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磁场测量


磁场测量 1. 概述
磁参量计量包括:磁参量基标准的建立、磁量具与磁场测量仪器的检定、各类 磁测现象的研究,以及应用中的磁参量测试工作。目前,我国的磁参量计量基标准 基本可满足主要磁量具和测量仪器的检定和校准。对磁量具和测量仪器的检定作为 磁参量量值传递系统的中间环节,其准确性、稳定性和检定方法的先进性决定了磁 参量的量传和溯源体系的先进性和有效性;同时,亦可保障各种工

作磁量具和测量 仪器的性能的准确、稳定和有效。针对常用的磁量具:特斯拉计和磁通计的检定、 校准, 天恒测控公司推出了 TD8850 特斯拉计检定装置 和 TD8980 磁通计校准仪二 款检定设备,以下是关于磁场计量和磁通计量的说明,以及天恒的二款磁参量校准 仪器的详细介绍。

2. 磁场计量
磁场的大小可以用磁感应强度表征, 又可称为磁通密度, 是表示磁体在其周围 空气产生影响大小的量。符号为 B,单位 T (特斯拉)或 G (高斯),磁场可以通过磁 场线圈、永磁体、电磁铁、超导磁体等方式获得。 目前测量磁感应强度通常采用霍尔效应法。 霍尔效应: 当电流垂直于外磁场通 过导体时,在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差(原理如 下图 1)。特斯拉计(也称高斯计)就是根据霍尔效应原理制成的测量磁感应强度 的仪器,它主要由霍尔探头和测量仪表构成。目前对各类型的特斯拉计的检定和校 准成为了磁学计量的重要环节。

图 1. 霍尔效应原理图

2.1 关于特斯拉计的检定 目前对特斯拉计的检定主要遵循《JJG 242-1995 特斯拉计检定规程》。此规程 中给出检定特斯拉计的基本步骤:“零位测定”、“校准磁场的测定”、“基本误差的测 定”。 1、对于“零位测定”要求磁场趋近于零,这对“零磁场”的构建及屏蔽材料的选用有较 高的要求。 2、对于带“校准磁场”的特斯拉计,检定“校准磁场”对标准特斯拉计的精度和标准磁 场的稳定度有较高的要求。 3、“基本误差的测试”给出了同时比较和替代比较二种方法。 a、同时比较是将标准和被检探头置于同一磁场中,对比二者的示值。此方法须 将二探头置于同一磁场区,且需保持一定距离,对磁场均匀度有较高的要求。 b、 替代比较法是用标准和被检探头轮换测量同一位置的标准磁场, 此方法对磁 场的稳定度有较高的要求。

2.2 针对规程中的检定要求,天恒测控推出了 TD8850 特斯拉计检定装置(如下图所 示)

1、TD8850 是一款高精度、功能齐全、智能化的特斯拉计检定装置。该装置中的高 精度直流电流标准源输出高稳定度的标准电流通过亥姆霍兹线圈(0~11mT)、标 准线圈( 0~110mT )、电磁铁( 0~2.5T )等励磁机构产生恒稳磁场,其量值通过亥姆 霍兹线圈常数、标准线圈常数以及标准特斯拉计(0.05 级)进行溯源。 2、 霍尔探头位置控制器可将霍尔探头精准定位至磁场均匀区, 消除位置和角度影响; 使用零高斯屏蔽腔可对标准特斯拉计和被检特斯拉计进行零点校准,其精度优 于 100 nT。 3、该装置完全符合《 JJG 242-1995 特斯拉计检定规程》 系统应用示意图如下:

各励磁装置说明
磁场类 励磁装置 型 内磁场:< —— 1×10-6 T 亥姆霍兹线圈 弱磁场 DC,±11 A 0 ~ ±33 mT 径向、轴向探头 励磁电流 磁场范围 被检探头类型

零高斯屏蔽腔

零磁场

径向、轴向探头

标准磁场线圈

中磁场

DC,±11 A

0 ~ ±110 mT

轴向探头

电磁铁 备注

强磁场

DC,±25 A

0 ~ ±2.5 T

径向探头

电磁铁配 TD8680 作为磁场计量标准,其他磁场可视为标准磁场

3. 磁通计量
磁通是通过某一曲面的总磁力线数,它是表示物体在空间某处接受到的磁性, 符号为 Φ,单位为韦伯或麦克斯韦。磁通是磁感应强度的面积分,可通过以下公式 计算: Φ = ∫ B·cosθ dS

若 B 均匀,S 是平面并与 B 垂直时,通过 S 平面的磁通为:Φ = B·S 目前较流行的测量磁通的仪器为数字磁通计,如下图所示:

3.1 关于磁通计的检定

目前磁通计量主要遵循《 JJG 317-1983 磁通表检定规程》,传统的检定磁通量 具的方法为:冲击比较法:将被检磁通表的示值与标准线圈的磁通量进行比较,根 据公式 Φ=ΔI*MN 进行检定。(MN 为互感线圈标称值)。 冲击法对标准互感线圈 的要求较高,须满足ΔI*MN ≥ Φmax (Φmax 为磁通计的测量上限),且对检定小于

10mWb 以下量限对线圈的要求更高。该方法对检定环境要求较高,且检定步骤过 于繁琐,不适合检定数字磁通计。

3.2 传统检定方法中所遇的问题,天恒测控推出了 TD8980 磁通计校准仪

1、TD8980 的检定方法采用伏秒定标法( Wb=V?s):使用标准伏秒发生器所产生的 标准伏秒(韦伯)信号,由该信号与使磁通表偏转示值相比较,实现对磁通表的校准。 2、该方法由一台设备直接输出高精度磁通信号,与传统方法繁琐的检定过程相比, 不仅更加精准,且具有高效便捷的特点。 3、TD8980 磁通计校准仪内部具有高稳定度电压源(稳定度优于 50ppm)、高精 度可调节定时器(稳定度优于 10ppm);通过标准伏秒发生器对电压和时间进行积 分,可产生高精度的磁通信号,最高等级可达 0.05 级,可检定 0.2 级及以下的各类 型磁通计。 系统应用示意图如下:

4、总结
TD8850 特斯拉计检定装置和 TD8980 磁通计校准仪是天恒测控公司在充分研 究了现有的磁学计量的现状,发挥了自身强大的科研实力,整合了公司多年的磁学 和电学研究成果,研制的磁参量检定、校准的解决方案。该方案非常适合省级以上 计量部门组建磁参量计量标准。


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