留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于磁通调制法的强磁场计量技术研究

张宇博 李准 鲁云峰 贺青

张宇博,李准,鲁云峰,等. 基于磁通调制法的强磁场计量技术研究[J]. 计量科学与技术,2023, 67(6): 22-28, 62 doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0138
引用本文: 张宇博,李准,鲁云峰,等. 基于磁通调制法的强磁场计量技术研究[J]. 计量科学与技术,2023, 67(6): 22-28, 62 doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0138
ZHANG Yubo, LI Zhun, LU Yunfeng, HE Qing. Research on Metrology Techniques for Strong Magnetic Fields Using the Magnetic Flux Modulation Method[J]. Metrology Science and Technology, 2023, 67(6): 22-28, 62. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0138
Citation: ZHANG Yubo, LI Zhun, LU Yunfeng, HE Qing. Research on Metrology Techniques for Strong Magnetic Fields Using the Magnetic Flux Modulation Method[J]. Metrology Science and Technology, 2023, 67(6): 22-28, 62. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0138

基于磁通调制法的强磁场计量技术研究

doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0138
基金项目: 国家重点研发计划项目(2022YFF0706902)。
详细信息
    作者简介:

    张宇博(1997-),中国计量科学研究院在读研究生,研究方向:电磁计量,邮箱:zhangyboz@163.com

    通讯作者:

    李准(1980-),中国计量科学研究院高级工程师,研究方向:低温物理,邮箱:lizhun@nim.ac.cn

  • 中图分类号: TB972

Research on Metrology Techniques for Strong Magnetic Fields Using the Magnetic Flux Modulation Method

  • 摘要: 恒稳强磁场在科学研究、生物医疗和材料科学等领域发挥着举足轻重的作用。针对超强磁场难以测量和溯源等问题,采用基于磁通调制原理的强磁场测量方法研制了高稳定强磁场测量装置,通过开发信号调理电路,利用锁相原理获得最佳信噪比,最终获得与被测强磁场磁感应强度相对应的感应电动势值。采用标准磁场对测量装置的线圈常数标定后,该线圈常数可作为传递标准,实现超强磁场的测量和校准。对1~7 T范围内超导强磁场开展测试和比对,并对测量装置及线圈常数进行了详细的不确定度分析评估,结果表明,1~7 T磁场测量的偏差优于0.083%,测量装置引入的相对不确定度达到3×10−4,这对于超强磁场的测量有重要的参考意义。
  • 图  1  强磁场测量系统示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of strong magnetic field measurement system

    图  2  信号处理流程

    Figure  2.  Signal processing procedure

    表  1  分压电阻阻值与分压比

    Table  1.   Resistance and ratio of voltage divider

    固定电阻R1可调电阻R2分压比(R1+R2)/R2
    100012.13911110.26610.00178
    5262.64720.00415
    3447.73730.00806
    2563.86440.00838
    2040.86550.00478
    1694.98860.00464
    1448.98070.02243
    下载: 导出CSV

    表  2  测量装置对磁场影响

    Table  2.   Impact of measurement device on magnetic field

    磁体 装置放入磁体 装置取出
    磁感应强度/T 2.0039095 2.0039888 2.0039093
    下载: 导出CSV

    表  3  2 T标准磁场磁感应强度

    Table  3.   Magnetic induction intensity of 2 T standard magnetic field

    磁感应强度/T2.00367802.00367872.0036787
    2.00367672.00367602.0036775
    2.00367822.0036769
    2.00367612.0036762
    平均值/T2.0036773
    分散性5.29×10−7
    下载: 导出CSV

    表  4  感应电动势值

    Table  4.   Induced electromotive force values

    感应电动势值/mV 79.372 79.293 79.552
    79.495 79.524 79.439
    79.540 79.582 79.366
    79.544 79.413 79.378
    79.331 79.357 79.620
    79.532 79.536 79.482
    79.386 79.355
    平均值/mV 79.455
    平均值相对标准差 2.71×10−4
    下载: 导出CSV

    表  5  磁场测量结果

    Table  5.   Magnetic field measurement results

    测量
    组数
    核磁共振仪
    标准值/T
    原始的电动势
    (幅值)/V
    磁感应强度
    计算值/T
    相对误
    差/%
    1 0.9963256 1.11865 0.99715 0.083
    2 2.0040518 2.24709 2.00304 -0.051
    3 3.0031943 3.36687 3.00121 -0.066
    4 4.0026359 4.48698 3.99967 -0.074
    5 4.9941496 5.59935 4.99123 -0.059
    6 5.9943002 6.72875 5.99797 0.061
    7 6.9960330 7.85282 6.99996 0.056
    下载: 导出CSV

