CN109541514A - 一种磁矩计量用小线圈匝面积的校准控制装置及校准装置 - Google Patents
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Abstract
一种磁矩计量用小线圈匝面积的校准控制装置及校准装置校准控制装置包括：由下至上设置的底座机构、运动调节机构和支撑机构，支撑机构上方设电机、转轴和水银滑环；转轴两端分别与电机输出轴和水银滑环连接；转轴内部设包括沉孔和导向槽的线圈固定板，沉孔中放置线圈并通过导向槽和水银滑环引出；电机通过电机支架固定支撑机构上；转轴与轴承支架固定，且轴承支架穿过支撑机构固定在运动调节机构上。校准装置，包括校准控制装置、一对永磁体、核磁共振磁强计、电压表和频率表；一个永磁体的N极与另一个永磁体的S极相对设置；被校准的线圈和转轴均设置在N极与S极间，核磁共振磁强计设在靠近N极一侧；电压表和频率表分别与水银滑环连接。
Description
技术领域
本发明属于永磁磁矩计量领域，具体涉及一种磁矩计量用小线圈匝面积的校准控制装置及校准装置。
背景技术
德国科学家亥姆霍兹在1849年设计了亥姆霍兹线圈。亥姆霍兹线圈通常由一对圆形线圈同向串联而成，用于产生强度较低、范围较大的均匀磁场。将已校准的亥姆霍兹线圈与一台已校准的磁通积分器连接,可被用于磁矩的准确测量。
图1显示了亥姆霍兹线圈的开路测量装置。将整套装置放到无铁磁的环境中，例如：放置到木桌子上。如图所示，测量时把磁体放在线圈的中心位置(均匀区)，磁体的磁化强度沿x轴方向，即与线圈的轴向平行。串联连接起来的两线圈信号直接传送到磁通计。调节磁通计零点后，把磁体移出线圈，使它与线圈轴平行。移出的距离一般是75～100cm，这样做是让样品对读数没有影响。通过电压对时间的积分(磁通)，即可以得到样品的开路磁矩。另一种测量方法是把样品旋转180度而不用把样品取出，这样产生的电压将是原来的2倍，则线圈常数将是原来的1/2。
图1是磁通积分器+亥姆霍兹线圈的永磁磁矩测量方法示意图，
当一被磁化的样品从一个亥姆霍兹线圈中抽拉出来时，样品的磁偶极矩可由下式确定：
j＝Δφ/kh (1.1)
式中：j为磁偶极矩,单位为韦伯米(Wb·m)；kh为亥姆霍兹线圈常数，磁场强度与电流之比kh＝H/I,单位为安每米每安(A/m/A)；Δφ为样品在探测线圈中旋转或抽拉出时，磁通变化量,单位为韦伯(Wb)；H为磁场强度,单位为安培每米(A/m)；I为电流强度，单位为安培(A)；
当样品在探测线圈中心旋转180°时，公式(1)演变成：
J＝ΔΦ/2kh (1.2)
磁通积分器是通过测量样品在探测线圈中旋转或从中抽拉出来的过程中所产生的感应电压变化，进而测得磁通。磁通积分器可使用标准互感或伏秒发生器的方式进行校准。
亥姆霍兹线圈在使用前需校准。亥姆霍兹线圈应保证其均匀区覆盖待测样品的形状和体积。亥姆霍兹线圈的线圈常数(磁场强度与电流强度比值)kh可通过测量流过线圈的电流以及用磁场探测装置测量线圈中心的磁场强度来获得。由于电流强度较容易实现高精度的测量，因此常规的亥姆霍兹线圈的校准方法技术难点主要集中在线圈中心的磁场强度的准确测量。亥姆霍兹线圈的校准方法可分为直流法和交流法。直流法是将亥姆霍兹线圈通恒定的直流电流，采用直流磁场测量仪器测量线圈中心磁场，从磁场和电流测量值计算线圈常数。因为亥姆霍兹线圈产生的场非常小，在允许的电流下一般在(10-100)Gs左右，此时地磁场、杂散场、测量仪器的零点都带来很大影响，校准的不确定度一般在0.3％左右。更为关键的是适合直流法校准的流水式核磁共振磁强计、电子自旋共振磁强计等仪器市场上无法采购。因此，目前开始采用交流法来校准亥姆霍兹线圈。
交流法测量是给亥姆霍兹线圈通恒定的正弦波电流，利用已知匝面积的小线圈放置在亥姆霍兹线圈中心，准确测量小线圈感应电压，从而计算线圈常数，见公式(1.3)。从公式(1.3)中可以看出，kh来源于电压、电流、频率和小线圈匝面积,其中电流和频率能够准确确定。因此,交流法校准的关键因素是小线圈NS的不确定度和空间杂散场影响下的电压有效值信号能否准确测定。
