一种高准确度的标准磁场装置*

徐 昱 / 湖南省计量检测研究院

一种高准确度的标准磁场装置*

徐 昱 / 湖南省计量检测研究院

采用宽频比较仪的电流检测技术，设计了高稳定度和高准确度的电流源，与亥姆霍兹线圈组成了高准确度标准磁场装置，从而实现对磁强计的校准。标准磁场经标定后，上位机软件能自动显示磁通密度，作为标准磁场使用。

宽频比较仪；磁通密度；磁场强度；标准磁场；校准装置

0 引言

磁强计是国内外最通用的检测退磁后工件剩磁状态的检测仪器，还可在铁磁性材料和零部件在加工使用过程中，直接测量被磁化的量，以及经过磁粉探伤后，退磁处理的测量工件剩余磁场的指示。此类磁强计一般为指针式，允许误差为±10%，由于在工件的剩磁测量中方便快捷，企业广泛使用且近年越用越多。磁强计的准确度指标关系到生产和检验的能力，直接决定产品质量。研究磁强计的校准方法，可为企业解决该类产品的量值溯源问题。本项目研究的标准磁场装置，准确度高、操作方便、测量范围达10 mT。不仅可以用于指针式、数字式磁强计的校准，还可用于其他小磁场测量仪器的校准。

1 标准磁场的设计原理

磁强计校准需要高稳定度以及相应量程的标准磁场。标准磁场由磁场线圈、高稳定度电流源和检测部分组成（图1）。磁场线圈是用于在一定空间产生磁场的具有固定结构的绕组器具，是标准磁场的重要组成部分。本装置的磁场线圈采用亥姆霍兹线圈（图2），是由半径、结构完全一样的两个圆线圈组成，线圈平行同轴放置且两轴心间的距离等于其半径（L=R，称为亥姆霍兹条件）。将两个线圈通以同向电流时，磁场叠加增强，并在一定区域形成近似均匀的磁场。两线圈中心点的磁场强度：

图1 标准磁场校准磁强计原理

图2 亥姆霍兹线圈

式中：n— 线圈匝数；

I— 线圈绕组中通过的电流；

R— 线圈半径

由式（1）可以看出，磁场强度随线圈中的电流变化，其他参数均为常数，因此式（1）可写成

式中：K— 线圈常数，即线圈绕组通过单位电流时产生的磁场，单位为1/m。

两线圈中心点的磁通密度

式中：μ0— 空气中的磁导率，μ0= 4 π×10-7N/A2；

由式（2）、（3）可以得到：

单匝绕线产生的磁场理论计算值很准，但是多匝线圈不可避免会引入较大的误差。加上线圈加工引入的误差，中心点磁通密度如果采用理论计算方法得到的值误差会较大，通过标准特斯拉计直接测量的方法标定，可得到更为准确的线圈常数值。

亥姆霍兹线圈、高稳定度电流源主要是提供一个均匀度范围大、稳定度高的恒定磁场。首先校准亥姆霍兹线圈的线圈常数K，对于设计好的线圈，线圈常数是不变的。理论上一个定标点就可以，且可在0 ～ 10 mT范围内任意取一个点来确定。考虑到所用标准特斯拉计的稳定性和灵敏度，取10 mT点为定标点。具体工作过程为：电流源给亥姆霍兹线圈通电，并调节电流使磁场为10 mT，用标准特斯拉计测量线圈中心点的磁通密度B，通过式（4）计算得到线圈常数K。在线圈常数K确定后，亥姆霍兹线圈几何中心位置的磁通密度B与电流成线性关系。亥姆霍兹线圈在结构完全满足要求的情况下，线圈中心处轴长为0.4R、半径为0.2R的圆柱空间内，磁感应强度与中心位置磁感应强度的偏差不大于±3×10-3，或称磁场的均匀度为±3×10-3。

