徐曉光， 李瀅舟， 張　斌， 尹麗娟， 張　棟

(深圳出入境檢驗(yàn)檢疫局， 廣東 深圳 518045)

磁石玩具測量方法研究

徐曉光， 李瀅舟， 張斌， 尹麗娟， 張棟

(深圳出入境檢驗(yàn)檢疫局， 廣東 深圳 518045)

摘要:針對歐美玩具新標(biāo)準(zhǔn)中磁石測量問題， 提出通過玩具特征確定磁通系數(shù)的測量方法， 針對不同玩具標(biāo)準(zhǔn)建立不同測試流程， 解決不同玩具標(biāo)準(zhǔn)中磁石玩具測試的差異問題. 對磁石玩具磁通系數(shù)測試中測試儀器， 磁通密度測量、 磁石極面積測量、 測試結(jié)果的分析進(jìn)行了詳細(xì)論述， 重點(diǎn)介紹了測試結(jié)果的不確定計(jì)算方法. 并以圓形磁石玩具為例分析了測量中不確定來源， 建立了不確定計(jì)算的數(shù)學(xué)模型以及不確定度結(jié)果的計(jì)算分析. 指出該測量方法的應(yīng)用解決了磁石玩具測量中的關(guān)鍵問題， 提高了測試結(jié)果精度和測試效率.

關(guān)鍵詞:磁石玩具； 磁通系數(shù)； 磁通密度； 極面積； 測量不確定度

玩具是兒童的伴侶， 而兒童是弱小和容易受到傷害的. 為了保證兒童的健康和安全， 世界各國對玩具產(chǎn)品提出比一般產(chǎn)品更加嚴(yán)格的檢測要求， 各種新的玩具標(biāo)準(zhǔn)層出不窮.

2006年夏天， 有至少11例兒童在玩耍玩具時誤吞入磁石導(dǎo)致腸穿孔的事故， 造成不同程度的傷害甚至死亡. 美國消費(fèi)產(chǎn)品安全委員會下令美國第二大玩具制造商美泰公司在全球召回440萬件“波利口袋”(The Polly Pocket)磁鐵玩具， 這就是著名的“磁石風(fēng)波”事件. 在歐盟2007年RAPEX年度總結(jié)報(bào)告里， 特別指出磁石玩具的問題， 披露在2007年的夏季， 全球至少有1800萬的磁石玩具需要回收， 其中相當(dāng)大的數(shù)量發(fā)生在歐盟國家. 在2008年～2013年歐盟多次召回產(chǎn)生危險的磁石玩具.

2011年， 美國玩具協(xié)會頒布了美國玩具安全標(biāo)準(zhǔn) ASTM F963-11， 對磁石玩具的檢測做出嚴(yán)格的要求， 包括各種濫用測試， 耐久性能測試等一系列測試要求. 歐盟頒布新的玩具安全標(biāo)準(zhǔn)EN71-1： 2014， 其中修訂了磁石測試要求， 增加了多項(xiàng)測試項(xiàng)目.

1測試要求

歐洲玩具安全標(biāo)準(zhǔn)EN71-1： 2014和美國玩具安全標(biāo)準(zhǔn)ASTM F963-11中規(guī)定[2,3]： 磁體進(jìn)行可預(yù)見的濫用測試和磁體耐久性測試后， 從玩具或可接觸到的松散磁性部件上脫落的任何磁體和磁性部件， 在按照磁通量密度測試時磁通量系數(shù)應(yīng)小于50 kG2mm2(0.5 T2mm2)， 或者按照小零體圓筒測試時不能完全容入小零體圓筒.

其中磁通量系數(shù)

H=B2S,

式中：B為最大磁通密度， 單位kG；S為磁石的極面面積， 單位mm2.

2測試程序

2.1輸往歐盟的磁石玩具的測試方法

按照EN71-1： 2014標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行扭力測試、 拉力測試、 跌落測試、 沖擊測試、 壓力測試和磁體拉力測試后， 從玩具或可接觸到的松散磁性部件上脫落的任何磁體和磁性部件， 在磁通量系數(shù)測試時磁通量密度應(yīng)小于50 kG2mm2， 或者按照小零體圓筒測試時不能完全容入小零件圓筒. 木質(zhì)玩具、 供在水中使用的玩具和口動玩具在按照上述測試之前， 應(yīng)先進(jìn)行浸泡測試. 其測試流程如圖 1 所示.