Urms＝2πf·NS·μ0·kh·Irms (1.3)
其中：Urms为小线圈感应电压；f为信号源频率；NS为小线圈匝面积；μ0为磁性常数；kh为亥姆霍兹线圈常数；Irms为亥姆霍兹线圈流过的电流。
传统线圈常数的校准手段有两种，一种是在螺线管中用冲击法校准，另一种在均匀场中翻转或抽拉线圈校准。
小常数线圈(NS≤100cm2)精密测量装置。该装置的测量原理主要依据电磁感应定律：
式中:NS为线圈常数(m2)；ΔB为线圈中磁感的改变量(T)；e为线圈中的感应电势(V)；
如果把感应电势e进行v/f转换，则有：
式中，K为v/f转换常数(V/Hz)；C为v/f转换器输出的频率信号送入计数器得到的计数值。
由于选择了旋转线圈的方式来改变磁场,所以试验中采用了Hall效应稳场,NMR作磁场监测,故式(1.7)可改写为:
根据图l,测量线圈置入磁场中心,在旋转控制器控制下,线圈在水平方向旋转180°，线圈中的感应电势经光电放大,V/f转换送计数器计数,最后按式(1.8)算出测量结果。
但是这种方法离不开积分器，目前积分器的不确定度很难优于0.1％，所以匝面积的不确定度一般最好情况下在0.2％左右，计量院电磁所的校准能力为0.16％-0.33％，这一校准不确定度不能满足一些技术指标要求。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是提供一种基于高均匀度永磁标准场的旋转法测小线圈匝面积(NS)的校准控制装置及校准装置。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种磁矩计量用小线圈匝面积的校准控制装置，包括：由下至上依次设置的底座机构、运动调节机构和支撑机构，所述支撑机构上方设置有电机、转轴和水银滑环；所述转轴的一端与所述电机的输出轴连接，另一端与所述水银滑环连接；所述转轴内部设置有线圈固定板，所述线圈固定板包括沉孔和导向槽，所述沉孔中放置有线圈并通过所述导向槽和所述水银滑环引出；所述电机通过电机支架固定在所述支撑机构上；所述转轴与轴承支架固定，且所述轴承支架穿过所述支撑机构固定在所述运动调节机构上。
根据本发明的另一个方面，提供一种磁矩计量用小线圈匝面积的校准装置，包括校准控制装置，还包括：一对永磁体、核磁共振磁强计、电压表和频率表；其中一个永磁体的N极与另一个永磁体的S极相对设置；被校准的小线圈和转轴位于所述N极与所述S极之间，且所述核磁共振磁强计设置在靠近所述N极的一侧；所述电压表和所述频率表分别与水银滑环连接。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：采用均匀场中连续旋转线圈的方法校准小线圈NS，均匀场选用永磁体制成的高均匀性标准磁场，磁场强度约3500Oe，使用高转速稳定性电机带动线圈在均匀场中以固定频率旋转，确保旋转频率稳定，用电压表测量感应电压和频率，则可准确确定小线圈NS。
附图说明
图1是现有技术中磁通积分器+亥姆霍兹线圈的永磁磁矩测量原理示意图；
图2是本发明实施例的一种磁矩计量用小线圈匝面积的校准控制装置的结构示意图；
图3是本发明实施例的一种磁矩计量用小线圈匝面积的校准控制装置的外部结构示意图；
图4是本发明实施例的一种磁矩计量用小线圈匝面积的校准控制装置中底座机构的结构示意图；
图5是本发明实施例的一种磁矩计量用小线圈匝面积的校准控制装置中转轴和电机安装在支撑平台上的结构示意图；
图6是本发明实施例的一种磁矩计量用小线圈匝面积的校准控制装置中运动板的结构示意图；
图7是本发明实施例的一种磁矩计量用小线圈匝面积的校准控制装置中支撑机构的结构示意图；
图8是本发明实施例的一种磁矩计量用小线圈匝面积的校准控制装置中线圈固定板的结构示意图；
图9是本发明实施例的一种磁矩计量用小线圈匝面积的校准装置的结构示意图；
图10是本发明实施例的永磁标准场设计均匀区范围图。
