CN105203975B - 一种脉冲双线磁轴测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲双线磁轴测量方法，包括两根信号测试线，一根为本底线、一根为信号线，信号线穿过螺线管线圈，本底线设置在螺线管外，本底线与信号线平行设置；本底线与信号线的一端上同步施加脉冲电流，通过线圈后测得信号值，用在信号线上测得的信号值减去在本底线上测得的信号值，得到实际需求的信号值。本发明与现有的单线测量方法相比提出是为了解决环境本底波动对测量引入的误差，即引入本底测量线来实时测量环境本底，测量时，线圈励磁，总信号线上信号减去本底线上信号即可得到磁轴偏差产生的信号；使用双线后，即使环境磁场有波动，测量过程也不受影响，而且测量受气流、地面震动等因素的影响大大减弱。

Description

一种脉冲双线磁轴测量方法

技术领域

本发明涉及螺线管线圈的磁轴测量技术领域，特别是涉及一种脉冲双线磁轴测量方法。

背景技术

螺线管线圈是构建直线感应加速器束流传输线的基石，其性能的好坏直接关系到束流传输的质量以及最终获得的束流品质，但是由于加工中的误差线圈的磁轴与几何轴往往有一定的偏差，这种偏差可以分为两种形式：磁轴倾斜(如图1所示)和磁轴偏轴(如图2所示)；偏差的大小可以用脉冲紧线法来测量，脉冲紧线磁轴测量技术原理如图3所示。

首先用激光跟踪仪将金属丝定位于线圈几何轴，线圈加载励磁电流，如果几何轴与磁轴有偏差，那么线圈几何轴上就会有横向场分布，测量时给金属丝通以脉冲电流，那么金属丝就会受到洛伦兹力产生振动，该振动信号通过靠近线圈的一对光电探测器转换为电信号，经过信号处理电路传入示波器。金属丝的振动幅值正比于横向场积分值，根据公式计算就可以得出磁轴倾斜值。

测量中环境本底信号幅值一般是实际有用信号的数倍，而对于实际测量一般分为两步：第一步是对线圈不励磁，多次测量本底信号取平均得到平均本底信号；第二步为对线圈励磁，得到总信号，将两步得到的信号进行差分后得到横向磁场产生的信号。

但是，因为测量的两步是分开进行的，使得环境信号的波动会对测量引入不确定度，导致测量基线的波动。

发明内容

本发明的目的是为了克服在测量过程中环境波动引入的误差，因此在测量中引入了本底测量线，实时测量环境本底信号。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

一种脉冲双线磁轴测量方法，包括两根信号测试线，一根为本底线、一根为信号线，信号线穿过螺线管线圈，本底线设置在螺线管外，本底线与信号线平行设置；

本底线与信号线的一端上同步施加脉冲电流，通过线圈后测得信号值，用在信号线上测得的信号值减去在本底线上测得的信号值，得到实际需求的信号值。

在上述技术方案中，施加在本底线与信号线上的电流强度、电流方向均要一致。

在上述技术方案中，分别用在本底线与信号线上的光电探测器与信号处理电路的相应必须一致。

在上述技术方案中，本底线与信号线的拉伸张力大小一致。

在上述技术方案中，螺线管位于信号线的中心位置，且在螺线管两个端口上信号线位于螺线管的几何轴上。

在上述技术方案中，本底线与信号线并联设置，一端接电流的输入，一端接地。

在上述技术方案中，信号线与本底线为两根金属导线，形成一个带缺口的矩形，在矩形的四个角上设置有滑轮用于支撑金属导线；信号线的一端连接到地，信号线的另一端连接砝码，本底线的一端接地，本底线的另一端连接张力计。

在上述技术方案中，本底线与信号线串联设置。

在上述技术方案中，信号线与本底线为同一根金属导线，金属导线对折后形成矩形螺旋，在矩形的四个角上设置有滑轮用于支撑金属导线，信号线的端部连接砝码，本底线的端部连接张力计。

在上述技术方案中，本底线无限接近但不接触螺线管。

本发明的有益效果为：与现有的单线测量方法相比本发明中的双线法的提出是为了解决环境本底波动对测量引入的误差，即引入本底测量线来实时测量环境本底，一根置于线圈内，一根置于线圈外，测量时，线圈励磁，总信号线上信号减去本底线上信号即可得到磁轴偏差产生的信号；使用双线后，即使环境磁场有波动，测量过程也不受影响，而且测量受气流、地面震动等因素的影响大大减弱。

本方案一改传统的测试模式，创新性的采用了双线法测量，减小了单线法中本底信号不能实时测量而导致的基线波动，降低测量不确定度，提高测量系统的环境适用性及精度；具有重大的技术意义。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是磁轴倾斜示意图；

