CN107101569A - 一种固定磁铁的振动丝磁中心测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种固定磁铁的振动丝磁中心测量装置及方法，属于加速器中所用磁铁的测量领域。该装置包括：支撑基座、平移台、旋转轴、丝支撑架、丝的基准点、导电丝、光电对管、信号发生器和示波器。测量时，待测磁铁放置于支撑基座上，将导电丝穿过待测磁铁的孔径并调整位置，使其大致位于待测磁铁孔径中部；打开信号发生器，使交变电流流过导电丝形成回路，利用光电对管输出导电丝的振动信号，当振动信号最小时，测量得到丝的基准点此时的位置坐标；旋转导电丝，重复上述操作，再次得到振动信号最小时丝的基准点的新位置坐标，最终计算得到待测磁铁的磁中心坐标。本发明不需对待测磁铁进行移动或旋转操作，具有更广泛的适用性。

Description

一种固定磁铁的振动丝磁中心测量装置及方法

技术领域

本发明涉及加速器中所用磁铁的测量领域，具体涉及一种固定磁铁的振动丝磁中心测量装置及方法。

背景技术

四极磁铁能够在其孔径内部形成线性分布的磁场，是加速器中常用的聚焦元件。在加速器技术中四极磁铁磁中心的测量必不可少，在磁铁准直安装时通常需要使磁中心与标准粒子轨道重合以保证束流轨道不受影响，因而对磁铁的安装位置精度要求很高。束流通过磁中心时，由于磁场等于0，不会受到横向偏转力。如果束流偏离四极磁铁的磁中心，它将受到额外的一个二极磁场偏折力，影响束流轨道。磁中心位置机械上无法直接测量，需要通过其它手段测量才能为准直安装提供指导。一般情况下，测量需要得到磁中心相对于磁铁机械结构对称中心(简称机械中心)的位置，安装时根据磁中心的位置要求，依据测量结果计算出机械中心的目标位置坐标，然后把磁铁准直安装到所需要的位置。除四级磁铁外，六极或者八极等多极磁铁也都有一个磁场等于0的磁中心。

目前高精度的磁中心测量方法一般采用旋转线圈法和三维霍尔探头点测法。旋转线圈法主要通过傅里叶分析来还原磁场形态。线圈在四极磁铁孔径内旋转会产生感应电动势，将此电信号积分后进行傅里叶分析就可还原出场的形态，并定出磁中心位置。旋转线圈法装置复杂，为了保证高精度常需要定做庞大的机床，造价很高。三维霍尔探头点测法是一种直接测量的方法，主要是利用霍尔探头逐点测量磁铁孔径中的磁感应强度来进行磁场的还原，进而得到磁中心位置。该方法依赖于高精度的机械以及测磁装备，对硬件要求很高。并且由于霍尔探头难以做得很小，对磁铁孔径也有一定要求。

专利201410298169X提出了一种基于丝的旋转式磁中心测量方法。该方法利用丝共振的特点，使导电丝的等效中心与磁中心高精度重合，通过旋转待测磁铁的方法测量磁中心的具体位置。但由于该方法需要旋转待测磁铁，对于小型的永磁铁尚能方便地应用；而对于加速器装置中经常采用的大型四极磁铁和带有水路电路的电四极磁铁，由于不方便旋转，该方法的适用性受到了限制。

测量机械位置坐标的常规仪器有三坐标仪和激光跟踪仪等，这类仪器能够通过测量磁铁外形得到磁铁机械中心的位置坐标，也能直接测量基准点的位置坐标，但是无法测量不可见的磁中心位置。三坐标仪通过金属小球直接触碰的方法得到被测点在三维空间中的位置坐标，激光跟踪仪则使用激光靶球与被测点接触，利用激光测量激光靶球在三维空间中的位置坐标，进一步换算得到被测点在三维空间中的位置坐标。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种固定磁铁的振动丝磁中心测量装置及方法。本发明解决了现有四极磁铁或者多极磁铁磁中心的测量方法中装置复杂、对硬件要求高、需要进行待测磁铁旋转等一系列技术问题，本发明不需对待测磁铁进行旋转操作，具有更广泛的适用性。

本发明提出的一种固定磁铁的振动丝磁中心测量装置，其特征在于，包括：支撑基座、平移台、旋转轴、丝支撑架、丝的基准点、导电丝、光电对管、信号发生器和示波器；所述支撑基座位于稳固的平台上，在支撑基座上依次放置平移台、待测磁铁和光电对管；所述平移台连接旋转轴，旋转轴连接丝支撑架的一端；所述丝的基准点固定在丝支撑架上；所述导电丝两端由丝支撑架张紧拉直，导电丝两端通过引线连接信号发生器；所述导电丝沿z方向依次穿过待测磁铁和光电对管，且待测磁铁长度l远小于导电丝长度L；所述光电对管为正交放置，连接示波器。