附图标记：
1：底座机构；11：铝合金框架；12：加强筋；13：工作台；14：过渡板连接板；2：运动调节机构；21：固定支架；22：运动板；221：定位机构；2211：定位孔；2212：定位边；222：减重槽；23：固定底座；24：精密手动角位台；3：支撑机构；31：支撑平台；32：支撑立柱；33：永磁标准场垫块；4：电机；5：转轴；51：右转轴；52：旋转轴；53：左转轴；6：水银滑环；7：线圈固定板；71：沉孔；72：导向槽；721：第一导向槽；722：第二导向槽；8：电机支架；9：轴承支架；10：保护罩。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图2和图3所示，一种磁矩计量用小线圈匝面积的校准控制装置，包括：由下至上依次设置的底座机构1、运动调节机构2和支撑机构3，支撑机构3上方设置有电机4、转轴5和水银滑环6；转轴5的一端与电机4的输出轴连接，另一端与水银滑环6连接；转轴5内部设置有线圈固定板7，线圈固定板7包括沉孔71和导向槽72，沉孔71用于放置线圈，导向槽72和水银滑环6用于将线圈引出；电机4通过电机支架8固定在支撑机构3上；转轴5与轴承支架9固定，且轴承支架9穿过支撑机构3固定在运动调节机构2上。
如图4所示，底座机构1包括：铝合金框架11，铝合金框架包括平行设置的两个矩形框架，两个矩形框架的4个宽边为立柱，两个矩形框架的两个底边之间采用平行设置的四个加强筋12连接，且至少一个矩形框架的顶边和底边采用加强筋12连接，四个立柱的底端分别设置有水平调节脚轮，四个水平调节脚轮组合使用可承重500kg，具备万向轮功能。铝合金框架上表面由下至上依次设置有工作台13和过渡板连接板14，可以通过设置在水平调节脚轮上的螺母的旋转调节铝合金框架上表面工作台的水平，起到固定工作台的作用，工作台材料选用铝合金材质，发黑处理。工作台在加工中心上加工而成，粗加工后，进行去除应力热处理，减小了工作台加工完成后因加工时产生应力所导致的后期变形；然后再一次装夹一次定位完成精加工，从而保证底座的上平面的平面度0.05毫米。工作台与铝合金框架连接采用铜螺钉紧固。
如图5所示，运动调节机构2包括：两个固定支架21、运动板22、固定底座23和精密手动角位台24；两个固定支架21分别设置在支撑机构3下方的两侧，且两个固定支架21之间通过运动板22连接；固定底座23和精密手动角位台24设置在支撑机构3的中间位置处。其中，精密手动角位台24提供小角度旋转调节，采用精密蜗轮副驱动，定位精确，手轮锁紧。角度范围：±10°，最小读数：5＇，最小刻度：1°。
其中，两个固定支架21和固定底座23的底部均固定在底座机构1的过渡板连接板14上，通过精密手动角位台24可以调节运动板22沿两个固定底座23上下运动，从而带动支撑机构3上方的转轴5上下移动，调节其位置。
此外，如图6所示，运动板22上设置有3个定位机构221，定位机构221包括定位孔2211和设置在定位孔2211侧面的定位边2212；3个定位孔2211分别用于安装电机支架8和两个轴承支架9；运动板22上还设置有减重槽222。具体地，在运动板22上设计的3个定位孔2211以及相配合的定位边2212，用来保证电机支架8、轴承支架9的安装位置准确。
其中，电机支架8和轴承支架9均在加工中心上加工而成，一次装夹一次定位完成加工。将电机支架8的下侧中心轴对正运动板22的定位孔，电机支架8的边缘卡死在运动板22上相对应的定位边2212上，用铜螺钉固定连接。将两个轴承支架9的下侧中心轴对正运动板22的定位孔，电机支架8边缘卡死在运动板22上的相对应的定位边2212，用铜螺钉固定连接。
