LABVIEW 技術(shù)在加速器磁場(chǎng)測(cè)量中的應(yīng)用

磁場(chǎng)精密測(cè)量在加速器技術(shù)中是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。在加速器建造、調(diào)束和運(yùn)行過程中必須了解磁鐵參數(shù)，才能確保加速器的性能。通常，這些參數(shù)應(yīng)包括它的有效長(zhǎng)度、場(chǎng)強(qiáng)及高次諧波。由于磁鐵材料和加工制造等原因不可避免的帶來批量磁鐵性能上的差異，這就要求對(duì)每塊磁鐵在不同電流下進(jìn)行積分測(cè)量和場(chǎng)分布測(cè)量，因此，對(duì)磁鐵的磁場(chǎng)測(cè)量提出了要求：精密、穩(wěn)定、快速、自動(dòng)化。

1999年初至2002年6月中科院高能物理研究所與美國(guó)SLAC實(shí)驗(yàn)室的所際國(guó)際合作項(xiàng)目即SPEAR3同步光源改造項(xiàng)目，高能所為SPEAR3加工制造292塊磁鐵并進(jìn)行全部磁場(chǎng)測(cè)量，這些磁鐵包括：二極磁鐵、四極磁鐵、六極磁鐵、H/V校正二極磁鐵。加速器中心磁鐵組承擔(dān)了全部的磁鐵測(cè)量工作。

為了完成美國(guó)SPEAR3 工程項(xiàng)目中102塊四極磁鐵、76塊六極磁鐵以及74塊H/V校正二極磁鐵的磁場(chǎng)測(cè)量工作，根據(jù)美方的磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)要求，自1999年底開始調(diào)研、設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)線圈測(cè)量系統(tǒng)，編寫磁鐵勵(lì)磁電源控制、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析軟件。為了保證磁鐵測(cè)量工作的順利完成，盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)接插件，組成了以美國(guó)NI公司的NI-PCI-GPIB控制卡、步進(jìn)電機(jī)控制卡和轉(zhuǎn)接卡以及研翔公司的數(shù)字I/O板PCL-730等硬件標(biāo)準(zhǔn)接插件為主，LabVIEW為軟件開發(fā)環(huán)境的一套自動(dòng)化、穩(wěn)定性較高的用于美國(guó)磁鐵旋轉(zhuǎn)測(cè)量測(cè)磁軟件。

二、磁場(chǎng)諧波測(cè)量系統(tǒng)

1、測(cè)量原理：

磁場(chǎng)諧波測(cè)量采用雙線圈差分測(cè)量模式，測(cè)量線圈由主線圈和反抵線圈組成。以四極磁鐵為例，由于高次諧波較小，僅占主四極場(chǎng)的萬分之幾，如果采用單線圈測(cè)量法測(cè)量磁場(chǎng)高次諧波，將很難達(dá)到較高測(cè)量精度，因此，我們采用一個(gè)反抵線圈將主線圈中的二極分量、四極分量抵消，而采用高放大倍數(shù)，只對(duì)剩余的高次諧波進(jìn)行測(cè)量，從而可以提高了測(cè)量精度。將測(cè)量線圈插入磁鐵孔徑中，以恒定的角速度旋轉(zhuǎn)切割徑磁場(chǎng) ，每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)小角度，編碼器就產(chǎn)生一個(gè)脈沖，隨后將旋轉(zhuǎn)線圈感應(yīng)的電壓信號(hào)通過快速付里葉分析（FFT）和數(shù)學(xué)計(jì)算，可以得到磁場(chǎng)高次諧波和基波的比值Bn/B2。

2、系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)：

圖1 磁鐵旋轉(zhuǎn)測(cè)量裝置硬件系統(tǒng)

系統(tǒng)的硬件流程圖如圖1所示。主要包括以下幾大部分組成：

（1）旋轉(zhuǎn)測(cè)量線圈：炮筒式結(jié)構(gòu)。采用雙線圈反抵差分測(cè)量。

（2）角度編碼器。

（3）高精度數(shù)字積分器：PDI 5025。

（4）數(shù)字電壓表：HP34401A。

（5）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器：CMD-260步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為*的微分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，將電機(jī)的機(jī)械整步細(xì)分成許多微步，從而達(dá)到平滑低頻振動(dòng)以及降低噪音。

