用于加速器磁铁磁场分布测量的全自动点测系统和方法

1.本发明属于磁铁磁场测试领域，特别是涉及一种用于多种类型加速器磁铁磁场分布测量的全自动点测系统和方法。


背景技术：

2.在加速器领域中，磁场是约束粒子行为的主要方法，带电粒子束在磁场中实现聚焦和传输。二极磁铁使束流偏转形成弧线运动路径，四极磁铁用于束流聚焦，六极磁铁、八极磁铁等用于高阶校正，快偏转磁铁用作束流的注入引出。对于设计完成的加速器而言，由于给定了磁铁孔径，也就给定了所允许的磁场误差，这就要求在加工过程中能够严格地控制磁场误差产生，并在最后能够对误差进行检测。各大工程项目有着成百上千台的磁铁，对于种类和数量众多的磁铁，测试方法和测试效率成为了关键。
3.在加速器磁铁测试领域，根据测试要求和测量磁铁的种类，选用不同的测磁装置，包括伸展线、脉冲线、振动线、积分长线圈、旋转线圈、磁场点测平台等很多种。其中，磁场点测平台是最基本的测磁装置。磁场测试时，利用hall探头来扫描磁场，使探头移动到各类磁铁所需测试位置处，获取任意空间磁场分布。根据物理要求的磁场误差大小，要求测量二极磁铁时系统的相对稳定度好于
±1×
10-4
，测量四、六极磁铁时系统的相对稳定度好于
±5×
10-4
。为达到这一目标，需要对所使用的核磁共振仪nmr(nuclear magnetic resonance)、霍尔传感器、数字电压表、恒流源等仪器设备的性能进行全面评价，并且在驱动装置的设计制造和位置测量控制上也要达到相应的精度，以确保测量时位置的重复性，特别是在测量不均匀磁场时可以做到更高的准确性和测试效率。这时精准且高效率的全自动化点测系统成为了测试的关键。
4.目前的点测平台，多存在以下技术问题：
5.1)由三个方向的步进电机的丝杆传动机构组成，丝杆传动的缺点是水平传动时跨距过大，要考虑极限转速和自重下垂变形；同时，梯形丝杠随着使用时间变长则传动间隙也随之变大，回程精度变差，最终影响点测平台的稳定性和精度。
6.2)点测停留于go-stop(点动)模式测量，测量杆到达测试位置后停止运动，由于惯性因素会使得悬臂梁测量杆件产生晃动，因此测量探头每次运动间歇需要一定等待时间，导致测试耗时变长。同时，因环境温度影响着磁铁气隙变化，进而导致磁场变化，因此测试时间过长会影响磁场测试精度。
7.3)点测平台常常使用单个一维霍尔探头测试，当物理要求测试三维磁场时，目前通常考虑使用三个霍尔探头通过机械拼接测试，此方法导致探头空间位置误差较大，且探头之间会产生相互干扰，因此无法满足三维磁场测试的精度。
8.4)点测使用测量杆通常为锥形直筒，由于三维测试平台只能沿着直线或者斜线测试，在测试角度较大弯曲二极磁铁时，经常会面临磁铁本身结构的限制导致测量杆测不能一次测完整个磁场，目前常用的解决方法是将磁铁分为两端测试，吊转磁铁后需要重新准直，这样会大量增加时间成本。
9.5)目前对于磁铁的测试，测试中往往专注于磁场值的数据获取，但对于磁铁内部电流和端部电压的监测较为缺乏。电磁铁的磁场受到电流的影响较大，磁场均匀性测试时，电流如果不稳定，会带来较大的偏差，影响测试精度，因此必须考虑测试中电流值变化对场值的影响，剔除电源对磁场的影响，因此实时监测电流电压必不可少。
10.6)目前hall探头定位到机械中心所用到的方法是：首先激光跟踪仪调平磁铁，然后通过观察将测量探头移到磁铁的外边缘公共点，最后通过外形定位到机械中心。这种方法最大的误差来源于公共点寻找，利用人工辅助定位而未用到精度较高的追踪仪来进行定位，位置偏差至少在0.5mm以上，会带来较大的准直误差。
11.7)测试完成后会生成大量的数据，以往的数据处理都是通过excel来计算，每次处理数据都要手动提取数据并编写公式，处理会占较大的测试时间比例，导致测试效率低下。