    表  6  分压电阻的不确定度汇总表

    Table  6.   Uncertainty components summary for voltage divider resistance

    电阻阻
    值/Ω
    分散性引入不
    确定度uA
    数字万用表引入
    的不确定度uB
    合成不确
    定度uR
    相对不确
    定度/uRrel
    1000000.0540.4620.4654.65×10−6
    111110.1060.0510.1181.06×10−5
    52630.0500.0260.0561.07×10−5
    34480.0370.0180.0411.20×10−5
    25680.0210.0140.0259.86×10−6
    20410.0190.0120.0231.11×10−5
    16950.0020.0080.0084.62×10−6
    14490.0030.0070.0074.93×10−6
    下载: 导出CSV

    表  7  分压比例的不确定度汇总表

    Table  7.   Uncertainty components summary for voltage divider ratio

    分压
    比例
    n:1)
    电阻R1引入的
    不确定度uR1rel
    电阻R2引入的
    不确定度uR2rel
    分压比不
    确定度uαrel
    104.65×10−61.06×10−51.16×10−5
    201.07×10−51.17×10−5
    301.20×10−51.29×10−5
    409.86×10−61.09×10−5
    501.11×10−51.20×10−5
    604.62×10−66.56×10−6
    704.93×10−66.78×10−6
    下载: 导出CSV

    表  8  线圈常数的不确定度分量汇总表

    Table  8.   Uncertainty component summary for coil constant

    不确定度来源符号评定方法标准不确定度
    测量分散性uErelA2.71×10−4
    标准磁场uBrelB6×10−5
    电阻分压比uαrelB1.17×10−5
    下载: 导出CSV

    表  9  指零仪的不确定度分量汇总表

    Table  9.   Uncertainty component summary for null meter

    不确定度来源评定方法标准不确定度/mV
    uV1读数分散性A0.096
    uV2分辨率不足B0.003
    uV3非线性B0.01
    下载: 导出CSV

