磁力式磁强计校准装置的建立

磁力式磁强计校准装置的建立

于翠松 王艳青 褚媛媛 赵子强

中车大连机车车辆有限公司   辽宁大连   116021

摘 要：根据JJF1656-2017《磁力式磁强计校准规范》对校准装置的技术要求，通过研究磁场线圈的设计方法，实际设计并加工一套亥姆霍兹磁场线圈，具有很高的均匀度。在此基础上定制直流稳流电源，组建磁力式磁强计校准装置，并用实验验证了装置的准确性。

关键词：磁场线圈；磁力式磁强计；校准装置；磁场线圈设计。

0 引言

磁强计是磁学领域的主要仪器，主要用于测量各种范围的磁场。其中磁力式磁强计广泛应用于全国交通系统，包括各个铁路局及下属车辆段、地铁系统和各个民航公司等，此外还广泛应用服务于机械、冶金、钢管，汽车、石油、煤炭等国民经济的重要领域，具有很大的经济效益和社会效益。对其进行准确有效的校准就显得尤为重要。

本文的主要内容是建立一套磁力式磁强计校准装置，主要工作包括设计加工磁场线圈，定制直流稳流电源等。

1 磁力式磁强计校准装置的原理和系统实现

1.1校准装置的原理和组成

校准磁力式磁强计的方法是将被校磁强计与标准磁场比较，标准磁场由亥姆霍兹线圈提供。该磁场的磁感应强度与通过的电流大小成线性关系。将线圈的常数标定后，由通过线圈的电流值可计算得出磁场的磁感应强度，可直接作标准磁场使用。

图1 磁力式磁强计校准装置原理图

1.2标准磁场线圈的设计

亥姆霍兹线圈是一对彼此平行且连通的共轴圆形线圈，如图2所示。两线圈内的电流方向一致，大小相同，线圈之间距离d正好等于圆形线圈的半径R。其公共轴线中点附近产生较广的均匀磁场区。在亥姆霍兹线圈轴线上中心0处磁感应强度B0为：

其中：为线圈匝数，为直流电流，为线圈半径，μ0=H/m，为线圈常数。 

图2 亥姆霍兹线圈

磁感应强度值由通过线圈的电流直接决定，通过标定线圈常数，亥姆霍兹线圈几何中心位置的磁感应强度与电流成线性关系。

1.3直流稳流电源的定制 

直流稳流电源输出电流5A，准确度等级0.05级，电流稳定性0.02%/min，电流连续可调。并设有电流换向开关，可改变线圈电流方向及改变磁场极性，电路图如图3所示。

图3 直流稳流电源电路

2不确定度评估与验证试验

2.1 不确定度评估

本文初步评估了用该校准装置校准一台JCZ-10型（10级）磁力式磁强计的不确定度。

2.1.1 测量模型

式中:--被校磁力式磁强计的示值误差，%；

--被校磁力式磁强计的示值，mT；

--磁场标准值，mT；

--磁力式磁强计满度值，mT。

2.1.2测量不确定度来源

（1）被校磁力式磁强计测量重复性引入的不确定度；

（2）被校磁力式磁强计分辨力引入的不确定度；

（3）直流稳流电源最大允许误差引入的不确定度；

（4）亥姆霍兹线圈均匀度引入的不确定度。

2.1.3各输入量的标准不确定度分量的评定

2.1.3.1由被校磁力式磁强计测量重复性引入的不确定度

采用A类方法进行评定。对一台磁力式磁强计，选择1mT校准点，在重复性条件下进行10次连续测量，得到测量列：(单位：mT)

0.985、0.985、0.985、0.985、0.985、0.985、0.985、0.985、0.985、0.985

算术平均值：

单次试验标准差：

实际示值误差计算时，以单次测量值的算术平均值作为测量结果，可得到：

2.1.3.2由被校磁力式磁强计分辨力引入的不确定度

采用B类方法进行评定。被校磁力式磁强计最小分度值为0.1mT，分辨力为0.05mT，服从均匀分布，取包含因子，则由被校磁力式磁强计分辨力引入的不确定度分量为：       

由被校磁力式磁强计分辨力引入的不确定度分量大于由测量重复性引入的不确定度分量，此时应该由前者代替重复性。因此计算合成不确定度时，可略去不计。

2.1.3.3由直流稳流电源最大允许误差引入的不确定度

直流稳流电源在校准点1mT的最大允许误差为：±0.05%×1mT=±0.0005mT，服从均匀分布，取包含因子，则由直流稳流电源最大允许误差引入的不确定度分量为：

2.1.3.4由亥姆霍兹线圈均匀度引入的不确定度

亥姆霍兹线圈在校准点1mT均匀度为：±0.1%×1mT=±0.001mT，服从均匀分布，取包含因子，则由亥姆霍兹线圈均匀度引入的不确定度分量为： 

2.1.4合成标准不确定度的评定

以上各项标准不确定度分量相互独立，所以合成标准不确定度为：

2.1.5.扩展不确定度的评定

取包含因子k=2，

1mT测量结果扩展不确定度(取2位有效数字)k=2

1mT测量结果相对扩展不确定度：k=2

2.2 实验验证结果

采用传递比较法，选择一台JCZ-10型、（0~1）mT磁力式磁强计，用本校准装置对1mT进行自校准，然后再送更高一等级的计量标准进行校准。

依据公式进行验证

    ＜

结论：本校准装置通过验证，符合要求。

3结语

本文介绍了磁强计校准装置的建立及实验验证结果，使用该装置可以满足10级及以下（0~5.5）mT磁力式磁强计的校准。

参考文献

JJF1656-2017磁力式磁强计校准规范

JJF1059.1-2012测量不确定度评定与表示