转码盘、步进电机等。采用阿基米德原理对砝码的密度和体积进行测量。两次在不同的条件下测量被测砝码的质量，通过计算得到被测砝码的密度值和体积值。

测量方法为液体静力比较法，主要测量两个参数m1和m2。一是将砝码放置于空气中的工作台上测量得到质量m1，二是将砝码放置于水中的工作台上测量得到质量m2。砝码在空气中进行测量后需要迅速将其放入水中再次进行测量[10]。

上位机通过串口向天平发送数据获取测量的示值。测量装置开机后，上位机不断向天平发送数据，天平不断返回测得的数据，将采集的数据放入数据库中进行保存和处理。串口的通信协议采用赛多利斯公司的XBPI协议进行。砝码密度和体积测量的步骤如下：

1）测量环境中的温湿度和大气压的值，带入公式得到空气密度ρa[11]。

2）确定测量时的液体密度ρl。

3）得到被测砝码在空气中的质量m1。

4）将被测砝码放置于机械加载机构上，控制步进电机和码盘，将砝码送到水中的工作台上。

5）待砝码在水中稳定后，多次测量得到砝码在液体中的质量m2。

6）根据公式计算得到砝码的密度和体积。

第1）步中需要先测量空气的密度。空气密度的测量需要使用温湿度大气压测量仪器，得到空气的温度、湿度和大气压，通过计算得到空气的密度值。

第4）步中测量砝码在水中的质量时，需要将砝码送到水中指定的位置进行。对砝码在水中的运动设计了一个控制系统，控制系统由控制板卡、旋转码盘、步进电机、PC机、串口组成。砝码运动的控制流程如图4所示。

PC机对控制系统的控制在Visual C++6.0环境下，通过使用控制板卡自带的函数编写程序控制板卡的输出信号，从而实现对步进电机和旋转码盘的控制，控制承载件的旋转角度和运动量，将砝码送到指定的位置进行测量。码盘是用于测量角位移的数字编码器，具有分辨能力强、测量精度高和工作可靠的优点，常用于轴转角位置测量中。

砝码在空气中的质量m1，由质量检测装置检测得到。将砝码放置于水中检测得到质量m2，通过公式计算得到。其中水的密度已知，空气密度通过实时检测大气压温湿度计算而得到。

可在界面中选择被检测砝码的型号，设置检测的参数，选择砝码的类型，设定检测环境中的温湿度和大气压，输入操作者的信息。选择好砝码的型号和设置好参数后，将被检测的砝码放置于砝码承载件上。点击界面中的将砝码送至水中按钮，上位机通过串口向控制板卡发送数据，板卡控制步进电机和旋转码盘运动，将砝码送到水中的测量位置。程序中设置了延时程序，一定时间后砝码于水中稳定，待判断出砝码于水中稳定后，点击开始检测按钮上位机发送数据进行砝码在水中的质量检测，通过对返回数据进行解码得到砝码在水中的质量。在程序中通过砝码的密度和体积公式计算得到砝码的密度和体积值，并将得到的结果显示于程序界面上。密度和体积检测软件界面如图5所示。

在编写的程序代码中，设置了初始化函数OnInitDialog（）、步进电机的参数函数StepMotor（）、缓冲区的大小buffer[i]、延时函数Sleep（10 000）、处理接收下位机返回指令的handle（）函数，通过计算和数据处理得到最终的砝码密度和体积值，设置了将结果显示于界面的指针和API函数，设置了生成报告的CBuildReport类，调用了将结果保存于数据库的SQL语句。

程序中对扰动信号进行了消除，每次采集20個数据，通过对数据进行处理减小系统误差、粗大误差和随机误差，对处理后的数据通过计算得到最终的密度和体积值。数据库中设计的密度和体积数据存储如表2所示。

2.3 磁化率和磁化强度的自动测量

采用上位机编程通过串口向磁性测量装置实时地发送指令采集数据。所需的硬件设备为一个装有磁铁的磁性测量装置。测量中将被测砝码放置于测量的工作台面上，砝码的位置保持不变。检测中调整磁铁N级和S级的朝向，可得到砝码与磁铁之间的吸引力和砝码重力之间的合力，分别得到F1和F2。砝码的高度h，半径Rw，顶部到磁铁中心的距离Z1，底部到磁铁中心的距离Z0已知的条件下，可得到砝码磁化率和磁化强度的值，其中磁铁在工作台上表面产生的最大磁场为H。采用VC++6.0编程环境进行程序界面的编写，最后将采集的数据保存于SQL Server数据管理系统中，并对其进行处理。串口的通信协议采用赛多利斯公司自带的XBPI协议进行。

