一、概述
砝碼磁性對衡量結果影響的研究越來越引起各國計量單位的重視，在對1994年版建議R111的修改過程中，已經將砝碼磁性的技術指標、測量方法及其不確定度的影響等內容增加進去。

對于砝碼而言，磁化率和*磁性是反映其磁性的兩個重要技術指標。根據R111中的定義，體積磁化率為一種介質改變磁場的能力；而*磁性描述的是一個材料物體，如砝碼，在外界磁場中磁性狀態(tài)的參數。物體的磁性在其周圍的空間產生不均勻的磁場，因此對周圍其他的物體會產生磁力。在磁性基礎知識中，對磁化率有另一個定義，它是物質在外加磁場作用下的合磁矩(稱為磁化強度)與磁場強度之比值。我們可以這樣理解，磁化率描述的是砝碼感受外界磁場強度的一種能力，如果磁化率大，就容易與外界磁場產生相互間的作用；而*磁性表述的是砝碼本身的磁性強弱，反映的是砝碼已經被磁化的程度。

我國在使用高準確度砝碼，如工作基準(E1)等級、一(E2)等砝碼過程中，對其磁性現(xiàn)狀不甚了解，只是感覺到部分砝碼在機械天平和電子天平上的數據結果不一致，有的甚至超過該等級砝碼的檢定準確度。在JJG98-1990《非自動天平(試行)》檢定規(guī)程中，對于檢定電子天平的標準砝碼磁化率要求“不大于0.001”，但實際上無法進行驗證。隨著我國質量計量與*交流的加強以及砝碼對外出口的增加，對砝碼磁性的測量越來越受到大家的重視。

以前對砝碼磁性采用原材料、破壞性的測量方式，而對于成型砝碼缺乏測量手段，所以無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。現(xiàn)在，中國計量科學研究院(以下簡稱計量院)引進了計量局(BIPM)研發(fā)的磁化率計，中國測試技術研究院(以下簡稱中測院)引進了德國Sartorius公司開發(fā)的YSZ02C磁化率計。為了確保砝碼磁性測量的準確、一致，計量院與中測院對這兩種不同的磁性測量裝置進行了砝碼磁性的測量與比較。

二、測量設備

計量院采用的砝碼磁化率計的主體，是瑞士Mettler Toledo公司生產的UMX5超微量質量比較儀。Z大稱量范圍5.1g，讀數能力0.1μg；其他配件包括:用于承載被測樣品的鋁橋，Z大載荷為1kg；用于調節(jié)鋁橋高度、改變測量位置處磁場強度、4組不同高度的鋁制墊腳；標準磁鐵3塊(帶BIPM檢定證書)；標準樣塊2個(帶BIPM檢定證書)；計算磁化率和*磁性的Excel軟件。

中測院采用的磁化率計主要部件包括:具有N、S極的標準磁體、磁體支撐部件、磁極轉換部件、加載平臺、稱重系統(tǒng)等。該磁化率計Z大載荷為50kg，稱重系統(tǒng)Z大稱量范圍10.1g，讀數能力1μg。該設備是通過調整加載平臺高度來改變測量位置處的磁場強度，以適應不同等級砝碼的磁性測量，并通過調整磁極轉換裝置來改變標準磁體的極性，以獲得被測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采集到的測量數據傳輸到計算機，經過該磁化率計軟件V.1.01.005的分析計算，Z終得出被測砝碼的磁化率和*磁性以及其他相關技術數據。

三、測量過程

雖然兩臺磁性測量裝置的結構不同，但測量原理、計算方法都采用了目前建議R111修改草案中提供的方法。

首先要確定被測樣品的準確度等級，以及樣品底部與標準磁鐵中心之間的距離(Z0)。進行磁性測量時，被測樣品將處于一個強磁場中，這樣，被測樣品有被磁化的危險性。在建議中對不同等級的砝碼，所處的Z大磁場強度有明確的規(guī)定:E1等砝碼為2kA/m；E2等砝碼為0.8kA/m；其他等級砝碼為0.2kA/m。

為了降低Z大磁場強度對被測樣品的影響，有必要增大Z0的距離。在建議中，推薦的Z小距離為20mm。對于計量院使用的設備，Z0的距離是通過標準磁鐵和標準樣塊NIM-Alac測量得到的，在BIPM給的操作手冊中指出:“當Z0≈22mm時，天平的讀數大約為-0.14mg。如果讀數在-0.1mg和-0.2mg之間，Z0的距離是可以接受的。”測量Z0的初始值后可以更換鋁塊墊腳得到不同的Z0值，以滿足不同準確度砝碼的測量。

中測院采用的磁性裝置上分別標記了從Z1到Z55個位置，通過改變位置(Z1的距離Z短，Z5的距離Z遠)實現(xiàn)不同準確度砝碼的測量。但是這5個位置的高度不是BIPM實驗得到的，而是由生產廠家作為常數確定下來，提供給Z終用戶的。

