线圈测量系统信号装备释解

CSNS／RCS四极磁铁旋转线圈测量系统

随着近年来测量技术的发展，虚拟技术已成为重要的发展方向。传统的仪器功能是通过硬件来实现的，而虚拟仪器的测控功能却是通过软件编程来实现，用户通过修改软件即可实现功能完全不同的各种仪器测试，以满足多样化的应用需求。在研制CSNS／RCS四极磁铁旋转线圈磁场测量系统时，以大量程、高采样率、高精度动态信号采集设备为基础，用于实现电压信号的采集功能，编写编码器信号识别软件以实现积分器5140模块的触发功能，使用软件的数字积分功能来实现积分器5150模块的积分功能，软、硬件结合后即构成了功能完全与积分器相同，但在精度、采样率、量程等方面优于传统积分器的新设备。采集设备和控制设备的硬件组合磁场测量系统的精度很大程度上依赖于信号采集设备的精度。本磁场测量系统采用软件代替部分硬件功能的方案，要求信号采集设备不仅具有大动态量程范围、高分辨率和高采样率，还必须具有一定数量的采集通道，且每个采集通道具备同步采集功能，另外，还需考虑采集设备和电机运动控制设备的兼容性。对市场上信号采集设备的功能经过比较及一系列采集测试后，本工作最终选用美国国家仪器有限公司的PXI－4462动态信号采集卡，其主要参数列于表2［7］。图1为测量系统在实现直流磁场测量时的系统框图。磁铁电流的升降通过PXI－6509数字I／O卡远程控制，使用直流电流传感器（DCCT）监测电流变化，并用Agilent34401数字电压表准确读取相应电流的电压值。PXI－7354卡是一高精度电机控制卡，用于控制伺服电机通过连接轴带动测量线圈做旋转运动。在连接轴上套有高分辨率圆光栅，该光栅的空间角度信号通过四倍细分的读数头分两端口输出，一端口闭环到PXI－7354运动控制卡上，另一端口信号被PXI－4462获取。PXI系列板卡插在PXI－1042机箱内的插槽中，通过机箱内PXI总线进行实时快速通讯。PXI机箱上配有高速数字总线，以用于运动控制设备和数据采集设备间的时钟同步和触发采集。PXI机箱上每个板卡所接受的时钟均是同一相位且当运动控制卡控制电机运动到某个位置时，编码器返回的位置信号一旦符合设定的位置条件，将发出1个中断信号。该信号可作为数据采集卡采集信号的触发条件，使采集卡能实时采集所需数据。信号采集及处理将测量线圈准确放置在磁铁孔径后，电机带动测量线圈由零位开始旋转［2］，当线圈平面的引出刻线第1次转回到零位时，PXI－4462采集设备3个通道同时采集内外线圈电压信号及编码器的信号，当引出刻线第2次转回到零位时停止采集。在采集过程中使用TDMS格式文件对3个通道大量的动态信号进行实时快速存储。在信号采集完成后，读取3个通道的存储数据，通道1和通道2分别记录了外线圈和内线圈旋转1周产生的线圈感应电压信号，通道3的信号为角度编码器旋转1周所产生的8192个TTL逻辑电平信号。3个通道的信号被缓存在3个大小相同的数组中，且3个数组在同一索引处的3个元素由信号采集设备同一时刻采集，通过识别角度编码器的信号即可获得内外线圈感应电压获取时所处的空间位置。编写程序以识别通道3的TTL逻辑电平信号，选定电平的上升沿为触发点，共有8193个触发点，第i个触发点对应ti时刻，这样通道1和通道2的信号被划分为8192段。采用LabVIEW开发编码器信号识别程序及整个系统的测量程序。通过LabVIEW编写程序并与PXI硬件设备相结合能完全实现CSNS／RCS交流四极磁铁的交、直流磁场测量任务。在测量系统调试时，根据不同的测量要求修改相应的软件，系统调试更加灵活高效，大幅提高了工作效率。

测量系统误差及可靠性分析

信号采集设备是测量系统的执行机构，它们的性能好坏对磁场测量结果起着重要作用。为了检验采集设备在实际测量中采集的结果是否精确可靠，使用一标准信号源以0．1V为步长，提供从0V到10V一系列电压信号，使用PXI－4462对电压信号进行采集。图2示出每个电压信号下的标准偏差分布。在检验PXI－4462采集设备时，既检验了不同输入电压下测量结果的偏差，又检验了不同量程下同一输入电压的测量偏差、周围环境温度差异、长时间运行时的测量误差等。测试结果表明，该系统稳定可靠，满足磁场测量要求。CSNS／RCS四极磁铁测量系统采用新的硬件设备及测量方案对磁场进行测量，但其测量结果的准确性与可靠性需通过实验进行检验。中国科学院高能物理研究所磁测实验室的常规旋转线圈测量系统曾承担过国际、国内许多加速器工程项目的磁铁测量，其性能稳定性和可靠性已得到广泛的认可。因此，为验证新研制的测量系统的准确性，使用同一测量线圈、同一电机驱动机构及支架，分别由基于PXI－4462测量系统和基于PDI－5025积分器的常规图3两套测量系统测量的高次谐波对比Fig．3Comparisonofmeasuredhighorderharmoniccomponentsbetweentwomeasurementsystems测量系统对同一块常规磁铁进行磁场测量。在不同电流下经多次测量分析对比，基于PXI－4462的测量系统测量的高次谐波的重复性误差小于1×10－5，积分场重复性误差小于2．32×10－5。在多个电流下两套测量系统测量的各阶高次谐波的差异均小于2×10－5。图3为磁铁在270A的工作电流下，两套测量系统测量的高次谐波结果对比。通过对新系统的测量结果的准确性和重复性测试分析，CSNS／RCS四极磁铁测量系统的性能能满足磁场测量要求，可用于CSNS／RCS四极磁铁直流磁场测量。

结语

本文借鉴PDI－5025积分器的工作模式，采用新的测量方案成功地对积分器进行了替代。长时间的运行结果表明：新研制的测量系统不仅能准确进行磁场测量，且在采样率、量程、精度方面均优于常规测量系统。目前该系统已成功完成了CSNS／RCS四极磁铁交、直流磁场的全面检验，其可靠性和稳定性通过了工程实践的检验。

作者：周建新 李藜 康文 邓昌东 尹宝贵 傅世年 单位：中国科学院