千克副基准磁化率和磁化强度检测时，当磁铁的S极朝上时，重力、砝码与磁铁之间作用力的合力为F1；调整磁铁的N极朝上，重力、砝码与磁铁之间作用力的合力为F2，F1和F2用于后续磁化率和磁化强度的计算。由于砝码与磁铁之间距离太小可能会导致磁铁将砝码磁化，在测量的过程中需要由大到小调整砝码与磁铁之间的距离值（即由大到小调整Z0的值）[12]。

BEZ是实验室内大气中磁场强度的垂直分量，通常将其视为地球磁场强度的垂直分量。在不同的海拔下，BEZ的范围为-48～60 μT。BEZ的梯度值在地球的赤道上为零，在极点处最大。BEZ在北半球中符号为正号，在南半球中符号为负号。空气磁化率可以忽略不计。规程中推荐的公式应用于正圆柱体砝码相关参数的计算[13]。若被测的砝码不是理想的正圆柱体砝码，则需要对其做进一步的修正计算，否则将产生较大的不确定度[14]。

在对砝码磁化率和磁化强度的检测中，由于被检测的砝码型号丰富，砝码的半径、高度也存在差异，在编写的检测程序中需要设定不同型号砝码对应的不同参数，在程序界面中选择不同砝码型号后得到不同的数据。需要预先得到砝码的最大磁场和地球磁场强度的垂直分量，从而得到砝码的磁距。检测过程中调整适当的Z0值，翻转磁铁极性对砝码进行多次测量。检测中需要保持砝码干净，保持检测环境恒温和恒湿，温度保持在（20 ±1）℃。保证测量的重复性，通过反复不断地测量得到最终的值[15]。

磁化率和磁化强度的快速检测中，输入砝码的几何尺寸参数，砝码的几何尺寸可通过界面中的下拉列表框进行选择，在程序界面左边的la和lb列表框中显示对应砝码型号的几何尺寸。在界面中可设定砝码的类型、温度、操作者以及设定输入方式和选择测量的速度。通过点击下一步图标进入到下一个界面。在检测中正确放置砝码的位置朝上，界面中默认检测砝码的N级朝上。砝码放置于检测仪器上后，可以调整仪器中磁铁的位置，改变砝码到磁铁的距离。如界面中的Z1～Z5为砝码到磁铁的不同距离值。为避免砝码被磁铁磁化，检测中应从大到小调整砝码到磁铁的距离[16]。若砝码到磁铁的距离过大，则检测不到砝码的磁化率和磁化强度信号，因此需要调整磁铁到合适的位置。

磁化率和磁化强度检测的初始化界面如图6所示，界面中设定了砝码的型号规格等，在界面中选择和输入了砝码的几何尺寸参数后，进行砝码参数检测。在检测中，设置了去皮，清零，自动内校、复皮、回零几个指令，各指令对应的发送数据如表3所示。

调整磁铁的位置，将使得磁铁与砝码之间的距离位于Z5，磁铁的N极朝上。在云界面中点击下一步按钮后开始对砝码进行检测，得到F1。旋转磁铁，使得磁铁的S极朝上，去皮，加载检测砝码，得到质量F2的值。

改变磁铁与砝码之间的距离，可得到多组F1和F2的值，将其值代入砝码磁化率和磁化强度的计算公式中，通过数据处理得到最终的磁化率和磁化强度的值[17]。得到F2的值后，通过点击下一步按钮可进入检测的结果程序界面。在最后的界面中点击结果按钮，可得到本次检测的结果报告，可打印该报告，程序界面如图7所示。

进入检测的每一步，均向串口发送数据，并且對接收的数据进行处理。对不同型号的砝码，调整不同的检测距离，可以得到不同的试验结果[18]，可打印。

在数据库中设计了数据表用于存储检测的信息，方便追溯和查询，数据如表4所示。

3 结束语

本文对国家千克副基准的参数测量进行了研究，其中包括了对千克副基准的质量、密度和体积，磁化率和磁化强度、空气密度的测量，并在实验室环境下对检测的软件进行了设计，同时利用硬件设备采集数据进行分析。本方法可完善和提升国家千克副基准的测量系统，提高工作效率及测量的准确度，保证量值传递的准确性及稳定性。

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（编辑：李刚）