特斯拉计探头自动精准定位和校准系统

周萍/厦门市计量检定测试院

0 引言

目前，关于特斯拉计的校准，一般采用比较法，这既要求磁场有一定的均匀稳定性，又要求标准特斯拉计探头与被检特斯拉计探头位置与磁场垂直，而且探头之间的位置要在磁场均匀度范围内，这样才可以避免磁场带来的影响[2]。因此探头位置是非常重要的，以往的探头位置通常是通过手动调整，这样没有那么准确又耗时间。通过设计改进，利用软件自动控制调整探头位置和校准过程。

1 结构

装置主要由高精度直流标准源、磁场线圈、电磁铁、霍尔探头位置控制器（步进电机）、高精度特斯拉计、计算机、磁场中心位置坐标台等组成 （见图1、图2）。

图1 系统结构框图

1.1 霍尔探头位置控制器以及步进电机

霍尔探头位置控制器以及步进电机是调整标准特斯拉计和被检特斯拉计位置的重要组成部分。霍尔探头位置控制器以及步进电机是通过GPIB线进行通信的，整个霍尔探头位置控制器以及步进电机是无磁材料制作的。霍尔探头位置控制器包括控制器和四组霍尔探头数控固定架，每组霍尔探头数控固定架可以在X轴、Y轴、Z轴、W角度对霍尔探头进行4维定位，其中X，Y，Z用于调节表征上下左右前后，W用于调整表征与磁场的角度。X，Y，Z的可调细度为1 mm，误差0.1 mm，W的可调范围±12°，细度1°，误差0.1°。

图2 特斯拉计检定示意图

1.2 标准高精度特斯拉计

本系统采用的标准特斯拉计具低漂移、低噪声、灵敏度高、精度高等优点，保证其作为主标准器的准确性和稳定性，配有多个GPIB端口，便于与PC机通信。此特斯拉计具有直流模式和交流模式等两种磁场测量方式，直接转换输出和DAC输出两种模拟输出方式。主要功能：通过+/-判断N/S极性，测量磁场强度、稳定性，最大值、最小值的测试，温度、频率的测试，自动校零、零点补偿、限值报警等。具体技术指标为：磁场强度范围（0～±3.5）T，0.05级，频率范围1～400 Hz，温度准确度±0.5 ℃。

1.3 高精度直流电流标准源

本装置采用的直流标准源可输出三路电流，分别与电磁铁、标准线圈、亥姆霍兹线圈连接，配有GPIB线路，可精准控制输出的电流，电流输出范围±2.5 mA ～ ±25 A，调节细度 5×10-6RG。

1.4 励磁结构

励磁结构包括三个：电磁铁、标准线圈、亥姆霍兹线圈。电磁铁励磁电流为0～25 A，磁场范围为（0～±2.5） T，可校准或检定径向探头的特斯拉计，电磁铁的输入功率/磁场比小，无需水冷散热亦可长时间稳定，电磁铁底座四脚装有滚轮，与传统固定式相比，方便移动。

亥姆霍兹线圈励磁电流：0～20 A，磁场范围：0～±110 mT（电流为20 A），线圈常数K随温度变化小，最低程度降低了温度对测量的影响。

2 软件程序

在整个校准测试过程中，软件自动控制可以分为两部分：自动精准定位探头和自动校准。软件系统是基于C语言编写的可视化框图模式，C语言代码少，运算快，保障了在精准定位以及测试过程中及时发送指令和依据反馈及时调整。

2.1 特斯拉计探头的精准定位

探头的定位是系统程序通过GPIB卡通信，发送指令给步进电机，步进电机调整探头的位置，首先在零磁场下调整X、Y、Z轴的位置，其中通过激光定位仪（长度）来准确确认中心磁场位置，然后通过3D打印技术打印出无磁材料螺旋圆盘结构精准标定了中心磁场的位置确认后，再自动加微弱磁场调整确认探头与磁场方向的位置，探头的位置反馈回系统，判断是否达到磁场中心位置。流程见图3。

图3 定位流程

2.2 自动校准

自动校准模块是根据JJG 242-1995《特斯拉计》检定规程的要求设计的，包括了所有规程要求的项目。系统通过GPIB端口与高精度直流电源、电磁铁、标准特斯拉计连接进行通信，形成控制和反馈模块，控制磁场达到测试点，在规定的量程内自动进行下一个测试点以及量程切换，测试完自动处理保存数据生成报告。自动校准具体流程见图4。

图4 自动校准系统流程

3 结语

本文介绍了在传统的基础上，通过硬件和软件的结合，自动地调整特斯拉计探头的位置以及根据检定规程自动校准的特斯拉计校准系统。与以前传统手动相比，自动精准定位节省了特斯拉计探头的调整时间，增加了探头位置的准确度，同时，自动根据规程校准节省了时间也解放了人力和减少了校准不确定的因素。