圖 1　EN71-1 磁石玩具測試流程圖Fig.1　Test flow chart of magnet toys in EN71-1

2.2輸往美國磁石玩具的測試方法

玩具在進(jìn)行拉力、 扭力測試以及關(guān)于磁石的正常使用和濫用條款測試后不應(yīng)產(chǎn)生危險磁石或危險磁石部件. 其中包括以下測試步驟： ① 磁體/磁體部件的循環(huán)使用和濫用測試. 對磁性部件或磁性的組裝部件， 按接收狀態(tài)根據(jù)預(yù)定的使用方式進(jìn)行1 000個周期的使用. 把磁性部件放在一定距離， 使其產(chǎn)生磁吸作用， 釋放它們， 然后拉開至使磁吸終止的距離. 每次連接和分開計(jì)作一個周期. 如果沒有隨玩具提供其他磁體或磁性部件， 那么應(yīng)按照玩具的預(yù)定玩耍方式用配對的金屬部件或表面進(jìn)行周期使用. ② 沖擊測試. 將磁體或磁性部件以最易受損的位置放置在一個平坦的水平鋼面上， 把重量為2.2 lb(1.0 kg)、 重量分布于直徑為3.1 in.(78.7 mm)的表面的金屬塊從4.0 in.(101.6 mm)的高度跌落到玩具上. ③ 扭力測試. 按ASTM F963-11第8.8條款扭力測試要求進(jìn)行測試. ④ 拉力測試. 按ASTM F963-11第8.9條款拉力測試要求進(jìn)行測試. ⑤ 循環(huán)測試. 重復(fù)步驟1的測試. 其測試流程如圖 2 所示.

圖 2　ASTM F963-11磁石玩具測試流程圖 Fig.2　Test flow chart of magnet toys in ASTM F963-11

2.3測試結(jié)果

磁體/磁體玩具經(jīng)過以上測試后進(jìn)行判定， 磁通量系數(shù)大于50而且能完全容入小零件圓筒的磁體為危險磁石/磁石部件.

3磁通系數(shù)測試方法

3.1測試儀器

測試儀器包括： ① 精度為10 G的直流場高斯計(jì)， 且儀器應(yīng)帶有按照如下要求制造的軸向探頭： 有效面積直徑(0.76±0.13) mm； 有效面積和探頭頂端距離(0.38±0.13) mm. ② 精度為0.1 mm游標(biāo)卡尺[5].

3.2測試方法

3.2.1磁通量密度的測量

將探頭頂端與磁體的磁極表面相連接. 對于磁性部件(磁體完全或部分埋入玩具的部分)， 將探頭頂端與部件表面相連接. 探頭與表面保持垂直. 移動探頭使其越過表面， 以找出最大磁通密度， 記錄測得的通量密度的最大值.

3.2.2磁極表面積的測量和計(jì)算

如果磁體埋入或附著在磁性部件中， 應(yīng)將磁體從磁性部件中取出， 無論是否需要破壞玩具.

圖 3　圓形端部磁石的極面積圖示Fig.3　The pole surface of round magnet

如果磁極表面不是平的(如半球形)， 測量與穿過磁體磁極的軸線相垂直的磁體最大直徑(見圖 3)， 精度為±0.1 mm， 計(jì)算相應(yīng)橫截面的面積.

如果磁體的磁極表面是平的， 測量并用適當(dāng)?shù)膸缀喂接?jì)算其表面積， 精度為±0.1 mm.

對于多個磁極的磁體， 應(yīng)選擇面積最大的單一磁極， 可使用磁極觀察膠片或其它等效方式確定[1].

3.2.3測量結(jié)果

磁通系數(shù)測量結(jié)果按如下方式表述：

磁通量系數(shù)(kG2mm2)是用最大磁通密度平方(kG2)乘以磁體的極面面積(mm2)來計(jì)算， 即

4測試結(jié)果的不確定分析

4.1不確定方法

在上述測量中， 當(dāng)測量值與標(biāo)準(zhǔn)要求值非常接近時， 能否判斷測量結(jié)果是否合格呢？因此我們用測量的不確定度來分析測量結(jié)果的準(zhǔn)確性. 不確定度是由于測量誤差的存在， 對被測量值的不能肯定的程度. 它也表明該結(jié)果的可信賴程度， 是測量結(jié)果質(zhì)量的指標(biāo)[7].

不確定度評價方法中有A類不確定和B類不確定， 對于磁石玩具的磁通系數(shù)測量， 其不確定來源主要有： 重復(fù)測量帶來的標(biāo)準(zhǔn)不確定度， 用A類評定方法； 測試儀器的不確定性和讀數(shù)的不確定性， 用B類評定方法[8]. 以端部為圓形的磁石玩具為例， 不確定評價如下.

4.2不確定度的評估

數(shù)學(xué)模型

不確定來源如表 1 所示. 表中所列B類不確定度uB1,uB3為測試儀器校準(zhǔn)證書上給出的測量儀器不確定度.uA為重復(fù)性測量引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度， 一般以10次測量為準(zhǔn).