本发明提出的一种固定磁铁的振动丝磁中心测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)调整待测磁铁，使其稳固放置于支撑基座上，令待测磁铁孔径方向为z方向，待测磁铁磁中心在xoy平面内的位置坐标为测量目标，记为(x₂，y₂)；

2)利用丝支撑架张紧导电丝，并将导电丝沿z方向穿过待测磁铁的孔径；

3)利用平移台分别在x方向和y方向调整导电丝的位置，使其大致位于待测磁铁孔径中部；

4)打开信号发生器，使交变电流流过导电丝形成回路，通有交变电流的导电丝在磁场中因受洛伦兹力而发生受迫振动；当电流的频率与导电丝的一阶共振频率相同，磁铁在 z方向上位于导电丝中部，磁铁长度l远小于导电丝长度L时，导电丝的振幅与待测磁铁的磁场沿导电丝的积分值成正比；

5)利用一对正交放置的光电对管分别监测导电丝在x方向和y方向的振动幅度，光电对管将其灵敏区内导电丝位置变化转化为电压信号输出，称为振动信号；

6)在xoy平面内平移导电丝，导电丝越趋近于磁中心，导电丝输出的振动信号越小；当导电丝的等效中心与待测磁铁的磁中心重合时，导电丝的振动信号达到最小，使用测量仪器测量丝的基准点此时xoy平面内的位置坐标，记为(x₃，y₃)；

7)将导电丝绕z轴旋转180度，待测磁铁在xoy平面内的位置坐标保持不变；旋转后导电丝的等效中心不再与待测磁铁的磁中心重合，丝的基准点的位置也发生了变化，旋转到了待测磁铁的另一边；

8)重复步骤3)至步骤6)，使导电丝的等效中心与磁中心再次重合，测量得到此时丝的基准点在xoy平面内中的新位置坐标，记为(x₄，y₄)；

9)根据步骤6)和步骤8)分别得到的丝的基准点在不同位置的两组坐标，计算待测磁铁的的磁中心在xoy平面内中的位置坐标，表达式如下：

对上述公式求解，得到待测磁铁的磁中心位置坐标(x₂，y₂)。

本发明的特点及有益效果在于：

本发明在保留振动丝方法高灵敏度特性的同时，解决了如何导出测得磁中心坐标的问题。待测磁铁通常具有不同的大小、尺寸、形状，不同于专利201410298169X，本发明不需对待测磁铁进行旋转操作，具有更广泛的适用性。特别是能够适应于不方便旋转的四极磁铁磁中心测量，例如加速器装置中广泛采用的大型四极磁铁及带有水路电路的电四极磁铁。同时，对于磁中心磁场等于0的其它多极磁铁，都可以采用本发明来测量。

附图说明

图1为本发明实施例的测量装置结构示意图。

图2为本发明实施例的测量方法的流程框图。

图中，1-支撑基座、2-平移台、3-旋转轴、4-丝支撑架、5-丝的基准点、6-导电丝、7-待测四极磁铁、8-光电对管、9-信号发生器、10-示波器。

具体实施方式

本发明提出的一种固定磁铁的振动丝磁中心测量装置及方法，下面结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明如下。

本发明的实施例均以四级磁铁为例；本发明的装置及方法也可应用于极数大于等于4 的多极磁铁中的任意一种

本发明提出的一种固定磁铁的振动丝磁中心测量装置，实施例结构示意图如图1所示，包括：支撑基座1、平移台2、旋转轴3、丝支撑架4、丝的基准点5、导电丝6、光电对管8、信号发生器9和示波器10。所述支撑基座1位于稳固的实验平台上，在支撑基座1 上依次放置平移台2、待测四极磁铁7和光电对管8；所述平移台2连接旋转轴3，旋转轴 3连接丝支撑架4的一端；所述丝的基准点5固定在丝支撑架4上；所述导电丝6两端由丝支撑架4张紧拉直，导电丝6两端通过引线连接信号发生器9；所述导电丝6沿z方向依次穿过待测四极磁铁7和光电对管8；所述光电对管8为正交放置，连接示波器10。