如图7所示，支撑机构3所有零件的材料均为铝合金6061，各零件间的连接均采用铜螺钉紧固。支撑机构3包括：1个支撑平台31、4个支撑立柱32和4个永磁标准场垫块33；支撑平台31和过渡板连接板14平行设置；4个支撑立柱32分别设置在过渡板连接板14和支撑平台31之间；4个永磁标准场垫块33并列排布在支撑平台31上；4个支撑立柱32的排布方向和4个永磁标准场垫块33的排布方向相互垂直；4个永磁标准场垫块33的两侧还设置有两个通孔，两个轴承支架9分别穿过两个通孔固定在运动板22上。4个永磁标准场垫块33可以保证磁场的水平方向与支撑平台31平行。支撑机构3在加工中心上加工而成，粗加工后，进行去除应力热处理，减小了工作台加工完成后因加工时产生应力所导致的后期变形；然后再一次装夹一次定位完成精加工，保证底座的上平面的平面度0.05毫米。
请继续参阅图5，转轴5包括依次连接的右转轴51、旋转轴52和左转轴53；电机输出轴、右转轴51、旋转轴52和左转轴53两两且依次之间均采用联轴器连接，左转轴553和右转轴51还分别通过轴承与轴承支架9连接；转轴5内部设置有与线圈固定板7形状匹配的凹槽，使得线圈固定板7***转轴5内部；左转轴53内部设置有导向孔，线圈通过线圈固定板7上的导向槽72引出后再由左转轴53内部的导向孔引出。
优选地，如图8所示，导向槽72包括第一导向槽721和第二导向槽722；第一导向槽721的宽度小于第二导向槽722；沉孔71的边缘设置有缺口，第一导向槽721通过缺口与沉孔71连通。
轴承和联轴器均选用不含铁性物质的型号，轴承选用氧化锆全陶瓷轴承，安装在左右轴上，用轴承固定座固定在轴承支架上。
氧化锆全陶瓷轴承、套圈及滚动体均采用氧化锆(ZrO2)陶瓷材料。由于其摩擦系数小，表面光滑度较好，所以具有良好的自润滑性能，不需要加任何油脂，该特性用于保证主轴旋转的稳定性。其次，整体材料无金属，防磁，专用于退磁设备、精密仪器等领域，能够提高测量准确度。
联轴器采用7系列的航空铝合金材料加工而成，中间的梅花弹性体采用进口聚氨酯原料，硬度高，零间隙传动，且属于无磁、无铁性物质，联轴器把电机、左右轴、中间的旋转轴连接在一起，紧固联轴器的螺钉采用铜螺钉，并且联轴器可以在左转轴53和右转轴51上沿着其轴线方向移动，以保证中间的旋转轴52的拆卸方便。
转轴5的功能是以高转速且高稳定性旋转线圈，并将感应电压信号输出。其中转轴5和线圈固定板7均选用有机玻璃材料，左转轴53和右转轴51均选用黄铜材料，其他零件均为铝合金6061材料，各零部件之间均用铜螺钉紧固。
旋转轴52采用有机玻璃材料，无磁、无铁性物质。线圈固定板7***旋转轴52，为了保证旋转稳定可靠、采用一体铸造工艺，无接缝。线圈固定板7上的沉孔71放置线圈，线圈的导线沿着导向槽72引出。
小线圈的校准应基于线圈旋转轴与永磁标准场的基面平行的条件，如存在夹角，将会对校准结果产生较大的影响，因此，通过电机带动旋转轴旋转，进而带动线圈在永磁场中旋转，在校准小线圈匝面积时，通过本发明的装置进行旋转能够找到平均值电压的最大值。
其中，水银滑环6通过两芯快插接头与左转轴53连接，由导向槽72引出的线圈与两芯快插接头的导线连接。线圈的连接线通过水银滑环6引出，实现引出的线固定不动。水银滑环6选用台湾产的两芯滑环。最高转速可达到1800转每分钟。水银滑环6的应用是本装置成功的关键因素之一，下表为采用水银滑环得到的测试数据，通过表1可以看出，平均值电压的重复性很好，频率也很稳定，因此，选用水银滑环6能够很好地把模拟交流信号传出，信号完全没有失真。通过两芯接头快速插拔，方便的拆卸旋转轴和线圈固定座，除了铜线外没有金属物质。
表1平均值电压的重复性和频率的稳定性
如图9所示，校准控制装置还包括：转动控制机构，用于控制转轴的的精确运动，可以设定转动速度、转动方向和转动时长；转动控制机构包括：交流电源、滤波器、交流-直流转换器、驱动器、PLC、触摸屏和滤波器；交流电源通过滤波器滤波后为驱动器提供交流电，驱动器依次与PLC和触摸屏连接；交流-直流转换器与驱动器连接，交流-直流转换器将交流电转换为直流电后为驱动器提供直流电。
滤波器用于滤除电路中不必要的谐波，去除干扰，保证整个电路信号的准确和平稳；直流电源分别为伺服驱动器、PLC、触摸屏供应24V直流电源。伺服驱动器除了24V的直流电源之外，还接入了单相220V交流电源。
