CN107478144B - 一种基于四极磁铁和振动线技术的丝线定位装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于四极磁铁和振动线技术的丝线定位装置，包括：一四极磁铁，其中心含有一磁铁孔，在该磁铁孔内可形成均匀梯度磁场；该四极磁铁外部设有若干基准件；一磁铁位置调整机构，位于所述四极磁铁底部，以对所述四极磁铁进行水平和竖直方向位置调整；—丝线振动监测系统，包括：两个传感器，用于监测丝线在水平和竖直方向上的振幅和相位；一传感器位置调整机构，用于承载所述两个传感器并可进行位置调整；一信号采集装置，用于采集所述两个传感器输出的电压信号；一线振动激励装置，用于给丝线提供特定幅值和频率的交流信号。本发明还提供一种基于四极磁铁和振动线技术的丝线定位方法，利用本装置对丝线进行定位。
Description
技术领域
本发明涉及加速器磁测与准直领域，具体涉及一种基于精密标定的四极磁铁和利用振动线技术的丝线定位装置和方法。
背景技术
在加速器磁测与准直等领域，有关细丝线的应用越来越多，细丝线的材质为金属，直径通常约0.1mm。例如振动线的应用就需要测量丝线的位置，因为丝线位置代表磁场元件磁中心的位置。通过振动线技术利用丝线探测出磁场元件磁中心位置后，通过激光跟踪仪标定出丝线位置与磁场的元件设备的位置关系，在隧道中进行磁场元件设备的安装就位。
高能同步辐射光源预研项目(HEPS-TF)中，研究应用振动线准直共架磁铁支架上安装的多块四极磁铁和六极磁铁。该技术应用振动丝线依次测量出共架支架上四极和六极磁铁磁中心相对于振动丝线的位置，根据该相对位置将磁铁的磁中心依次准直调节到振动丝线上，完成以上磁铁预准直单元准直调整后，需要用激光跟踪仪将振动丝线的位置与磁铁和支架之间的位置关系标定出来。磁铁与支架尺寸比较大，可以固定准直靶标座，而振动丝线一般较细，通常直径只有100μm左右，不能在丝线上安装靶标，也不方便进行其他接触式位置测量，而使用经纬仪等靠肉眼瞄准型的光学测量设备会使丝线位置的测量误差高达约0.1mm。能否高精度的定位丝线的位置，对于振动线准直方法的最终效果具有重要意义。
美国布鲁克海文实验室(BNL)将振动丝线两端用精密加工的V型槽定位，V型槽的槽底尖角半径必须小于丝线的半径，以便V型槽实现定位的唯一性。V型槽安装在带有靶标的基准座上，可以在三坐标机上通过标定得到V型槽与靶标之间的位置关系，通过测量靶标获得V型槽位置，从而得到丝线的位置。这种方法依赖于V型槽的高精度加工，V型槽尖角半径只有几十微米，且V型槽有一定的厚度，丝线与之接触的究竟是线接触还是点接触不明朗，点接触的接触点究竟在什么位置也不确定，带来了不确定的误差。
美国斯坦福直线加速器中心(SLAC)的振动丝线中使用光电的方式对丝线进行定位。通过测量光电传感器的输出判断位于丝线位于传感器中的位置，再通过测量光电传感器上的外部基准获得丝线的位置，丝线的定位精度约为15μm，该定位精度已经不能满足加速器磁场设备元件的最终的标定或准直精度要求。
目前国内研究过振动线技术的只有中科院高能物理研究所(以下简称高能所)和清华大学。高能所应用振动线准直共架磁铁单元，依次测量出共架支架上四极和六极磁铁磁中心相对于振动丝线的位置，根据该相对位置将磁铁的磁中心依次准直调节到振动丝线上，再应用与BNL相类似的方法定位振动丝线，丝线定位误差尚不能明确定量。清华大学应用振动线测量永磁四极磁铁的磁中心，通过旋转式磁中心测量方法可得到磁铁磁中心与机械中心的位置关系，该方法没有应用到丝线的定位，未对丝线定位技术进行研究。另外，这种方法只能进行单块磁铁的四极磁铁的磁中心与机械中心标定，不能进行六极磁铁的测量和单元多块四、六极磁铁的预准直。