技术实现要素：

12.针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于加速器磁铁磁场分布测量的全自动快速点测系统和方法，解决了现有技术传动精度低、稳定性差及测试模式单一导致的测试误差较大和测试效率低等问题，为工程项目大批量、多种类的磁铁提供准确且快速的测试。
13.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
14.第一方面，本发明提供一种用于加速器磁铁磁场分布测量的全自动点测系统，包括：大理石点测气浮平台、磁铁测试平台以及数据采集系统；所述大理石点测气浮平台作为传动平台，用于在所述数据采集系统的控制下，对设置在所述大理石点测气浮平台上的hall探头进行移动，使得所述hall探头对设置在所述磁铁测试平台上待测磁铁的磁场分布进行探测，并发送到所述数据采集系统；所述数据采集系统用于对所述hall探头的测量位置进行采集和控制，同时，对所述待测磁铁的感应线圈电流、电压数据进行实时采集，并通过评估电流、电压数据对磁场的扰动大小，判断磁场探测的准确性，并进行磁场修正。
15.进一步，所述大理石点测气浮平台包括大理石平台、支撑底座、hall探头及工装、六自由度运动模块及气浮支撑模块；所述大理石平台作为基准测量工具，其底部设置所述支撑底座，表面设置所述气浮支撑模块和六自由度运动模块；所述气浮支撑模块利用气浮特性保证设置在其上的六自由度运动模块的稳定悬浮；所述六自由度运动模块上通过所述hall探头及工装固定设置所述hall探头，并在所述数据采集系统的控制下实现hall探头的定位。
16.进一步，所述气浮支撑模块包括气浮底座、空气压缩机、储气罐、冷干机和真空泵；所述空气压缩机、储气罐和冷干机依次相连，且所述冷干机的输出端与所述气浮底座上预留的气压入口相连，用于为所述气浮底座提供压缩空气；所述真空泵与所述气压入口相连，且所述真空泵的吸力与所述压缩空气共同使得所述气浮底座维持在动态平衡状态。
17.进一步，所述六自由度运动模块包括直杆测试模块和弯杆测试模块；所述直杆测试模块用于直线路径测试，至少包括四六极磁铁、扫描磁铁、校正磁铁测试；弯杆测试模块用于弯曲路径测试，至少包括偏转二极磁铁测试；
18.所述直杆测试模块采用模块化方式设计，包括测量杆、x方向电机、y方向电机、旋转角度调节电机、俯仰角度调节电机、信号线坦克链、x方向限位开关、z方向电机、光栅尺和z方向限位开关；所述测量杆固定设置在y方向电机上，其端部通过所述hall探头及工装固
定设置所述hall探头，用于在测试时在磁铁气隙内部运动；所述x方向电机设置在所述气浮底座上，用于控制所述测量杆沿直线轴x方向移动；所述y方向电机设置在x方向电机上方，用于控制所述测量杆沿直线轴y方向移动；所述z方向电机设置在所述大理石平台的侧部，用于控制所述测量杆沿直线轴z方向移动；所述旋转角度调节电机用于调节所述hall探头沿z方向的旋转角度；所述俯仰角度调节电机用于调节所述hall探头沿x方向的俯仰角度；所述x方向限位开关和z方向限位开关分别设置在所述x方向电机和z方向电机的最大行程位置处，用于避免整个六自由度运动模块超出大理石平台最大量程而造成设备损坏；所述信号线坦克链用于梳理各个电极的信号线；所述光栅尺设置在大理石平台侧面，用于监测z方向运动位置；所述x方向电机、y方向电机、z方向电机、旋转角度调节电机、俯仰角度调节电机均由所述数据采集系统控制；