电机选用东方马达电机AZ系列AZ66型号，该电机为脉冲序列输入型驱动器，分辨率为1000P/R，设定时:0.36°/脉冲(1000个脉冲是一圈)，因此一个运动周期定位精度是+0.05°，而且当过载时超过1.8°会报警，1.8°会自动修复调整。AZ66步进电机采用闭环***更加可靠,闭环步进，即使发生失步也可自行调整。与此同时，东方马达步进电机的同步性比伺服电机好。搭载ABZO编码器是无需电池的机械式绝对编码器，实时监测显示转速。上述这些特点保证使用该电机能够实现转轴的匀速稳定旋转。
驱动器选用东方马达电机配套的驱动器.在驱动器上设定运行数据，通过PLC选择、执行运行数据的类型。与上一级之间的连接、控制通过Modbus执行。
西门子PLC和触摸屏选用了S7-200SMART，CPU ST20和SIMATIC精彩系列面板，组成自动化控制与人机交互平台，准确地提供了人机界面的标准功能，实现了整套装置显示屏显示如下功能：1.启动停止；2.显示实时运转速度；3.恢复零位；4.检测运行设置参数；5.速度调整。
其中，请继续参阅图3，校准控制装置还包括：保护罩10，罩设在底座机构1、支撑机构3、运动调节机构2、电机4、转轴5和水银滑环6外部。保护罩10采用有机玻璃，具有两个方面的作用：1)隔离永磁标准场，避免有磁或者铁性物质的零部件被吸到磁场上，2)当转轴5高速旋转时，可以起到保护操作人员，降低噪音的作用。
本发明还提供一种磁矩计量用小线圈匝面积的校准装置，如图9所示，包括一种磁矩计量用小线圈匝面积的校准控制装置，还包括：一对永磁体、核磁共振磁强计、电压表和频率表；其中一个永磁体的N极与另一个永磁体的S极相对设置；被校准的线圈和转轴5均设置在所述N极与所述S极之间，且所述核磁共振磁强计设置在靠近所述N极的一侧，所述电压表和所述频率表分别与水银滑环6连接。
本发明采用均匀场中连续旋转线圈的方法校准匝面积，具体测量原理请参见图9。均匀场选用永磁体形成的均匀场，磁场约3000Oe，均匀区优于0.01％/cm，稳定度优于0.003％/min，使用电机带动线圈在均匀场中以固定频率旋转，用电压表测量感应电压和频率。根据公式(2.1)可计算得到线圈常数。
永磁标准场的设计同时考虑了磁场强度、磁场均匀区大小、空气间隙高度以及与整个装置的配合等因素。为提高磁场强度，永磁标准场均由烧结NdFeB材料制成，且按照Ansoft磁路仿真模型严格设计制作，永磁标准场应具有超过3000Oe中心磁场强度，永磁标准场均匀区将能够如图10所示，设计均匀性指标达到表2所示，即在60mm直径范围内磁场分布均匀性的精度达到0.04％，在80mm直径范围内磁场分布均匀性的精度达到0.1％，空气间隙大于50mm，以便转轴和线圈等能够容纳其中。
表2 3000Oe永磁标准场设计磁场均匀性设计指标
| 坐标x/mm | -40 | -30 | -20 | -10 | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 |
| 磁场μ<sub>0</sub>H/T | 0.33757 | 0.33741 | 0.33734 | 0.33733 | 0.33732 | 0.33733 | 0.33734 | 0.33745 | 0.33764 |
本发明采用均匀场中连续旋转线圈的方法校准小线圈NS。测试结果显示小线圈NS的校准不确定度达到了0.04％的水平，较传统方法有了显著的提高。
磁场准确性和磁场均匀性是标准磁场的重要性能指标，也是小线圈交流法校准的核心因素，国外生产的永磁标准场最大误差一般在0.5％-1％范围，本课题的永磁标准场配合核磁共振使用，可以实现直流磁通密度的准确定标。以下是针对永磁体标准磁场所做的磁场均匀区和均匀性测试。表3为使用Metrolab Pt2025核磁共振磁强计测得的永磁体标准磁场均匀性结果，测试温度24.5℃。均匀性测试范围选在60mm直径范围内。从结果可以看出，在40mm直径范围内，磁场均匀性优于0.02％，此范围基本完全满足全部尺寸型号的小线圈校准要求；在整个60mm直径范围内，磁场均匀性优于0.04％。