工作时，将待测四极磁铁7放置于支撑基座1上，所述待测四极磁铁7的磁中心大致在其磁场区域中部，不可见；所述平移台2带动旋转轴3、丝支撑架4、丝的基准点5和导电丝6在xoy平面内共同运动；旋转轴3带动丝支撑架4、丝的基准点5和导电丝6绕 z轴共同旋转；所述丝支撑架4用以支撑导电丝6，使其保持绷紧拉伸状态；所述丝的基准点5固定在丝支撑架4上，它在xoy平面内的位置坐标可被精确测量，与导电丝6的相对位置关系固定，用以标记导电丝6的位置变化；所述导电丝6沿z方向依次穿过待测四极磁铁7和光电对管8，导电丝6用以与待测四级磁铁7的磁中心重合，利用通电导线在磁场中受洛伦兹力的特点确定导电丝与磁中心的重合状态；所述光电对管8固定在支撑基座1上，用以测量导电丝的振动状态。所述信号发生器9用于为导电丝提供约80mA的驱动电流；所述示波器10用于测量光电对管8输出的导电丝振动信号。

本发明提出的一种固定磁铁的振动丝磁中心测量方法，流程框图如图2所示，包括以下步骤：

1)调整待测四极磁铁，使其稳固放置于支撑基座上，令待测四级磁铁孔径方向为z方向，待测四级磁铁磁中心在xoy平面内的位置坐标为测量目标，记为(x₂，y₂)；

使用测量仪器测量待测四极磁铁机械中心在xoy平面内xoy平面内的位置坐标，记为 (x₁，y₁)；所述测量仪器可采用常规的三坐标仪或激光跟踪仪，本实施例采用的测量仪器为莱卡AT401激光跟踪仪；

2)利用丝支撑架张紧导电丝，并将导电丝沿z方向穿过待测四级磁铁的孔径；本实施例所述导电丝材质选用直径0.125mm的CuBe丝，该导电丝导电性能良好、不易断裂；整个丝支撑架由旋转轴带动，可绕z方向旋转；

3)利用平移台分别在x方向和y方向调整导电丝的位置，使其大致位于待测四级磁铁孔径中部；

4)打开信号发生器，使交变电流流过导电丝形成回路，通有交变电流的导电丝在磁场中因受洛伦兹力而发生受迫振动。当电流的频率与导电丝的一阶共振频率相同，且磁铁在导电丝长度方向上位于导电丝中部，磁铁长度l远小于导电丝长度L时(本发明中远小于的含义为磁铁长度小于导电丝长度的l/10，即l＜L/10)，导电丝的振幅与待测四级磁铁的磁场沿导电丝的积分值成正比。导电丝的截面尺寸在实验精度下不可忽略，丝在横截面上所受的合力，可以等效为导电丝上一点受力，此导电丝所受合力的作用点称为导电丝的等效中心。可证明在导电丝材质均匀的情况下，导电丝的等效中心位于截面几何中心处。结合四极磁铁线性磁场的特点，导电丝的等效中心偏离磁中心越远，磁场越大，导电丝振幅越大；而当导电丝的等效中心恰好穿过磁中心时振幅最小。

此处利用了共振的特性，使得导电丝的等效中心能够与磁中心高精度重合。

5)使用一对正交放置的光电对管分别监测导电丝在x方向和y方向的振动幅度。光电对管能将其灵敏区内导电丝位置变化转化为电压信号输出，称为振动信号；光电对管的灵敏区的长度一般远小于导电丝长度，光电对管能够测量导电丝落在其灵敏区域中一小段的运动情况，即导电丝局部的运动情况；本实施例使用普通示波器观察该振动信号。

6)在xoy平面内平移导电丝，导电丝越趋近于磁中心，导电丝的振动信号越小。导电丝所受合力由其横截面等效中心处的磁感应强度决定，该等效中心在截面内位置固定但具体坐标不易直接测量。当导电丝的等效中心与待测四极磁铁的磁中心重合时，导电丝的振动信号达到最小，使用测量仪器测量得到丝的基准点此时在xoy平面内的位置坐标，记为(x₃，y₃)。所述测量仪器可采用三坐标仪或激光跟踪仪。

7)将导电丝绕z轴旋转180度，待测四级磁铁在实验坐标系中的位置坐标保持不变。该旋转可以围绕任意平行于z的轴进行。此时由于旋转导致了导电丝的位置变化，旋转后导电丝的等效中心不再与待测四极磁铁的磁中心重合，丝的基准点的位置也发生了变化，旋转到了待测四极磁铁的另一边。