19.所述弯杆测试模块包括弯杆弧向电机、弯杆s支撑底座、滑块轨道、弯曲测量杆和测量杆滑块；所述弯杆s支撑底座设置在所述y方向电机上，其上设置所述滑块轨道，所述滑块轨道上通过所述测量杆滑块滑动设置有弯曲测量杆，所述弯杆支撑底座、滑块轨道和测量杆滑块共同实现了弯杆测试的弧向驱动功能；所述弯杆弧向电机用于在所述数据采集系统的控制下，为所述弯曲测量杆提供弧向驱动力。
20.进一步，所述大理石点测气浮平台上还设置有用于所述hall探头准直定位的靶标球，所述靶标球通过hall探头及工装与所述hall探头固定在测量杆或弯曲测量杆的同一位置。
21.进一步，所述磁铁测试平台包括线性电源、待测磁铁、磁铁平台、液压机构、高斯计和磁铁保护系统；所述磁铁平台与所述液压机构共同构成可升降可旋转平台，所述液压机构由所述数据采集系统控制；所述待测磁铁设置在所述磁铁平台表面，并通过感应线圈与所述线性电源相连；所述磁铁保护系统包括温度保护装置和去离子冷却水装置，所述温度保护装置用于对待测磁铁的温度进行测量，当超出预设值时切断所述线性电源，所述去离子冷却水装置用于对待测磁铁进行冷却，避免温度过高烧坏待测磁铁。
22.进一步，所述数据采集系统包括直流电流互感器、万用表、电压电流采集装置、上位机、交换机和umac运动控制器、驱动器和自动稳压型ups不间断电源；所述直流电流互感器和万用表分别用于采集感应线圈的电流值和电压值；所述电压电流采集装置用于将直流电流互感器和万用表采集的电流、电压数据发送到所述上位机；由所述上位机评估电流电压的扰动大小，判断磁场测试的准确性，并进行磁场修正；所述umac运动控制器通过交换机与所述上位机进行交互，将采集的hall探头的位置信息发送至所述上位机，并通过所述驱动器将所述上位机返回的控制信号输出到所述大理石点测气浮平台。
23.进一步，所述用于加速器磁铁磁场分布测量的全自动点测系统整体设置在恒温恒湿测磁间，所述恒温恒湿测磁间内设置有恒温恒湿系统、电磁场屏蔽系统、动力配电系统、新风系统及其他辅助配套设施；各系统协同作用，使得恒温恒湿测磁间至少满足以下标准：温度控制值：23.0
±
0.5℃；温度均匀度：
±
1℃；湿度控制范围：45
±
5％rh；噪声标准：≤60dba、洁净度：十万级；人均新风补充量应不低于0.5m3/min。
24.第二方面，本发明提供一种用于加速器磁铁磁场分布测量的全自动点测系统的点测方法，包括以下步骤：
25.对待测磁铁进行外观验收；
26.进行磁铁准直，并在磁铁准直后进行hall探头的标定；
27.根据测试要求，对待测磁铁进行磁场分布测量；
28.对测试得到的数据进行处理，得到待测磁铁的磁场分布测量结果。
29.进一步，所述根据测试要求，对待测磁铁进行磁场分布测量，包括：
30.进行测试信息录入，包括磁铁信息、项目名称及测试人员信息；
31.检查所有设备仪器的通讯及回读状态，通讯及回读正常则进入下一步，根据测试要求计算出完整的测试坐标及设定电流值，否则重新检查设备仪器，直至能够正常工作；
32.计算测试轨迹；
33.对磁铁进行标准化电流循环；
34.根据测试轨迹创建测试文件，该测试文件中设定有加载电流及测试路径；
35.将创建的测试文件加载到上位机，正式开始自动测试，ramping磁场分布。
36.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
37.1、本发明通过将丝杆传动替换为气浮系统下的直线电机传动提高了机械传动的精度及稳定度。
38.2、通过使用on-fly的测试模式，实现了磁场的连续测试。选用三维hall探头代替三个霍尔片拼装，提高了三维磁场测试的精度。
39.3、提出了针对大角度偏转二极铁测试弯曲测量杆，大大提高了弯铁测试效率。增加了电流电压的实时采集，剔除了电源波动带来的磁场误差。
40.4、通过建造具有恒温恒湿及电磁屏蔽的测磁间，保证了整个测试环境的稳定性，使得各个仪器设备受环境和电磁干扰的影响降低。