Metrolab Pt2025核磁共振磁强计是国际通用的磁场校准仪器，准确度优于5ppm。
表3永磁标准磁场均匀区测试
被校准的小线圈外径不超过16mm，不超过上述10mm均匀区，经测试在标准磁场中位面上下8mm的空间，均可实现上述均匀性，因此，本课题用途中，永磁体标准磁场均匀性可定义为为于0.0057％。
(2)温度对永磁体标准磁场磁场强度的影响
在把环境稳定在28.5℃和20℃时分别测试了永磁标准磁场产生的磁场强度，得到永磁标准磁场在室温范围的温度系数为(0.1±0.01)％，这也与与制作永磁标准场所用的材料烧结钕铁硼的剩磁温度系数一致。小线圈NS校准时可根据实验室环境温度和此温度系数，进一步确定永磁体标准磁场磁场强度。永磁体标准磁场磁场放在密闭的室内环境，室内温度测量不确定度为0.3℃，则因为不同温度而对永磁体标准磁场磁场强度进行修正的永磁体标准磁场磁场强度误差不高于0.003％。在对校准精度要求较高的实际校准过程中，可实时使用核磁共振磁强计测量标准磁场磁场强度，则温度对永磁体标准磁场磁场强度的影响可忽略。
(3)平均值电压的重复性和频率的稳定性
在1500r/Min的转速下，用LMG610功率表连续测量十次线圈感应电压平均值(采用电压同步模式)，同时测量并记录交流频率，结果表明电压和频率均保持非常稳定，稳定性如表1所示。该结果可以验证电机的转速稳定性可以控制在十万分之五左右，超出了课题原计划的万分之一的稳定度。实际上如果同步测量感应电压和频率，则转速波动带来的影响还可以被电压测量值的同向波动所抵消，影响更为微小。
(4)小线圈NS的确定
将一个小线圈置入校准装置，设定线圈旋转速率。待转速稳定后，同时测量并记录平均值电压和旋转频率，根据磁场标准值，确定小线圈NS。
式中，为测的平均值电压，单位是V；f为测的旋转频率，单位是Hz；为标准磁场产生的磁通密度，单位是T。
不同转速下，分别测量0号小线圈的NS。如表5所示，从300r/min到1500r/min，频率从5Hz到25Hz,测得的线圈的NS一致性为0.002％(标准偏差)。这一结果说明线圈的NS在低频下与频率无关，验证了本发明装置进行测试的科学性和有效性。表5为在28.4摄氏度下且在不同转速下0号小线圈的NS测量结果，表6为1、2、3和5号线圈的校准结果。
表5不同转速下测得0号小线圈的NS
表6小线圈的校准结果
4.3.8小线圈NS交流法校准的不确定度分析
(1)小线圈NS测量重复性引入的不确定度uA
作为A类不确定度，uA涵盖了不同测试人员，小线圈装载等随机性差异。在本报告中，由不同时间的十次重复测量试验得出。在同一温度下，将小线圈放入标准磁场内，通过旋转多次测定小线圈NS得到的结果如下表7所示。结果表明小线圈NS测试的重复性为0.009％(1σ)。
表7 4号小线圈NS的重复性测试
| 0.215766 | 0.215789 | 0.215805 | 0.215793 | 0.215789 |
| 0.215775 | 0.215765 | 0.215789 | 0.215745 | 0.215811 |
| ave. | 0.215783 | 1σ | 0.009％ |
(2)仪器设备对测量结果的影响引入的不确定度uB，
可将亥姆霍兹线圈常数交流法校准的不确定度来源列出如下：
a.平均值电压测量准确性
LMG610电压直接输入模式下，25Hz频率下，对功率表8V点进行校准，平均值电压的测量误差绝对值为0.02％，校准不确定度为0.02％，对于7.55V的测量结果，经合成，平均值电压的测量不确定度为：0.029％(k＝2)。
b.小线圈电阻的分压影响
LMG610输入阻抗10MΩ，小线圈电阻350Ω，影响忽略不计算
c.频率测量准确性
LMG610对于端口输入信号的频率测量准确性±50ppm的测量值，正太分布。
d.永磁标准磁场温度特性