實驗中發(fā)現(xiàn)，我國正在使用的部分高準確度砝碼(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。對于這樣的砝碼，如果采用建議中相應準確度等級的Z大磁場強度，將有造成砝碼被磁化的危險。故建議對于此類砝碼，在進行*次測量時，盡量增大Z0的距離，以防止對砝碼造成不必要的傷害。

測量被測樣品的有關幾何參數。目前在我國使用高準確度等級的砝碼形狀基本上有3種:正圓柱體砝碼(原公斤工作基準、克工作基準砝碼)、一等砝碼和OIML砝碼。在測量過程中發(fā)現(xiàn)，磁化率和*磁性的測量結果，會由于砝碼形狀不同而發(fā)生改變(測量結果參見表1)。

兩臺磁化率計對被測樣品幾何參數的確定有各自不同的方法。計量院使用的BIPM磁化率計采用的是Z基本的正圓柱體測量方法，需要提供兩組砝碼的正圓柱體幾何參數，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>

中測院采用的YSZ02C型磁化率計，砝碼所需提供的幾何參數如圖2所示。

圖2砝碼所需提供的幾何參數</CTSM>

此方案將砝碼分為5個部分，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。對于這5個不同的部分，需要提供5個不同的高度A、B、C、D、E，均為底面到相應標記的距離；同時每個部分還要提供Z上端和Z下端的直徑。

我國生產的砝碼均為平底結構，故對于計量院的設備，在幾何量設置中，第二部分可以全部設置為零。而中測院的設備是A部分的參數全部為零。

由于磁鐵分南、北兩極，并且在測量過程中會對被測樣品產生不同力的吸引，故在測量時要對樣品進行兩次測量。*次是磁鐵的北極對準砝碼底部，第二次是南極對準砝碼底部。通過這兩次的測量結果，我們可以分別計算出砝碼的磁化率和*磁性。

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

Z后的數據處理過程，都采用了建議R111中推薦的計算公式，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。我們也嘗試著測量了一個磁化率和*磁性非常大的砝碼(x1)，但結果不能令人滿意，這也許是測量方法的局限所致，沒有做進一步討論的必要了。

四、測量結果

為了驗證兩臺磁化率計測量的等效性，我們對被測樣品做了仔細地選擇。計量院有兩個帶有BIPM檢定證書的樣塊，為正圓柱體形狀，在此次測量中被使用。另外選擇了4個砝碼作為被測樣品，其準確度等級為一等、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、低三個級別。

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

從上面的結果我們可以了解，兩臺不同型號磁化率計的磁化率測量結果之間的偏差基本在9.9%左右，而且中測院的數據比計量院的偏大；*磁性測量結果之間的偏差相對比較大，并且其中的Y527砝碼通過計量院測量的結果超過了建議中的規(guī)定(8μT)，這也許是實驗數據有限所致。

但是從上面的結果我們還是可以判定，它們都可以對我國現(xiàn)在正在使用的高準確度等級的砝碼開展磁化率和*磁性的測量工作，對砝碼的磁性做定性的測量，且結果一致。但鑒于磁鐵的磁場強度會隨著時間和使用次數的增多而逐漸變弱，建議定期對兩臺磁化率計進行比對，以確保磁化率測量工作的準確性和一致性。

五、結論和討論

值得指出的是，砝碼的磁性與其幾何參數有關。計量院對1kg砝碼的幾何尺寸進行了比較。建議提供了高準確度等級砝碼示意圖，砝碼底部均為下凹結構。BIPM在測量磁性軟件中也給出了它的幾何參數，我們利用游標卡尺也測量了1kg砝碼的實際尺寸，結果如表2所示。

從表2可以觀察到，除了Outer_2和Inner_2這兩個參數，其他參數的偏差不超過0.3mm，但BIPM的結果比計量院都偏大，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差異引起的。

中測院設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(底部帶下凹部分)。對于一等砝碼，如Y527，我們Z初采用的是控制軟件內部所提供的參數，其磁化率測量結果為0.25867；Z后我們用游標卡尺按照程序的要求，直接測量并輸入砝碼各個部位的尺寸后，再計算得到磁化率為0.17146，兩者偏差為33.71%。從這幾點我們了解到，砝碼的幾何參數對測量其磁化率和*磁性有很大的影響。

通過天平進行多次衡量，在測量過程中我們發(fā)現(xiàn)，磁化率和*磁性越小的砝碼，天平達到平衡所需要的時間越短，測量結果的重復性越是令人滿意；隨著磁化率和*磁性的增大，天平的穩(wěn)定時間越長，測量結果的重復性也越差，Z大的偏差可以達到0.1mg以上。我國用于生產高準確度砝碼的材料基本為JF1型不銹鋼和普通不銹鋼。通過實驗了解到，JF1型不銹鋼材料的磁化率非常??；而普通不銹鋼的磁化率差異非常大。對于普通不銹鋼生產的砝碼，我們建議進行多次衡量，采用其平均值作為Z終的結果是比較穩(wěn)妥的方法。

值得注意的是，建議中推薦的磁化率計測量砝碼磁性的方法適用于1kg以下的砝碼，對于2kg以上的砝碼，在需要測量其*磁性時，建議采用高斯計法，而不是此磁化率法。