除了上述的振动线技术，国内外还在研究和应用基于丝线的磁场分布或磁中心位置的其他测量方法，例如张力线、脉冲线等。另外，在高能所散裂中资源项目(CSNS)中，利用小球微扰法测量漂移管直线场强分布时，需将运载小球的丝线准直至腔体轴线；用丝线精确标定束流位置探测器(BPM)时，需将丝线位置引出至设备外部基准；欧洲同步辐射光源(ESRF) 利用丝线监测磁铁支架的移动。上述项目中丝线位置测量精度普遍约30μm，随着加速器技术的发展，对丝线位置测量精度要求越来越高，如何高精度实现丝线定位是亟待解决的问题。
发明内容
为克服现有技术问题，本发明提供一种基于四极磁铁和振动线技术的丝线定位装置和方法，利用精密标定的四极磁铁和振动线技术来对丝线位置实现精密定位。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于四极磁铁和振动线技术的丝线定位装置，包括：
一四极磁铁，其中心含有一磁铁孔，在该磁铁孔内可形成均匀梯度磁场；该四极磁铁外部设有若干基准件；
一磁铁位置调整机构，位于所述四极磁铁底部，以对所述四极磁铁进行水平和竖直方向位置调整；
—丝线振动监测系统，包括：
两个传感器，用于监测丝线在水平和竖直方向上的振幅和相位；
一传感器位置调整机构，用于承载所述两个传感器并可进行位置调整；
一信号采集装置，用于采集所述两个传感器输出的电压信号；
一线振动激励装置，用于给丝线提供特定幅值和频率的交流信号。
进一步地，还包括一磁铁支撑机构，位于所述磁铁位置调整机构下方以进行支撑。
进一步地，还包括一传感器支撑机构，位于所述传感器位置调整机构下方以进行支撑。
进一步地，所述线振动激励装置包括信号发生器。
进一步地，所述四极磁铁为电磁铁或永磁磁铁，该永磁磁铁的磁铁孔内设有屏蔽磁场的结构，以便在停用时将磁场屏蔽。
进一步地，所述四极磁铁为长方体或圆柱体。
进一步地，所述基准件可为靶标，不少于3个。
进一步地，所述传感器包括光电传感器、非接触性位移传感器。
一种基于四极磁铁和振动线技术的丝线定位方法，利用上述丝线定位装置对丝线进行定位，步骤包括：
通过标定设备标定所述丝线定位装置的基准件与四极磁铁机械中心的位置关系；
通过振动线旋转式磁中心测量方法标定出四极磁铁磁中心与机械中心的位置关系，完成丝线定位装置的标定；
将所述丝线定位装置安装到待测丝线处，使其四极磁铁机械中心位于所述丝线上，调整其两个传感器到工作区可覆盖丝线振幅的位置上；
给所述丝线通入与该丝线某阶固有频率相同的交流信号，给所述四极磁铁通电产生磁场，使所述丝线在洛伦兹力作用下发生振动；
移动所述四极磁铁在水平和竖直方向上的位置，通过丝线振动监测系统的两个传感器监测丝线在水平和竖直方向上的振幅和相位，当振幅为零时停止移动四极磁铁；
通过测量所述基准件以对丝线定位。
进一步地，所述标定设备包括三坐标机。
进一步地，所述基准件与四极磁铁机械中心的位置关系的标定精度可达3μm。
进一步地，所述出四极磁铁磁中心与机械中心的位置关系的标定精度可达3μm。
本发明所取得的有益效果是：
本发明的四极磁铁的机械中心与基准件、磁中心的位置关系的标定精度都高达3μm，四极磁铁一旦完成了磁中心与机械中心位置关系的高精度标定，在以后的丝线定位测量过程中无需再进行标定，可作为标准参考直接应用。在四极磁铁与丝线的位置关系的标定中，由于丝线与激励信号处于共振状态，测量的灵敏性很高，能够高分辨率地通过线振动判定磁铁磁中心与丝线的定位，分辨率小于2μm，由此可大幅提高丝线定位精度。本发明对丝线的高精度定位精度可达4.7μm，整个测量过程简单易行、可靠性高。
本发明为丝线高精度定位提供了一种切实可行的方法，针对现有的丝线技术，如果需要，就可以使用本方法进行高精度定位。例如在HEPS-TF和BNL的技术中，使用本方法即可实现丝线的定位，可以忽略V型槽与线接触点和形式的不确定性，无需再关心线的固定方式。对于SLAC，其使用的光电方式丝线定位，由于所使用的光电传感器输出与外部基准间的标定精度只做到15μm，导致最终的丝线定位精度较低，而随着加速器技术的发展，对丝线位置测量精度要求会越来越高，利用本方法可以满足丝线的高精度定位要求。
附图说明
图1为实施例中的一种基于四极磁铁和振动线技术的丝线定位装置示意图。