如前所述，因为不同温度而对永磁体标准磁场磁场强度进行修正的永磁体标准磁场磁场强度误差不高于0.02％。在对校准精度要求较高的实际校准过程中，可实时使用核磁共振磁强计测量标准磁场磁场强度，则温度对永磁体标准磁场磁场强度的影响可忽略。
e.永磁标准磁场校准
Metrolab Pt2025核磁共振磁强计是国际通用的磁场校准仪器，准确度优于5ppm。
f.永磁标准磁场均匀性
如前所述，永磁标准磁场在小线圈所处范围内均匀性0.0057％。
g.小线圈转轴与磁场垂直度
小线圈置入校准装置后，机械装置可以控制小线圈转轴与磁场垂直，误差可以控制在1度以内。由此带来的不确定度低于0.015％。此外，通过校准装置的姿态调整机构微调线圈倾角，找到平均值电压最大值，进一步降低由此带来的不确定度。
h.小线圈NS的温度稳定性，同一温度下进行
不同温度下,小线圈NS的校准和使用小线圈校准亥姆霍兹线圈在同一时间，同一房间内实施，温度的影响可忽略。
i.线圈外引线漏磁通的影响
线圈外引线带来漏磁通的影响,水银滑环以外的导线由于不转动,不带来影响.水银滑环以内的通过引线双绞的方式使得漏磁通正负相抵,不能抵消的部分面积与有效匝面积相比是小量,引线长度约为60mm,为实验验证,另行制作了180mm双绞引线开展对比实验,实验结果与60mm引线相比没有超出小线圈NS重复性的差别。
(3)合成不确定度评定
按照JJF1059-1999测量不确定度评定与表示，小线圈匝面积测量的不确定度分析如表8所示，前述不确定度分量均汇总在表8中。表8涵盖了不确定度来源、不确定度来源索引、输入不确定度数值、分布类型、Divisor、灵敏系数、标准不确定度(1σ)和有效自由度等项目。该表8内嵌了计算标准合成不确定度的公式：
由此计算得小线圈匝面积测量结果的相对扩展不确定度为：0.04％(k＝2)。
表8小线圈NS校准不确定度汇总表
本课题采用均匀场中连续旋转线圈的方法校准小线圈NS。均匀场选用永磁体制成的高均匀性标准磁场，磁场强度约3500Oe，使用高转速稳定性电机带动线圈在均匀场中以固定频率旋转，确保旋转频率稳定，用电压表测量感应电压和频率。根据公式3可准确确定小线圈NS。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (10)
1.一种磁矩计量用小线圈匝面积的校准控制装置及校准装置，其特征在于，包括：由下至上依次设置的底座机构(1)、运动调节机构(2)和支撑机构(3)，所述支撑机构(3)上方设置有电机(4)、转轴(5)和水银滑环(6)；
所述转轴(5)的一端与所述电机(4)的输出轴连接，另一端与所述水银滑环(6)连接；
所述转轴(5)内部设置有线圈固定板(7)，所述线圈固定板(7)包括沉孔(71)和导向槽(72)，所述沉孔(71)中放置有线圈并通过所述导向槽(72)和所述水银滑环(6)引出；
所述电机(4)通过电机支架(8)固定在所述支撑机构(3)上；
所述转轴(5)与轴承支架(9)固定，且所述轴承支架(9)穿过所述支撑机构(3)固定在所述运动调节机构(2)上。
2.根据权利要求1所述的校准控制装置，其特征在于，所述旋转轴(5)包括依次连接的右转轴(51)、旋转轴(52)和左转轴(53)；
所述左转轴(53)和所述右转轴(51)分别通过轴承与轴承支架(9)连接；
所述旋转轴(52)内部设置有与所述线圈固定板(7)形状匹配的凹槽(521)，使得所述线圈固定板(7)***所述旋转轴(52)内部；
所述左转轴(53)内部设置有导向孔，所述线圈通过所述导向槽(72)引出后由所述导向孔引出。
3.根据权利要求2所述的校准控制装置，其特征在于，所述水银滑环(6)通过两芯快插接头与所述左转轴(53)连接，由所述导向孔引出的线圈与所述两芯快插接头的导线连接。
4.根据权利要求1所述的校准控制装置，其特征在于，所述运动调节机构(2)包括：两个固定支架(21)、运动板(22)、固定底座(23)和精密手动角位台(24)；
所述两个固定支架(21)分别设置在所述支撑机构(3)下方的两侧，且所述两个固定支架(21)之间通过运动板(22)连接；