图2是磁轴偏轴示意图；

图3是单线测试结构示意图；

图4是本发明的原理示意图；

图5是双线的布局示意图；

图6是双线串联布局示意图；

图7是探测器选型布局示意图；

其中：1是信号线，2是本底线，3是螺线管，4是砝码，5是探测器，6是支架，7是滑轮，8是张力计。

具体实施方式

如图4所示，本发明的原理采用双线布局方式，与传统的单线相比，本发明在现有基础上引入本底线的概念，将待测信号线穿过螺线管，本底线设置在螺线管外，两者平行设置，在信号线与本底线上同步施加相同强度的电流，电流通过螺线管后对其进行测试，然后用信号线上测得的值减去本底线上测得的值就能得到实际需要的信号值。

本发明采用的双线法测量不会受到环境因素的影响，可以一次性完成测试，且精度可靠。

采用的双线法进行测量需要满足以下几个条件：两根信号线与本底线上电流大小方向一致，两根信号线与本底线上张力大小一致，两根信号线与本底线上所用的探测器及信号处理电路响应一致。

首先，因为同时存在磁因素本底和非磁因素本底，非磁因素本底导致的金属丝振动方向同向，磁因素导致的振动方向与金属丝上加载电流方向有关，为了使得本底线能够完全反映测量线上感受到的环境本底，两根金属丝加载电流需要等大同向。

两根金属丝上张力的一致：因为一般的滑轮并不能够无损的传递张力(通过实验验证)，所以一根金属丝上用砝码提供张力，一根金属丝用张力计通过微调来保证与砝码所能提供张力大小相等(主要考虑到砝码加工误差)。

金属丝的长度由激光跟踪仪测量调整，而金属丝上的张力及电流一致性与布局有关，由于环境本底的复杂性，两根金属丝上加载电流的方向需要保持一致。在理想电源供电情况下，首先假设滑轮可以实现平滑过渡，不影响张力的传递，考虑到接触电阻，要保证两根金属丝上加载电流一致最好是使用串联如图6所示，过渡线应该远离测量系统以减弱对测量的影响。

因为在实际系统布局中，整个金属线长度为5m，而5m长合金丝的电阻大约为50Ω，这样的布局导致金属丝负载远大于现有脉冲电流源的负载范围(120Ω)，所以在电流保持同向的前提下,以目前电源的技术条件，串联的方案就不可行,只能考虑并联的方式。

并联的方式采用如图5的布局方式，信号线与本底线采用同一规格金属线，金属线设置在滑轮上，滑轮的作用是用于支撑金属线，信号线与本底线均为一端固定，另一端分别用砝码和张力计提供张力，通过张力计的微调可以保证与砝码提供的张力一致(这里主要是考虑砝码技工误差)。

该并联方式，可以采用一根金属线，也可以采用两根金属线，只要保证信号线与本底线的张力一致即可。

为了减小接触电阻,电源线与金属丝的接触点A、B、C都采用多点电接触。

为了保证探测器及信号处理电路的响应一致性需要对光电探测器及电子元器件进行选型配对。首先确保信号处理电路响应的一致性，信号处理电路中的电阻元件均需通过测量和挑选，搭建好后用信号发生器产生的标准信号来比较两路信号处理电路的响应，多次调整元器件直到响应一致。对于光电探测器的选型采取图7所示的布局，将两个探测器贴近放置于同一金属丝上，分别经过调整好的信号处理电路接示波器，多次更换探测器直到测得的信号一致。此时可以将一路用于本底测量线上，一路用于总信号线上，当然系统的响应是探测器与信号处理电路的综合效果。两路测量系统响应的一致性是双线法测量系统得以实现的基本前提。

考虑线与线作用力影响的是金属丝x方向的振动，螺线管线圈外围磁场影响的是金属丝y方向的振动，对于线与线作用的定量化采取的测量步骤如下：

信号线的x方向探测器经过信号处理电路后接示波器的Ch1，本底线的x方向探测器经过信号处理电路后接示波器的Ch3，在示波器中令Math1＝Ch1-Ch3。

本底线和总信号线加载同向脉冲电流(10A，200μs)，线圈不励磁，则Math1中测到的应该是线—线作用产生的梯形波。

测试后发现两根金属丝相互作用产生的信号很小，约为地磁场在x方向信号的25％，注意到两根金属丝的相互作用并不是计算得到的梯形波，这与螺线管线圈对金属丝磁场以及地磁场的屏蔽作用有关。

螺线管线圈外围磁场激发信号的测量步骤为：

螺线管线圈不励磁，只给本底线加载脉冲电流(10A，200μs)，本底测量线的y方向测量输出接CH4，多次测量将Ch4中测得的信号取平均存于Ref3；

螺线管线圈加载励磁电流，只给本底线加载脉冲电流，令Math3＝Ch4-Ref3，多次测量取平均，这时Math3中的信号就是螺线管线圈外围磁场激发的信号。

注意到测量线圈外围磁场对本底线的影响时，使用的步骤和脉冲紧线法相似，只是对测量结果做了平均以消除非磁因素的干扰。当然仅仅使用脉冲紧线法也可以这样测量来消除误差，但是多次的测量会使得线圈发热严重甚至损坏线圈，测量效率低。双线法的测量中对于同一型号的线圈，该步骤只需要进行一次。

