特斯拉計(jì)探頭自動(dòng)精準(zhǔn)定位和校準(zhǔn)系統(tǒng)

周萍/廈門市計(jì)量檢定測(cè)試院

0 引言

目前，關(guān)于特斯拉計(jì)的校準(zhǔn)，一般采用比較法，這既要求磁場(chǎng)有一定的均勻穩(wěn)定性，又要求標(biāo)準(zhǔn)特斯拉計(jì)探頭與被檢特斯拉計(jì)探頭位置與磁場(chǎng)垂直，而且探頭之間的位置要在磁場(chǎng)均勻度范圍內(nèi)，這樣才可以避免磁場(chǎng)帶來(lái)的影響[2]。因此探頭位置是非常重要的，以往的探頭位置通常是通過(guò)手動(dòng)調(diào)整，這樣沒(méi)有那么準(zhǔn)確又耗時(shí)間。通過(guò)設(shè)計(jì)改進(jìn)，利用軟件自動(dòng)控制調(diào)整探頭位置和校準(zhǔn)過(guò)程。

1 結(jié)構(gòu)

裝置主要由高精度直流標(biāo)準(zhǔn)源、磁場(chǎng)線圈、電磁鐵、霍爾探頭位置控制器（步進(jìn)電機(jī)）、高精度特斯拉計(jì)、計(jì)算機(jī)、磁場(chǎng)中心位置坐標(biāo)臺(tái)等組成 （見圖1、圖2）。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 霍爾探頭位置控制器以及步進(jìn)電機(jī)

霍爾探頭位置控制器以及步進(jìn)電機(jī)是調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)特斯拉計(jì)和被檢特斯拉計(jì)位置的重要組成部分?；魻柼筋^位置控制器以及步進(jìn)電機(jī)是通過(guò)GPIB線進(jìn)行通信的，整個(gè)霍爾探頭位置控制器以及步進(jìn)電機(jī)是無(wú)磁材料制作的?；魻柼筋^位置控制器包括控制器和四組霍爾探頭數(shù)控固定架，每組霍爾探頭數(shù)控固定架可以在X軸、Y軸、Z軸、W角度對(duì)霍爾探頭進(jìn)行4維定位，其中X，Y，Z用于調(diào)節(jié)表征上下左右前后，W用于調(diào)整表征與磁場(chǎng)的角度。X，Y，Z的可調(diào)細(xì)度為1 mm，誤差0.1 mm，W的可調(diào)范圍±12°，細(xì)度1°，誤差0.1°。

圖2 特斯拉計(jì)檢定示意圖

1.2 標(biāo)準(zhǔn)高精度特斯拉計(jì)

本系統(tǒng)采用的標(biāo)準(zhǔn)特斯拉計(jì)具低漂移、低噪聲、靈敏度高、精度高等優(yōu)點(diǎn)，保證其作為主標(biāo)準(zhǔn)器的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，配有多個(gè)GPIB端口，便于與PC機(jī)通信。此特斯拉計(jì)具有直流模式和交流模式等兩種磁場(chǎng)測(cè)量方式，直接轉(zhuǎn)換輸出和DAC輸出兩種模擬輸出方式。主要功能：通過(guò)+/-判斷N/S極性，測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度、穩(wěn)定性，最大值、最小值的測(cè)試，溫度、頻率的測(cè)試，自動(dòng)校零、零點(diǎn)補(bǔ)償、限值報(bào)警等。具體技術(shù)指標(biāo)為：磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍（0～±3.5）T，0.05級(jí)，頻率范圍1～400 Hz，溫度準(zhǔn)確度±0.5 ℃。

1.3 高精度直流電流標(biāo)準(zhǔn)源

本裝置采用的直流標(biāo)準(zhǔn)源可輸出三路電流，分別與電磁鐵、標(biāo)準(zhǔn)線圈、亥姆霍茲線圈連接，配有GPIB線路，可精準(zhǔn)控制輸出的電流，電流輸出范圍±2.5 mA ～ ±25 A，調(diào)節(jié)細(xì)度 5×10-6RG。