图中：1-四极磁铁，2-基准件，3-磁铁支撑机构，4-磁铁位置调整机构，5-第一传感器， 6-第二传感器，7-传感器位置调整机构，8-传感器支撑机构。
图2为实施例中的一种基于四极磁铁和振动线技术的丝线定位方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图作详细说明如下。
本实施例提供一种基于四极磁铁和振动线技术的丝线定位装置，构造如图1所示，主要包括：(1)一四极磁铁1，其中心处含有一磁铁孔，该四极磁铁1需通过三坐标机等设备确定位于四极磁铁1顶部的基准件2(4个靶标)与其机械中心的位置关系，通过振动线旋转式磁中心测量方法标定出四极磁铁1磁中心与机械中心的位置关系；(2)一磁铁位置调整机构4，用于实现四极磁铁1水平和竖直方向运动，可使四极磁铁1磁中心移动到丝线位置上；(3)一丝线振动监测系统，包含用于监测丝线水平方向和垂直方向运动的两个传感器，为便于区分，分别称之为第一传感器5和第二传感器6，当四极磁铁1在移动过程中监测丝线的在这两个方向上的振幅和相位；该两个传感器需安装在能够对其位置进行一定调节的传感器位置调整机构7上，可以使位置调整到工作区覆盖丝线振幅的位置上；还包含用于采集所述两个传感器输出的电压信号一信号采集装置和用于给丝线提供某个幅值和频率的交流信号一线振动激励装置(图中未显示)；(4)整个装置还需要包含磁铁支撑机构3和支撑丝线振动监测系统的传感器支撑机构8等。
本装置之所以以四极磁铁1作为测量的标准铁，是因为四极磁铁1是一种能够形成均匀梯度场的磁铁。四极磁铁1的场区内某个位置的竖直方向磁感应强度分量By与它偏离磁中心的水平距离(x-x0)成正比，水平方向磁感应强度分量Bx与它偏离磁中心的竖直距离(y-y0) 成正比，如式1-1和1-2所示，其中(x0,y0)为丝线振动监测系统坐标下的磁中心位置。
By＝G(x-x0) 1-1
Bx＝G(y-y0) 1-2
当沿着水平方向移动四极磁铁1时，丝线振幅为零的位置即为磁铁水平方向的磁中心；当沿着竖直方向移动四极磁铁1，丝线振幅为零的位置即为磁铁竖直方向的磁中心。在磁中心两侧，丝线振动的振幅均大于磁中心位置，且振动的相位相反。通过磁铁位置调整机构4 对磁铁位置调整，观察振动丝线的振幅，可以将磁铁的磁中心移动到丝线位置上。
该四极磁铁1需要做好两个方面的标定：一方面，需通过三坐标机等设备标定基准件2 与机械中心的位置关系，标定的精度可达3μm，该标定方法成熟可靠，简单易行；另一方面，通过振动线旋转式磁中心测量方法标定出四极磁铁1磁中心与机械中心的位置关系，该标定精度可达3μm，该标定过程可在清华大学研制的振动线旋转式磁中心测量装置上实现。通过以上两方面可实现该四极磁铁1磁中心与机械中心的位置关系的确认，通过测量外部基准即可得知其磁中心位置的功能。
本发明中丝线振动监测系统应用振动线技术定位丝线位置，是将传统振动线方法的丝线测磁反向应用，本发明应用磁场定位丝线。振动线技术是一种非常敏感的磁场探测技术，该技术基于通交流电的导线受到变化的洛伦兹力驱动产生振动，当交流电信号的频率等于导线的某阶固有振动频率时，由于共振导线的振幅增大，测量振动的灵敏性较高。当用四极磁铁 1寻找丝线位置时，通过线振动激励装置给丝线通某阶固有振动频率的交流信号，用传感器测量丝线的振动并转化为电压信号，通过信号采集装置进行采集，通过磁铁位置调整机构4 移动四极磁铁1，寻找到磁中心与丝线重合的位置即可。这样就完成了四极磁铁1磁中心位置与丝线位置的一致，实现了丝线位置的定位，由此实现了通过测量四极磁铁1的基准件2 即可知丝线位置的功能。线振动激励装置可为信号发生器，给待测的丝线通入一定幅值的与丝线某阶固有频率相同的交流信号。传感器可以使用光电传感器，其输出电压与导线位置呈线性关系。
基于上述，本实施例还提供一种基于四极磁铁和振动线技术的的丝线定位方法，如图2 所示，步骤详细如下：
1、通过三坐标机标定上述丝线定位装置的基准件2与四极磁铁1机械中心的位置关系，标定的精度可达3μm；
