一種高準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)裝置*

徐 昱 / 湖南省計(jì)量檢測(cè)研究院

一種高準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)裝置*

徐 昱 / 湖南省計(jì)量檢測(cè)研究院

采用寬頻比較儀的電流檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)了高穩(wěn)定度和高準(zhǔn)確度的電流源，與亥姆霍茲線圈組成了高準(zhǔn)確度標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)裝置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁強(qiáng)計(jì)的校準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)經(jīng)標(biāo)定后，上位機(jī)軟件能自動(dòng)顯示磁通密度，作為標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)使用。

寬頻比較儀；磁通密度；磁場(chǎng)強(qiáng)度；標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)；校準(zhǔn)裝置

0 引言

磁強(qiáng)計(jì)是國(guó)內(nèi)外最通用的檢測(cè)退磁后工件剩磁狀態(tài)的檢測(cè)儀器，還可在鐵磁性材料和零部件在加工使用過(guò)程中，直接測(cè)量被磁化的量，以及經(jīng)過(guò)磁粉探傷后，退磁處理的測(cè)量工件剩余磁場(chǎng)的指示。此類磁強(qiáng)計(jì)一般為指針式，允許誤差為±10%，由于在工件的剩磁測(cè)量中方便快捷，企業(yè)廣泛使用且近年越用越多。磁強(qiáng)計(jì)的準(zhǔn)確度指標(biāo)關(guān)系到生產(chǎn)和檢驗(yàn)的能力，直接決定產(chǎn)品質(zhì)量。研究磁強(qiáng)計(jì)的校準(zhǔn)方法，可為企業(yè)解決該類產(chǎn)品的量值溯源問(wèn)題。本項(xiàng)目研究的標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)裝置，準(zhǔn)確度高、操作方便、測(cè)量范圍達(dá)10 mT。不僅可以用于指針式、數(shù)字式磁強(qiáng)計(jì)的校準(zhǔn)，還可用于其他小磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x器的校準(zhǔn)。

1 標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)原理

磁強(qiáng)計(jì)校準(zhǔn)需要高穩(wěn)定度以及相應(yīng)量程的標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)。標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)由磁場(chǎng)線圈、高穩(wěn)定度電流源和檢測(cè)部分組成（圖1）。磁場(chǎng)線圈是用于在一定空間產(chǎn)生磁場(chǎng)的具有固定結(jié)構(gòu)的繞組器具，是標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)的重要組成部分。本裝置的磁場(chǎng)線圈采用亥姆霍茲線圈（圖2），是由半徑、結(jié)構(gòu)完全一樣的兩個(gè)圓線圈組成，線圈平行同軸放置且兩軸心間的距離等于其半徑（L=R，稱為亥姆霍茲條件）。將兩個(gè)線圈通以同向電流時(shí)，磁場(chǎng)疊加增強(qiáng)，并在一定區(qū)域形成近似均勻的磁場(chǎng)。兩線圈中心點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度：

圖1 標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)校準(zhǔn)磁強(qiáng)計(jì)原理

圖2 亥姆霍茲線圈

式中：n— 線圈匝數(shù)；

I— 線圈繞組中通過(guò)的電流；

R— 線圈半徑

由式（1）可以看出，磁場(chǎng)強(qiáng)度隨線圈中的電流變化，其他參數(shù)均為常數(shù)，因此式（1）可寫成

式中：K— 線圈常數(shù)，即線圈繞組通過(guò)單位電流時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)，單位為1/m。

兩線圈中心點(diǎn)的磁通密度

式中：μ0— 空氣中的磁導(dǎo)率，μ0= 4 π×10-7N/A2；

由式（2）、（3）可以得到：

單匝繞線產(chǎn)生的磁場(chǎng)理論計(jì)算值很準(zhǔn)，但是多匝線圈不可避免會(huì)引入較大的誤差。加上線圈加工引入的誤差，中心點(diǎn)磁通密度如果采用理論計(jì)算方法得到的值誤差會(huì)較大，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)特斯拉計(jì)直接測(cè)量的方法標(biāo)定，可得到更為準(zhǔn)確的線圈常數(shù)值。