1.4 勵(lì)磁結(jié)構(gòu)

勵(lì)磁結(jié)構(gòu)包括三個(gè)：電磁鐵、標(biāo)準(zhǔn)線圈、亥姆霍茲線圈。電磁鐵勵(lì)磁電流為0～25 A，磁場(chǎng)范圍為（0～±2.5） T，可校準(zhǔn)或檢定徑向探頭的特斯拉計(jì)，電磁鐵的輸入功率/磁場(chǎng)比小，無(wú)需水冷散熱亦可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定，電磁鐵底座四腳裝有滾輪，與傳統(tǒng)固定式相比，方便移動(dòng)。

亥姆霍茲線圈勵(lì)磁電流：0～20 A，磁場(chǎng)范圍：0～±110 mT（電流為20 A），線圈常數(shù)K隨溫度變化小，最低程度降低了溫度對(duì)測(cè)量的影響。

2 軟件程序

在整個(gè)校準(zhǔn)測(cè)試過(guò)程中，軟件自動(dòng)控制可以分為兩部分：自動(dòng)精準(zhǔn)定位探頭和自動(dòng)校準(zhǔn)。軟件系統(tǒng)是基于C語(yǔ)言編寫的可視化框圖模式，C語(yǔ)言代碼少，運(yùn)算快，保障了在精準(zhǔn)定位以及測(cè)試過(guò)程中及時(shí)發(fā)送指令和依據(jù)反饋及時(shí)調(diào)整。

2.1 特斯拉計(jì)探頭的精準(zhǔn)定位

探頭的定位是系統(tǒng)程序通過(guò)GPIB卡通信，發(fā)送指令給步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)調(diào)整探頭的位置，首先在零磁場(chǎng)下調(diào)整X、Y、Z軸的位置，其中通過(guò)激光定位儀（長(zhǎng)度）來(lái)準(zhǔn)確確認(rèn)中心磁場(chǎng)位置，然后通過(guò)3D打印技術(shù)打印出無(wú)磁材料螺旋圓盤結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)標(biāo)定了中心磁場(chǎng)的位置確認(rèn)后，再自動(dòng)加微弱磁場(chǎng)調(diào)整確認(rèn)探頭與磁場(chǎng)方向的位置，探頭的位置反饋回系統(tǒng)，判斷是否達(dá)到磁場(chǎng)中心位置。流程見圖3。

圖3 定位流程

2.2 自動(dòng)校準(zhǔn)

自動(dòng)校準(zhǔn)模塊是根據(jù)JJG 242-1995《特斯拉計(jì)》檢定規(guī)程的要求設(shè)計(jì)的，包括了所有規(guī)程要求的項(xiàng)目。系統(tǒng)通過(guò)GPIB端口與高精度直流電源、電磁鐵、標(biāo)準(zhǔn)特斯拉計(jì)連接進(jìn)行通信，形成控制和反饋模塊，控制磁場(chǎng)達(dá)到測(cè)試點(diǎn)，在規(guī)定的量程內(nèi)自動(dòng)進(jìn)行下一個(gè)測(cè)試點(diǎn)以及量程切換，測(cè)試完自動(dòng)處理保存數(shù)據(jù)生成報(bào)告。自動(dòng)校準(zhǔn)具體流程見圖4。

圖4 自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)流程

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)硬件和軟件的結(jié)合，自動(dòng)地調(diào)整特斯拉計(jì)探頭的位置以及根據(jù)檢定規(guī)程自動(dòng)校準(zhǔn)的特斯拉計(jì)校準(zhǔn)系統(tǒng)。與以前傳統(tǒng)手動(dòng)相比，自動(dòng)精準(zhǔn)定位節(jié)省了特斯拉計(jì)探頭的調(diào)整時(shí)間，增加了探頭位置的準(zhǔn)確度，同時(shí)，自動(dòng)根據(jù)規(guī)程校準(zhǔn)節(jié)省了時(shí)間也解放了人力和減少了校準(zhǔn)不確定的因素。