所述固定底座(23)和所述精密手动角位台(24)设置在所述支撑机构(3)的中间位置处。
5.根据权利要求4所述的校准控制装置，其特征在于，所述运动板(22)上设置有3个定位机构(221)，所述定位机构(221)包括定位孔(2211)和设置在所述定位孔(2211)侧面的定位边(2212)；3个所述定位孔(2211)分别用于安装所述电机支架(8)和两个所述轴承支架(9)；
所述运动板(22)上还设置有减重槽(222)。
6.根据权利要求4所述的校准控制装置，其特征在于，所述支撑机构(3)包括：1个支撑平台(31)、4个支撑立柱(32)和4个永磁标准场垫块(33)；
所述支撑平台(31)与所述底座机构(1)的上表面平行设置；
所述4个支撑立柱(32)分别设置在所述底座机构(1)的上表面和所述支撑平台(31)之间；
所述4个永磁标准场垫块(33)并列排布在所述支撑平台(31)上；所述4个支撑立柱(32)的排布方向和所述4个永磁标准场垫块(33)的排布方向相互垂直；
所述4个永磁标准场垫块(33)的两侧还设置有两个通孔，两个所述轴承支架(9)分别穿过两个通孔固定在所述运动板(22)上。
7.根据权利要求1所述的校准控制装置，其特征在于，还包括：转动控制机构；
所述转动控制机构包括：交流电源、滤波器、交流-直流转换器、驱动器、PLC、触摸屏和滤波器；
所述交流电源通过滤波器滤波后为所述驱动器提供交流电，所述驱动器依次与所述PLC和所述触摸屏连接；
所述交流-直流转换器与所述驱动器连接，所述交流-直流转换器将交流电转换为直流电后为所述驱动器提供直流电。
8.根据权利要求1所述的校准控制装置，其特征在于，所述导向槽(72)包括第一导向槽(721)和第二导向槽(722)；
所述第一导向槽(721)的宽度小于所述第二导向槽(722)；
所述沉孔(71)的边缘设置有缺口，所述第一导向槽(721)通过所述缺口与所述沉孔(71)连通。
9.根据权利要求1所述的校准控制装置，其特征在于，还包括：保护罩(10)，罩设在所述底座机构(1)、运动调节机构(2)、支撑机构(3)、电机(4)、旋转轴(5)和水银滑环(6)外部。
10.一种磁矩计量用小线圈匝面积校准装置，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的一种磁矩计量用小线圈匝面积的校准控制装置，还包括：一对永磁体、核磁共振磁强计、电压表和频率表；
其中一个永磁体的N极与另一个永磁体的S极相对设置；
被校准的小线圈和转轴(5)均设置在所述N极与所述S极之间，且所述核磁共振磁强计设置在靠近所述N极的一侧；
所述电压表和所述频率表分别与水银滑环连接。
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| Title |
|---|
| 侯瑞芬: "永磁体磁偏角测量方法的研究", 《测量与设备》, no. 2, pages 14 - 16 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111795991A (zh) * | 2020-08-19 | 2020-10-20 | 中国计量科学研究院 | 一种永磁磁矩温度系数测量装置及方法 |
| CN116087838A (zh) * | 2023-02-10 | 2023-05-09 | 中国计量科学研究院 | 一种基于桥式电路强磁场测量装置、测量方法 |
| CN116087838B (zh) * | 2023-02-10 | 2023-08-22 | 中国计量科学研究院 | 一种基于桥式电路强磁场测量装置、测量方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109541514B (zh) | 2024-02-02 |
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