为了分析定量化引入的误差，分别测量了10组由线圈外围磁场产生的振动信号，其波形一致性相对比较好，可以看出测得的线圈外围磁场导致的金属丝振动信号虽然有一定的波动，但是整体波形及幅值基本没有变化，而且波形和理论计算结果还是比较吻合的。所以通过定量化来消除线圈外磁场产生的信号对测量结果的影响是可行的。在后文的线圈测量结果中均已将该项消除。

至此，金属丝线—线作用以及螺线管线圈外围磁场产生的信号都已通过实验定量化，只需按照测量步骤操作，并且在最后的测量结果中将这两个影响因素产生的信号减去即可。

在同样的条件下，分别采用单线法和双线法多次测得的基线波动，其中单线法在X和Y两个方向的基线波动分别约±20mV和±50mV，而双线法则分别为±15mV和±20mV，对应的磁轴倾斜测量不确定度分别为：单线法±0.14mrad/X方向和±0.36mrad/Y方向、双线法±0.11mrad/X方向和±0.14mrad/X方向。显然，双线法的基线波动在两个方向上均有改善，尤其是在Y方向上，波动减小了一倍以上，对减小测量的不确定度效果非常显著。

为了将单线法与双线法的测量不确定度进行比较，在不同时间，对同一线圈的磁轴偏差(该线圈的准直不是很精确)情况进行测量获得的结果如下表。

测量号\测量方式	x-双线法/v	x-单线法/v	y-双线法/v	y-单线法/v
					1	0.0170	0.0152	0.1065	0.0910
2	0.0170	0.015	0.1195	0.1000
					3	0.0160	0.0256	0.0925	0.1200
4	0.0160	0.0213	0.1215	0.1300
					5	0.0160	0.0170	0.1205	0.1200
6	0.0202	0.0159	0.0980	0.0981
					7	0.0162	0.0181	0.0919	0.1366
8	0.0170	0.0202	0.0902	0.1540
					9	0.0169	0.0185	0.1043	0.0951
10	0.0155	0.0152	0.1268	0.1300
					平均值	0.0168	0.0182	0.1072	0.1175
对应磁轴倾斜	0.119mrad	0.129mrad	0.762mrad	0.835mrad
					均方差	0.0013	0.0034	0.0139	0.0208

注意为了获得可用的数据，单线法在每次测量前都要重新测量环境本底信号，而双线法则不需要。从表中可以看出，单线法和双线法的测量结果平均值相近，但是双线法测量数据的波动(尤其是x方向)比单线法小。对上表的数据进行统计发现双线法测量数据与平均值的最大偏差x方向为0.024mrad，y方向为0.139mrad；至于单线法最大偏差x方向为0.052mrad，y方向为0.3286mrad。双线法的测量数据稳定性要远好于单线法。

可见不管是从基线来看，还是从测量结果的统计来看，双线法的测量不确定度都小于单线法。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种脉冲双线磁轴测量方法，其特征在于包括两根信号测试线，一根为本底线、一根为信号线，信号线穿过螺线管线圈，本底线设置在螺线管外，本底线与信号线平行设置；

本底线与信号线的一端上同步施加脉冲电流，通过线圈后测得信号值，用信号线上测得的信号值减去本底线上测得的信号值，得到实际需求的信号值。

2.根据权利要求1所述的一种脉冲双线磁轴测量方法，其特征在于施加在本底线与信号线上的电流强度、电流方向均要一致。

3.根据权利要求1所述的一种脉冲双线磁轴测量方法，其特征在于分别用在本底线与信号线上的光电探测器与信号处理电路的响应必须一致。

4.根据权利要求1所述的一种脉冲双线磁轴测量方法，其特征在于本底线与信号线的拉伸张力大小一致。

5.根据权利要求4所述的一种脉冲双线磁轴测量方法，其特征在于在螺线管两个端口上信号线位于螺线管的几何轴上。

6.根据权利要求2所述的一种脉冲双线磁轴测量方法，其特征在于本底线与信号线并联设置，一端接电流的输入，一端接地。

7.根据权利要求4或5或6所述的一种脉冲双线磁轴测量方法，其特征在于信号线与本底线为两根金属导线，形成一个带缺口的矩形，在矩形的四个角上设置有滑轮用于支撑金属导线；信号线的一端连接到地，信号线的另一端连接砝码，本底线的一端接地，本底线的另一端连接张力计。

8.根据权利要求2所述的一种脉冲双线磁轴测量方法，其特征在于本底线与信号线串联设置。

9.根据权利要求4或5或8所述的一种脉冲双线磁轴测量方法，其特征在于信号线与本底线为同一根金属导线，金属导线对折后形成矩形螺旋，在矩形的四个角上设置有滑轮用于支撑金属导线，信号线的端部连接砝码，本底线的端部连接张力计。

10.根据权利要求1所述的一种脉冲双线磁轴测量方法，其特征在于本底线无限接近但不接触螺线管。