本装置采用0.05级Lakeshore 475特斯拉计定标。测得的磁感应强度数据如表1。

表1 标准特斯拉计测量磁场

表2 电流测量方法比较

2 标准磁场高准确度的实现方法

由于亥姆霍兹线圈磁感应强度由通过线圈的电流决定，因此标准磁场的准确度就取决于电流源电流测量的准确度。国内目前电流测量方法有电阻法、霍尔法和直流比较仪法。各种方法的优劣比较如表2。

目前大部分磁强计校准装置的电流检测一般都是采用标准电阻法。用数字电压表测量磁场线圈回路中标准电阻的电压值，由欧姆定律计算得到回路中的电流值，由式（2）得到磁场的磁感应强度。因受标准电阻发热的限制，不能通过大电流，线圈的磁感应强度范围也受此制约。

直流比较仪测量电流，直流电流源用标准电阻作为取样器，不能测量交流电流。安培级电流年不确定度做到0.05%已是很高水平。

电流源要保持稳定，一般采用负反馈原理，这就要求电流取样器既能取样直流成分，也能取样交流成分，促使电流源动态稳定（如电流从一个量值调到另一个量值），称为宽频电流比较仪测量电流的方法（图3）。本项目研究的标准磁场即采用该方法，对交流成分取样，实现电流源的高准确度和高稳定度（年不确定度可达10-6级）。

图3中Ip为被测电流。Us与Ip成正比，通常为1 V左右。频率范围：DC-50 kHz；比例准确度：10 ×10-6以内；最大电流测量可达数万安培。

图3 宽频电流比较仪原理

3 标准磁场准确度测试

3.1 直流稳流电源的准确度与稳定度

用8位半的数字多用表FLUKE8508测量直流稳流电源的输出电流，数据如表3所示。

表3 稳流电源的准确度

由表3数据可以看出电流源的准确度达5×10-4。

由数字多用表FLUKE8508自动测量该电流源1 min稳定度为1.4×10-5。

3.2 数据比较

标准磁场校准磁通门计数据与国家院校准磁通门计证书比较（磁通门计，型号规格μMAG-01N，测量范围0 ～ 1 999 mGs）（表4、5）。

表4 标准磁场校准磁通门计

表5 磁通门计送中国计量科学研究院校准

中国计量科学研究院校准磁强计所用计量标准为恒定弱磁场标准，测量范围为0 ～ 0.1 mT，0.02 mT以下U= 1 nT（k= 3）；0.02 ～ 0.1 mT，U= 0.5 nT（k= 3）。由于磁通门磁强计在200 ～ 2 000 mGs量程的分辨力为1 mGs，因此在200 mGs点，分辨力引入的测量不确定度为0.5%；在1 000 mGs点，分辨力引入的测量不确定度为0.1%。测量值越大，分辨力对总的测量不确定度贡献越小。对比表4、表5中的数据，在300 mGs以上，该标准磁场与中国计量科学研究院的测量结果的相对误差非常接近，证明该装置的测试数据可靠。

4 结语

磁强计的准确度指标关系到生产和检验的能力，直接决定产品质量。研究磁强计的校准方法，可为企业解决该类产品的量值溯源问题。该标准磁场装置只需用标准特斯拉计标定后即可在计算机软件直接显示磁感应强度值。磁场的范围为0 ～ 10 mT，磁场的准确度和稳定度分别达到5×10-4和2×10-5。

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The research of high accuracy standard magnetic fi eld device

Xu Yu
（Hunan Institute of Metrology and Test）

Broadband comparator fl ow detection technology was adopted to design the high stability and high precision current source, and the helmholtz coil of the high accuracy standard magnetic field device, so as to realize the calibration of the magnetometer. After calibration, PC software can automatically display of magnetic induction intensity value, It can be used as a standard magnetic fi eld.

broadband comparator; magnetic flux density; magnetic intensity ; standard magnetic fi eld device; calibration device

湖南省质量技术监督局科研项目（2013KJJH35）