（6）步進(jìn)電機(jī)控制卡：NI Value Motion。兩軸步進(jìn)開環(huán)控制。

（7）勵(lì)磁電源：300A/150V, 電源穩(wěn)定度好于 1×10-4。

（8）測(cè)量系統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)。

（9）586工控機(jī)。

（10）線圈狀態(tài)選擇器：自行研制。

本系統(tǒng)通過PCI-GPIB標(biāo)準(zhǔn)接口將數(shù)字積分器接收到的被測(cè)磁鐵的感應(yīng)電壓信號(hào)以及數(shù)字多用表獲得的磁鐵勵(lì)磁電源的電壓值傳給計(jì)算機(jī)。586工控機(jī)內(nèi)插有標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，為系統(tǒng)采集、數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)提供了方便，保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)文件可直接打印出來。監(jiān)控計(jì)算機(jī)可通過局域網(wǎng)實(shí)時(shí)查看當(dāng)前測(cè)量數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，以便快速地解決測(cè)量中出現(xiàn)的問題并及時(shí)反饋給操作者。

三、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)：

旋轉(zhuǎn)線圈測(cè)量軟件全部在LabVIEW 5.1 for Windows98 環(huán)境下開發(fā)。LabVIEW是一個(gè)高效的圖形化編程系統(tǒng)，直觀明了的前面板用戶人機(jī)界面和流程圖式的編程風(fēng)格，有機(jī)的將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與儀器系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合并提供內(nèi)容豐富的高級(jí)分析庫，開發(fā)者可通過自定義和連接不同的功能模塊的圖標(biāo)來方便快速地建立自己的應(yīng)用程序。旋轉(zhuǎn)線圈測(cè)量軟件主要是由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、電源控制等幾部分組成。

本文隨后對(duì)上述三部分進(jìn)行了詳細(xì)介紹, 測(cè)量系統(tǒng)的軟件流程框圖如圖2 所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)線圈測(cè)量系統(tǒng)軟件流程圖

1、測(cè)量數(shù)據(jù)采集部分：

測(cè)量數(shù)據(jù)采集部分主要包括被測(cè)磁鐵參數(shù)，如磁鐵水壓、流量、極性、磁鐵號(hào)、標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流、操作者等的輸入；數(shù)字積分器增益的設(shè)置；線圈狀態(tài)的設(shè)定；步進(jìn)電機(jī)方向、速度的控制；原始數(shù)據(jù)的采集，采樣波形的顯示以及勵(lì)磁電源電壓的回采。

我們采用的角度編碼器在零位置（00）產(chǎn)生零位脈沖Zp，在其它位置產(chǎn)生相應(yīng)的序列脈沖Sp，序列脈沖為4096，一周期內(nèi)采集256個(gè)測(cè)量信號(hào)。其操作界面如圖3所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)測(cè)量系統(tǒng)主界面

2、數(shù)據(jù)分析部分：

以四極磁鐵為例，首先讀取原始數(shù)據(jù)，它包括256個(gè)測(cè)量信號(hào)以及勵(lì)磁電源的實(shí)際測(cè)量電壓、電流值。然后用
LabVIEW 提供的高級(jí)分析庫FFT做分解并計(jì)算。在主線圈測(cè)量情況下可得出磁中心偏差、基波B(2)值等；差分測(cè)量可得到高次諧波與基波B(n)/B(2)的比值。圖4所示經(jīng)FFT分析并計(jì)算后的數(shù)據(jù)結(jié)果、磁中心偏差及頻譜分析圖。

圖4 數(shù)據(jù)結(jié)果及頻譜分析圖

3、勵(lì)磁電源控制模塊的主要功能包括三部分：

(1)清零。

(2) 標(biāo)準(zhǔn)化循環(huán)。

(3) 階梯波設(shè)置。

由于磁滯效應(yīng)的原因，使磁鐵對(duì)激磁過程具有記憶力，因此在磁鐵磁場(chǎng)測(cè)量前，應(yīng)先按一定的標(biāo)準(zhǔn)過程對(duì)磁鐵進(jìn)行磁化，以消除過去磁化歷史的影響，我們稱此過程為標(biāo)準(zhǔn)化循環(huán)。

以四極磁鐵為例，磁鐵測(cè)量前首先標(biāo)準(zhǔn)化循環(huán)3遍，循環(huán)的高點(diǎn)Imax= 89A ，電流的上升、下降速度一致，平頂和底部延時(shí)時(shí)間為1分鐘，測(cè)量時(shí)，階梯波電流上升、下降速度與標(biāo)準(zhǔn)化循環(huán)時(shí)的速度基本相同。圖5為標(biāo)準(zhǔn)化循環(huán)及階梯波電流示意圖。

測(cè)量結(jié)束后，程序自動(dòng)彈出對(duì)話框，輸入文件名，保存文件并自動(dòng)結(jié)束程序運(yùn)行。最后我們?cè)賹⑺鶞y(cè)量的數(shù)據(jù)送到Excel表中進(jìn)行離線數(shù)據(jù)匯總、數(shù)據(jù)打印、文件刻錄光盤保存。