41.5、基于程序语言开发了自动点测系统和数据处理系统，提升了测试和数据处理的效率，实现了快速测试的目的。
42.因此，本发明可以广泛应用于磁铁磁场测试领域。
附图说明
43.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
44.图1为本发明实施例中用于加速器磁铁磁场分布测量的全自动点测系统结构图；
45.图2为本发明实施例中大理石点测气浮平台直杆测试整体结构图；
46.图3为本发明实施例中大理石点测平台弯杆弧动测试整体结构图；
47.图4为本发明实施例中大理石点测平台弯杆弧动测试部分结构图；
48.图5为本发明实施例中大理石气浮平台完整磁铁全自动点测流程图；
49.图6为本发明实施例中基于labview点测系统程序界面及子vi界面；
50.图7为本发明实施例中基于labview点测主程序流程图；
51.图8为本发明实施例中基于python点测数据处理流程图；
52.附图中各标记表示如下：
53.1、大理石平台；2、支撑底座；3、0.5英寸靶标球；4、hall探头及工装；5、测量杆；6、x方向直线电机；7、y方向电机；8、hall探头旋转角度调节电机；9、hall探头俯仰角度调节机
构；10、信号线坦克链；11、x方向限位开关；12、z方向直线电机；13、光栅尺；14、z方向限位开关；15、气压入口；16、弯杆弧向电机；17、弯杆s支撑底座；18、滑块轨道；19、弯曲测量杆；20、测量杆滑块；21、待测二极磁铁；22、磁铁平台；23、液压千斤顶；24、hall探头。
具体实施方式
54.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
55.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
56.本发明的一些实施例中，提供一种用于加速器磁铁磁场分布测量的全自动点测系统，该系统对大理石点测气浮平台进行了设计，通过将丝杆传动替换为气浮系统下的直线电机传动提高了机械传动的精度及稳定度，同时通过对六自由度运动模块的合理设计，使得hall探头的运动和位置更加精确。
57.与之相对应地，本发明的另一些实施例中，提供一种用于加速器磁铁磁场分布测量的全自动点测系统的使用方法。
58.实施例1
59.如图1所示，本实施例提供一种用于加速器磁铁磁场分布测量的全自动点测系统，其包括：大理石点测气浮平台、磁铁测试平台以及数据采集系统。其中，大理石点测气浮平台作为传动平台，用于在数据采集系统的控制下，对设置在大理石点测气浮平台上的hall探头24进行移动，以便对磁铁测试平台上待测磁铁的磁场分布进行探测，并发送到数据采集系统；数据采集系统用于对hall探头24的测量位置进行采集和控制，同时，对待测磁铁的电流、电压数据进行实时采集，并通过评估电流、电压数据对磁场的扰动大小，判断磁场测试的准确性，并进行磁场修正。
60.优选地，如图2所示，大理石点测气浮平台包括大理石平台1、支撑底座2、hall探头及工装4、六自由度运动模块及气浮支撑模块。其中，大理石平台1作为基准测量工具，其底部设置有支撑底座2，表面设置有气浮支撑模块和六自由度运动模块，六自由度运动模块上装有hall探头及工装4固定设置有hall探头24；气浮支撑模块利用气浮特性保证设置在其上的六自由度运动模块的稳定悬浮；六自由度运动模块采用模块化方式设计，分为三个直线轴控制和三个旋转轴控制(坐标系原点以大理石平台1预设初始位置作为原点，位于大理石平台末端，坐标以笛卡尔坐标系为准)，其中，三个直线轴分别定义为x、y、z，两个旋转轴定义为c和a，一个弧动轴定义为l，坐标原点以大理石平台预设初始位置作为原点，位于平台末端，坐标以笛卡尔坐标系为准。用于在数据采集系统的控制下实现hall探头24的精确定位。本实施例的大理石点测气浮平台由于采用气浮特性，能够确保hall探头在测试过程中精确定位及运行稳定。