    表  10  测量装置的不确定度分量汇总表

    Table  10.   Uncertainty component summary for measuring device

    不确定度来源 符号 评定方法 相对标准不确定度
    分压网络 uαrel A, B 1.29×10−5
    线圈常数 uNSrel A, B 2.78×10−4
    指零仪 uVrel A, B 8.63×10−5
    探头剩磁对磁场的畸变 u1rel B 2.29×10−5
    温度变化 uCrel B 5.8×10−5
    合成标准不确定度 urel 3×10−4
    下载: 导出CSV
  • [1] 匡光力, 邵淑芳. 稳态强磁场实验装置及其科学研究[J]. 现代物理知识, 2018, 30(6): 46-55. doi: 10.13405/j.cnki.xdwz.2018.06.012
    [2] 韩小涛, 张绍哲, 魏文琦, 等. 平顶脉冲强磁场技术及其应用[J]. 电工技术报, 2022, 37(19): 5021-5034.
    [3] Li Z, Ouyang Z, Leng Z, et al. Precise Strong Magnet Measurement Method Based on Magnetic Flux Modulation Principle[J]. Electronics, 2022, 11(6): 970. doi: 10.3390/electronics11060970
    [4] 张会云. 霍尔效应的发展及应用[J]. 纺织高校基础科学学报, 2002(1): 75-79. doi: 10.3969/j.issn.1006-8341.2002.01.021
    [5] 刘雪梅. 霍尔效应理论发展过程的研究[J]. 重庆文理学院学报(自然科学版), 2011, 30(2): 41-44.
    [6] Stormer H L. Nobel lecture: the fractional quantum Hall effect[J]. Reviews of Modern Physics, 1999, 71(4): 875. doi: 10.1103/RevModPhys.71.875
    [7] 杨振. 10 T稳态磁场下秀丽隐杆线虫生殖细胞异常及铁离子调控机制研究[D]. 合肥: 中国科学技术大学, 2019.
    [8] 彭涛, 辜承林. 强磁场发展动态与趋势[J]. 物理, 2004(8): 570-573. doi: 10.3321/j.issn:0379-4148.2004.08.005
    [9] 匡光力, 邵淑芬. 稳态强磁场技术及科学意义[J]. 科技导报, 2018, 36(19): 93-96.
    [10] Ren Y, Kuang G, Chen W. Analysis of the magnetic forces generated in the hybrid magnet being built in China[J]. Journal of Fusion Energy, 2015, 34: 733-738. doi: 10.1007/s10894-015-9876-9
    [11] 茹宁, 刘小赤, 蒋志远, 等. 基于原子拉比共振的自由空间微波磁场探测研究[J]. 计量技术, 2020(5): 19-24.
    [12] Hanai S, Tsuchihashi T, Ioka S, et al. Development of an 11 T BSCCO insert coil for a 25 T cryogen-free superconducting magnet[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2017, 27(4): 1-6. doi: 10.1109/TASC.2017.2684059
    [13] Weijers H W, Markiewicz W D, Gavrilin A V, et al. Progress in the development and construction of a 32-T superconducting magnet[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2016, 26(4): 4300807.
    [14] 蔡传兵, 池长鑫, 李敏娟, 等. 强磁场用第二代高温超导带材研究进展与挑战[J]. 科学通报, 2019, 64(8): 827-844.
    [15] Liu J, Wang Q, Qin L, et al. World record 32.35 tesla direct-current magnetic field generated with an all-superconducting magnet[J]. Superconductor Science and Technology, 2020, 33(3): 03LT01. doi: 10.1088/1361-6668/ab714e
    [16] Yanagisawa Y, Hamada M, Hashi K, et al. Review of recent developments in ultra-high field (UHF) NMR magnets in the Asia region[J]. Superconductor Science and Technology, 2022, 35(4): 044006. doi: 10.1088/1361-6668/ac5644
    [17] Dey P, Shukla R, Venkateswarlu D. High magnetic field measurement utilizing Faraday rotation in SF11 glass in simplified diagnostics[J]. Applied Optics, 2017, 56(10): 2873-2877 doi: 10.1364/AO.56.002873
    [18] Zhang F, Yan X, Zhang X, et al. Numerical analysis of magnetic field measurement based on Faraday rotation in a no-core tellurite fiber[J]. Optical Fiber Technology, 2021, 63: 102536. doi: 10.1016/j.yofte.2021.102536
    [19] 王月媖, 许高斌, 王超超, 等. 平面扭转式强磁场测量微传感器的设计与分析[J]. 合肥工业大学学报(自然科学版), 2020, 43(10): 1352-1356.
    [20] Huang Y, Jiang L, Lei H, et al. An improved measurement scheme of the large-caliber steady-state magnetic-field testing system for ITER[J]. AIP Advances, 2021, 11(11): 115125. doi: 10.1063/5.0066136
    [21] 贺青, 邵海明, 梁成斌. 电磁计量学研究进展评述[J]. 计量学报, 2021, 42(11): 1543-1552. doi: 10.3969/j.issn.1000-1158.2021.11.21
    [22] 张钟华, 王登安, 胡智. 我国的超导强磁场测试标准[J]. 电测与仪表, 1989, 12: 3-8.
    [23] 王少华. 磁共振成像仪磁场计量标准及溯源技术研究[D]. 保定: 河北大学, 2014
    [24] 张杉. 基于线圈旋转法的超导强磁场测量方法研究[D]. 青岛: 青岛大学, 2021.
    [25] 唐统一. 近代电磁测量[M]. 北京: 中国计量出版社, 1992: 310-315.
    [26] 黄剑平, 穆瑞珍, 林海峰. 基于电磁感应法的交变磁场测量电路设计[J]. 传感技术学报, 2018, 31(2): 202-206. doi: 10.3969/j.issn.1004-1699.2018.02.008
    [27] 刘国稳. 数字锁相放大器优化设计与实现[D]. 衡阳: 南华大学, 2016.
    [28] Macias-Bobadilla G, Rodríguez-Reséndiz J, Mota-Valtierra G, et al. Dual-phase lock-in amplifier based on FPGA for low-frequencies experiments[J]. Sensors, 2016, 16(3): 379. doi: 10.3390/s16030379
    [29] 伏吉庆, 张伟, 贺青. 磁感应强度基准技术评述[J]. 计量学报, 2019, 40(4): 700-703. doi: 10.3969/j.issn.1000-1158.2019.04.25
    [30] 费业泰. 误差理论与数据处理[M]. 第六版. 北京: 机械工业出版社, 2010: 82-88.
    [31] 倪育才. 实用测量不确定度评定 [M]. 第六版. 北京: 中国标准出版社, 2020: 78-102.
    [32] 贾伟广, 朱丽萍, 于建清, 等. 电磁海流计实验水槽流场校准技术研究[J]. 计量科学与技术, 2021, 65(4): 45-48.
    [33] 贾正森, 王磊, 张江涛, 等. 交流约瑟夫森量子电压在电磁计量中的应用[J]. 计量科学与技术, 2020(8): 44-50, 60. doi: 10.3969/j.issn.1000-0771.2020.08.09
    [34] 沈平子, 贺青, 张钟华, 等. 电磁计量单位制沿革[J]. 计量技术, 2019(5): 36-42, 80.
  • 加载中
图(2) / 表(10)
计量
  • 文章访问数:  188
  • HTML全文浏览量:  78
  • PDF下载量:  39
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2023-05-18
  • 录用日期:  2023-05-26
  • 修回日期:  2023-06-19
  • 网络出版日期:  2023-07-28
  • 刊出日期:  2023-06-18

目录

    /

    返回文章
    返回