8)重复步骤步骤3)至步骤6)，使导电丝的等效中心与磁中心再次重合，测量得到此时丝的基准点在xoy平面内的新位置坐标，记为(x₄，y₄)；

9)根据步骤6)和步骤8)分别得到的丝的基准点在不同位置的两组坐标，计算待测四级磁铁的的磁中心在xoy平面内的位置坐标，表达式如下：

对上述公式求解，得到待测四极磁铁的磁中心位置坐标(x₂，y₂)。

本发明原理：

为实现磁中心相对位置的测量，本方法主要包含两个技术点：

1、使导电丝等效中心与磁中心相重合；

2、确定导电丝等效中心的位置坐标；

具体来说：

1、导电丝等效中心与磁中心重合：

使用通有电信号的导电丝穿过待测磁铁的磁场区，则该导电丝会在磁场洛伦兹力的作用下受力振动。而磁中心处磁场为0，丝的受力振动取得最小值。

两端固定并张紧的导电丝存在驻波形式的共振模式，与共振频率相同的激励电流会引发丝的共振。共振的利用使得丝的等效中心与磁中心重合的位置分辨率很高(～1μm)。

2、确定导电丝等效中心的位置坐标：

在xoy平面内，磁铁的机械中心位置与丝的基准点位置可直接由位置测量得到(如采用激光跟踪仪、三坐标仪等等)；磁中心位置及导电丝的等效中心位置却不能直接测量得到，因此使用如下方案确定其位置：

保持磁铁在xoy平面内不动，共分3步可以获得磁中心在xoy平面内的位置：

(1)导电丝等效中心与磁中心重合，在xoy平面内测量此时的机械中心位置(x₁，y₁)和丝的基准点位置(x₃，y₃)

(2)旋转导电丝180度

(3)再次使导电丝等效中心与磁中心重合，测量此时丝的基准点位置(x₄，y₄)。则xoy 平面内，待测四极磁铁的磁中心的位置坐标为：

本发明不局限于上述实施方式，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种固定磁铁的振动丝磁中心测量装置，其特征在于，包括：支撑基座、平移台、旋转轴、丝支撑架、丝的基准点、导电丝、光电对管、信号发生器和示波器；所述支撑基座位于稳固的平台上，在支撑基座上依次放置平移台、待测磁铁和光电对管；所述平移台连接旋转轴，旋转轴连接丝支撑架的一端；所述丝的基准点固定在丝支撑架上；所述导电丝两端由丝支撑架张紧拉直，导电丝两端通过引线连接信号发生器；所述导电丝沿z方向依次穿过待测磁铁和光电对管，且待测磁铁长度l远小于导电丝长度L；所述光电对管为正交放置，连接示波器。

2.一种固定磁铁的振动丝磁中心测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)调整待测磁铁，使其稳固放置于支撑基座上，令待测磁铁孔径方向为z方向，待测磁铁磁中心在xoy平面内的位置坐标为测量目标，记为(x₂，y₂)；

2)利用丝支撑架张紧导电丝，并将导电丝沿z方向穿过待测磁铁的孔径；

3)利用平移台分别在x方向和y方向调整导电丝的位置，使其大致位于待测磁铁孔径中部；

4)打开信号发生器，使交变电流流过导电丝形成回路，通有交变电流的导电丝在磁场中因受洛伦兹力而发生受迫振动；当电流的频率与导电丝的一阶共振频率相同，磁铁在z方向上位于导电丝中部，磁铁长度l远小于导电丝长度L时，导电丝的振幅与待测磁铁的磁场沿导电丝的积分值成正比；

5)利用一对正交放置的光电对管分别监测导电丝在x方向和y方向的振动幅度，光电对管将其灵敏区内导电丝位置变化转化为电压信号输出，称为振动信号；

6)在xoy平面内平移导电丝，导电丝越趋近于磁中心，导电丝的振动信号越小；当导电丝的等效中心与待测磁铁的磁中心重合时，导电丝的振动信号达到最小，使用测量仪器测量丝的基准点此时xoy平面内的位置坐标，记为(x₃，y₃)；

7)将导电丝绕z轴旋转180度，待测磁铁在xoy平面内的位置坐标保持不变；旋转后导电丝的等效中心不再与待测磁铁的磁中心重合，丝的基准点的位置也发生了变化，旋转到了待测磁铁的另一边；

8)重复步骤3)至步骤6)，使导电丝的等效中心与磁中心再次重合，测量得到此时丝的基准点在xoy平面内中的新位置坐标，记为(x₄，y₄)；

9)根据步骤6)和步骤8)分别得到的丝的基准点在旋转前后的两组坐标，计算待测磁铁的的磁中心在xoy平面内中的位置坐标，表达式如下：

<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>x</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>x</mi> <mn>4</mn> </msub> <mo>)</mo> <mo>/</mo> <mn>2</mn> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>y</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <mo>(</mo> <msub> <mi>y</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>y</mi> <mn>4</mn> </msub> <mo>)</mo> <mo>/</mo> <mn>2</mn> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>

对上述公式求解，得到待测磁铁的磁中心位置坐标(x₂，y₂)。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述待测磁铁为四极磁铁或极数大于等于4的多极磁铁中的任意一种。