亥姆霍茲線圈、高穩(wěn)定度電流源主要是提供一個(gè)均勻度范圍大、穩(wěn)定度高的恒定磁場(chǎng)。首先校準(zhǔn)亥姆霍茲線圈的線圈常數(shù)K，對(duì)于設(shè)計(jì)好的線圈，線圈常數(shù)是不變的。理論上一個(gè)定標(biāo)點(diǎn)就可以，且可在0 ～ 10 mT范圍內(nèi)任意取一個(gè)點(diǎn)來(lái)確定?？紤]到所用標(biāo)準(zhǔn)特斯拉計(jì)的穩(wěn)定性和靈敏度，取10 mT點(diǎn)為定標(biāo)點(diǎn)。具體工作過(guò)程為：電流源給亥姆霍茲線圈通電，并調(diào)節(jié)電流使磁場(chǎng)為10 mT，用標(biāo)準(zhǔn)特斯拉計(jì)測(cè)量線圈中心點(diǎn)的磁通密度B，通過(guò)式（4）計(jì)算得到線圈常數(shù)K。在線圈常數(shù)K確定后，亥姆霍茲線圈幾何中心位置的磁通密度B與電流成線性關(guān)系。亥姆霍茲線圈在結(jié)構(gòu)完全滿足要求的情況下，線圈中心處軸長(zhǎng)為0.4R、半徑為0.2R的圓柱空間內(nèi)，磁感應(yīng)強(qiáng)度與中心位置磁感應(yīng)強(qiáng)度的偏差不大于±3×10-3，或稱磁場(chǎng)的均勻度為±3×10-3。

本裝置采用0.05級(jí)Lakeshore 475特斯拉計(jì)定標(biāo)。測(cè)得的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)如表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)特斯拉計(jì)測(cè)量磁場(chǎng)

表2 電流測(cè)量方法比較

2 標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)高準(zhǔn)確度的實(shí)現(xiàn)方法

由于亥姆霍茲線圈磁感應(yīng)強(qiáng)度由通過(guò)線圈的電流決定，因此標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)的準(zhǔn)確度就取決于電流源電流測(cè)量的準(zhǔn)確度。國(guó)內(nèi)目前電流測(cè)量方法有電阻法、霍爾法和直流比較儀法。各種方法的優(yōu)劣比較如表2。

目前大部分磁強(qiáng)計(jì)校準(zhǔn)裝置的電流檢測(cè)一般都是采用標(biāo)準(zhǔn)電阻法。用數(shù)字電壓表測(cè)量磁場(chǎng)線圈回路中標(biāo)準(zhǔn)電阻的電壓值，由歐姆定律計(jì)算得到回路中的電流值，由式（2）得到磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。因受標(biāo)準(zhǔn)電阻發(fā)熱的限制，不能通過(guò)大電流，線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍也受此制約。

直流比較儀測(cè)量電流，直流電流源用標(biāo)準(zhǔn)電阻作為取樣器，不能測(cè)量交流電流。安培級(jí)電流年不確定度做到0.05%已是很高水平。

電流源要保持穩(wěn)定，一般采用負(fù)反饋原理，這就要求電流取樣器既能取樣直流成分，也能取樣交流成分，促使電流源動(dòng)態(tài)穩(wěn)定（如電流從一個(gè)量值調(diào)到另一個(gè)量值），稱為寬頻電流比較儀測(cè)量電流的方法（圖3）。本項(xiàng)目研究的標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)即采用該方法，對(duì)交流成分取樣，實(shí)現(xiàn)電流源的高準(zhǔn)確度和高穩(wěn)定度（年不確定度可達(dá)10-6級(jí)）。