2、通过振动线旋转式磁中心测量方法标定出四极磁铁1磁中心与机械中心的位置关系，该标定精度可达3μm；
3、将整个丝线定位装置初步安装到待测丝线处，完成安装后四极磁铁1的机械中心大致位于丝线上，不要求高精度，调整磁铁位置调整机构4使四极磁铁1磁中心移动到丝线位置上；调节两个传感器，将传感器的位置调整到工作区覆盖丝线振幅的位置上；
4、通过信号发生器给待测丝线通一定幅值的与丝线某阶固有频率相同的交流信号，给四极磁铁1通电产生磁场，丝线受到洛伦兹力的驱动发生振动；
5、沿着水平方向调节四极磁铁1的位置，以微米级运动量缓慢移动，通过信号采集装置接受并观察第一传感器5输出的振动信号，当振动的振幅为0时停止移动；
6、沿着竖直方向调节四极磁铁1的位置，以微米级运动量缓慢移动，通过信号采集装置接受并观察第二传感器6输出的振动信号，当振动的振幅为0时停止移动，此时四极磁铁1 磁中心位置与丝线位置重合，完成丝线位置的定位；
7、通过测量四极磁铁1的基准件2即可对丝线定位。
前两步对四极磁铁的磁中心和机械中心进行高精度标定，在以后的丝线定位测量过程中无需再进行标定，可作为标准参考直接应用。在四极磁铁与丝线的位置关系的标定中，由于丝线与激励信号处于共振状态，测量的灵敏性很高，能够高分辨率地通过线振动判定磁铁磁中心与丝线的定位，分辨率小于2μm，可大幅提高丝线定位精度。- 本发明对丝线的高精度定位精度可达4.7μm，整个测量过程简单易行、可靠性高。
Claims (9)
1.一种基于四极磁铁和振动线技术的丝线定位方法，利用一种丝线定位装置对丝线进行定位，该丝线定位装置，包括：
一四极磁铁，其中心含有一磁铁孔，在该磁铁孔内可形成均匀梯度磁场；该四极磁铁外部设有若干基准件；
一磁铁位置调整机构，位于所述四极磁铁底部，以对所述四极磁铁进行水平和竖直方向位置调整；
—丝线振动监测系统，包括：
两个传感器，用于监测丝线在水平和竖直方向上的振幅和相位；
一传感器位置调整机构，用于承载所述两个传感器并可进行位置调整；
一信号采集装置，用于采集所述两个传感器输出的电压信号；
一线振动激励装置，用于给丝线提供特定幅值和频率的交流信号；
该丝线定位方法的步骤包括：
通过标定设备标定所述丝线定位装置的基准件与四极磁铁机械中心的位置关系；
通过振动线旋转式磁中心测量方法标定出四极磁铁磁中心与机械中心的位置关系，完成丝线定位装置的标定；
将所述丝线定位装置安装到待测丝线处，使其四极磁铁机械中心位于所述丝线上，调整其两个传感器到工作区可覆盖丝线振幅的位置上；
给所述丝线通入与该丝线某阶固有频率相同的交流信号，给所述四极磁铁通电产生磁场，使所述丝线在洛伦兹力作用下发生振动；
移动所述四极磁铁在水平和竖直方向上的位置，通过丝线振动监测系统的两个传感器监测丝线在水平和竖直方向上的振幅和相位，当振幅为零时停止移动四极磁铁；
通过测量所述基准件以对丝线定位。
2.根据权利要求1所述的丝线定位方法，其特征在于，所述标定设备包括三坐标机。
3.根据权利要求1所述的丝线定位方法，其特征在于，还包括一磁铁支撑机构，位于所述磁铁位置调整机构下方以进行支撑。
4.根据权利要求1所述的丝线定位方法，其特征在于，还包括一传感器支撑机构，位于所述传感器位置调整机构下方以进行支撑。
5.根据权利要求1所述的丝线定位方法，其特征在于，所述线振动激励装置包括信号发生器。
6.根据权利要求1所述的丝线定位方法，其特征在于，所述四极磁铁为电磁铁或永磁磁铁，该永磁磁铁的磁铁孔内设有屏蔽磁场的结构。
7.根据权利要求1或6所述的丝线定位方法，其特征在于，所述四极磁铁为长方体或圆柱体。
8.根据权利要求1所述的丝线定位方法，其特征在于，所述基准件为靶标，不少于3个。
9.根据权利要求1所述的丝线定位方法，其特征在于，所述传感器包括光电传感器、非接触性位移传感器。
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