表 1　不確定度來源

針對不同類型玩具進(jìn)行多次測試， 分別計(jì)算可得測試重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)不確定度. 圓形端部磁石玩具的標(biāo)準(zhǔn)不確定度結(jié)果見表 2 和表 3.

表 2　最大磁通密度標(biāo)準(zhǔn)不確定度

表 3　磁石的極面直徑標(biāo)準(zhǔn)不確定度

合成不確定度

自由度

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

自由度按照Welch-Satterhwaite公式計(jì)算

計(jì)算測量結(jié)果

評定擴(kuò)展不確定度[6]：

設(shè)置信水平95%， 從學(xué)生T表中查得包含因子k， 擴(kuò)展不確定度：

測量結(jié)果為

查t分布表得k=2.179(95%的置信度)， 擴(kuò)展不確定度U=uH×k=0.217×2.179=0.5， 則此款磁石玩具磁通量測量值H=51.7±0.5 kG2mm2.

5結(jié)論

在磁石玩具測試方法中， 最大磁通密度的正確確定、 磁石極面積的正確測量， 測試過程中測試條件的確定和操作方法步驟的確定都將對磁石玩具磁通系數(shù)測試結(jié)果精度和測試效率起決定的作用. 該磁石玩具測試方法可同時滿足標(biāo)準(zhǔn)ASTM F963-11, EN71-1： 2014, GB6675-2014和ISO8124:2014中磁石玩具測試的要求.

參考文獻(xiàn)：

[1]EN ISO 4287 Geometrical product specification-Surface texture: Profile method-Terms, definitions and surface texture parameters[S]. Geneva: International Organization for Standardization, 1997.

[2]BS EN71-1:2014 Safety of toys part 1: Mechanical and physical properties [S]. London: BSI Group Headquarters, 2014.

[3]ASTM F963-11： Standard Consumer Safety Specification for Toy Safety [S]. Bethesda: ASTM committee, 2011.

[4]EN ISO 8124-1:2014 Safety of toys part 1: Safety aspects related to mechanical and physical properties [S]. Geneva: International Organization for Standardization, 2014.

[5]GB 6675.2-2014 玩具安全 第2部分 機(jī)械與物理性能[S]. 北京： 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2014.

[6]JJF 1059.1-2012. 測量不確定度評定與表示[S]. 北京: 中國國家計(jì)量技術(shù)規(guī)范： 中國質(zhì)檢出版社, 2012.

[7]張希富, 張強(qiáng). 噪聲源校準(zhǔn)方法及不確定度分析[J].宇航計(jì)測技術(shù)， 2012， 32(1)： 50-55.

Zhang Xifu, Zhang Qiang. The analysis of the measurement method and the measurement uncertainty for noise source [J]. Astronautic and Measurement, 2012, 32(1): 50-55. (in Chinese)

[8]徐永杰, 陸綺榮, 李靜, 等. 一種虛擬測試系統(tǒng)的不確定度研究[J]. 測控自動化， 2008， 24(1)： 81-82.

Xu Yongjie, Lu Qirong, Li Jing, et al. The study of the uncertainties for a virtual test system [J]. Control & Measurement, 2008, 24(1)： 81-82. (in Chinese)

Research on the Test Method of Magnet Toys

XU Xiaoguang, LI Yingzhou, ZHANG Bin, YIN Lijuan, ZHANG Dong

(Shenzhen Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau, Shenzhen 518045, China)

Abstract:Based on the problem of the new standard in Europe and the United States about toy magnet testing, this paper put forward a test method through toys characteristics determine the flux index measurement method, establish different test procedures for different toy standard, and solve the testing differences problem in different standards for magnet toys. The testing instrument,magnetic flux density measuring, magnet pole area measuring, test results of analysis in magnetic flux index measuring were discussed in detail. It emphasized on introducing the test result uncertainty calculation method, analyzing of the uncertainty sources in measurement, establishing the mathematical model of the uncertainty calculation by a round magnet toy as example. It pointed out that the test method was applied to solve the key problem for magnet toys testing, and improved the test accuracy and efficiency.

Key words:magnet toys； magnetic flux index; magnetic flux density； pole surface； measurement uncertainty

文章編號:1671-7449(2016)03-0221-06

收稿日期:2015-08-20

基金項(xiàng)目：國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局科研資助項(xiàng)目(2013IK117)

作者簡介：徐曉光(1976-)， 男， 高級工程師， 碩士， 主要從事計(jì)算機(jī)控制技術(shù)， 聲學(xué)測量技術(shù)等研究.

中圖分類號:TB52

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.03.007