圖3中Ip為被測(cè)電流。Us與Ip成正比，通常為1 V左右。頻率范圍：DC-50 kHz；比例準(zhǔn)確度：10 ×10-6以內(nèi)；最大電流測(cè)量可達(dá)數(shù)萬(wàn)安培。

圖3 寬頻電流比較儀原理

3 標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)準(zhǔn)確度測(cè)試

3.1 直流穩(wěn)流電源的準(zhǔn)確度與穩(wěn)定度

用8位半的數(shù)字多用表FLUKE8508測(cè)量直流穩(wěn)流電源的輸出電流，數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 穩(wěn)流電源的準(zhǔn)確度

由表3數(shù)據(jù)可以看出電流源的準(zhǔn)確度達(dá)5×10-4。

由數(shù)字多用表FLUKE8508自動(dòng)測(cè)量該電流源1 min穩(wěn)定度為1.4×10-5。

3.2 數(shù)據(jù)比較

標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)校準(zhǔn)磁通門計(jì)數(shù)據(jù)與國(guó)家院校準(zhǔn)磁通門計(jì)證書比較（磁通門計(jì)，型號(hào)規(guī)格μMAG-01N，測(cè)量范圍0 ～ 1 999 mGs）（表4、5）。

表4 標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)校準(zhǔn)磁通門計(jì)

表5 磁通門計(jì)送中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院校準(zhǔn)

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院校準(zhǔn)磁強(qiáng)計(jì)所用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)為恒定弱磁場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量范圍為0 ～ 0.1 mT，0.02 mT以下U= 1 nT（k= 3）；0.02 ～ 0.1 mT，U= 0.5 nT（k= 3）。由于磁通門磁強(qiáng)計(jì)在200 ～ 2 000 mGs量程的分辨力為1 mGs，因此在200 mGs點(diǎn)，分辨力引入的測(cè)量不確定度為0.5%；在1 000 mGs點(diǎn)，分辨力引入的測(cè)量不確定度為0.1%。測(cè)量值越大，分辨力對(duì)總的測(cè)量不確定度貢獻(xiàn)越小。對(duì)比表4、表5中的數(shù)據(jù)，在300 mGs以上，該標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)與中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差非常接近，證明該裝置的測(cè)試數(shù)據(jù)可靠。

4 結(jié)語(yǔ)

磁強(qiáng)計(jì)的準(zhǔn)確度指標(biāo)關(guān)系到生產(chǎn)和檢驗(yàn)的能力，直接決定產(chǎn)品質(zhì)量。研究磁強(qiáng)計(jì)的校準(zhǔn)方法，可為企業(yè)解決該類產(chǎn)品的量值溯源問(wèn)題。該標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)裝置只需用標(biāo)準(zhǔn)特斯拉計(jì)標(biāo)定后即可在計(jì)算機(jī)軟件直接顯示磁感應(yīng)強(qiáng)度值。磁場(chǎng)的范圍為0 ～ 10 mT，磁場(chǎng)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度分別達(dá)到5×10-4和2×10-5。

[1] 《計(jì)量測(cè)試技術(shù)手冊(cè)》編輯委員會(huì). 計(jì)量測(cè)試技術(shù)手冊(cè)第7卷 電磁學(xué)[M]. 北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1996.

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The research of high accuracy standard magnetic fi eld device

Xu Yu
（Hunan Institute of Metrology and Test）

Broadband comparator fl ow detection technology was adopted to design the high stability and high precision current source, and the helmholtz coil of the high accuracy standard magnetic field device, so as to realize the calibration of the magnetometer. After calibration, PC software can automatically display of magnetic induction intensity value, It can be used as a standard magnetic fi eld.

broadband comparator; magnetic flux density; magnetic intensity ; standard magnetic fi eld device; calibration device

湖南省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科研項(xiàng)目（2013KJJH35）