61.优选地，大理石平台1由大理石制成，其结构质地均匀，稳定性好，强度大，硬度高，
能在重负荷及一般温度下保持，并且具有不生锈、不磁化，不变形等优点。大理石平台1是基准测量工具，对仪器仪表、工具、机械制件的检验，都是理想的基准面。特别地，由于测量平台基体为大理石，安装地基必须牢固稳定，测量平台基体保持水平，表面保持干净，环境需要恒温、恒湿，恒温恒湿间对大理石平台有着很好的保护效果，保证测量精度的长期稳定可靠。
62.优选地，支撑底座2三维可调，可以利用准直仪器将大理石平台1准直水平。
63.优选地，气浮支撑模块包括气浮底座、空气压缩机、储气罐、冷干机和真空泵，用于提供气浮所需的气压。具体地，空气压缩机、储气罐和冷干机依次相连，且冷干机的输出端与气浮底座上预留的气压入口15相连，为气浮底座提供压缩空气；真空泵与气浮底座相连，真空泵的吸力使得气浮底座产生一个向下的力，作用是与通入的压缩空气的浮力产生一个动态平衡效应，以此可以使整个大理石测试平台保持一个平衡状态，不会过度升起，也不会贴合到测试平台上。使用时，压缩空气通过气浮系统气压入口导入气浮底座运动模块，通过布满气浮底座的大面积细小气孔输出，可保证整个六自由度运行模块的稳定悬浮。
64.优选地，如图2、图3、图4所示，六自由度运动模块包括直杆测试模块和弯杆测试模块。其中，直杆测试模块主要针对测试项目中的各类四六极磁铁、扫描磁铁、校正磁铁等直线路径测试；弯杆测试模块主要针对测试项目中的大角度偏转二极磁铁测试。
65.优选地，如图2所示，直杆测试模块包括测量杆5、x方向电机6、y方向电机7、旋转角度调节电机8、俯仰角度调节电机9、信号线坦克链10、x方向限位开关11、z方向电机12、光栅尺13和z方向限位开关14。其中，测量杆5作为六自由度运动模块的终端，固定在y方向电机7上，用于hall探头24的固定及在测试时在磁铁气隙内部运动；x方向电机6设置在气浮底座上，用于控制测量杆5沿直线轴x方向移动；y方向电机7设置在x方向电机6上方，用于控制测量杆5沿直线轴y方向移动；z方向电机12设置在大理石平台1的侧部，用于控制测量杆5沿直线轴z方向移动；旋转角度调节电机8用于调节hall探头24沿z方向的旋转角度；俯仰角度调节电机9用于调节hall探头24沿x方向的俯仰角度，旋转角度调节电机8和俯仰角度调节电机9共同配合，实现hall探头24与磁场的垂直度的调节，以提高测试精度；x方向限位开关11和z方向限位开关14分别设置在x方向电机6和z方向电机的最大行程位置处，可避免整个六自由度运动模块超出大理石平台最大量程而造成设备损坏；信号线坦克链10用于梳理各个测试信号线，整齐可靠，防止线路损坏；光栅尺13设置在大理石平台1侧面，主要用于监测z方向运动位置。作为x、y、z轴的位置反馈系统，运动指令由一台工控机通过以太网接口进行控制，核心运动控制由umac完成，由于系统的运动控制采用开放的umac运动控制器，它不仅具有丰富的控制指令，还具备高速位置比较功能。其他轴配有编码器完成运动位置反馈。
66.优选地，测量杆5材质最好选用碳纤维，有密度小、弹性模量大的优点。
67.优选地，x方向电机6和z方向电机12采用直线电机；y方向电机7、旋转角度调节电机8、俯仰角度调节电机9采用直线电机或普通交流伺服电机。本实施例中，x方向电机6、y方向电机7、z方向电机12的量程分别为1200mm、200mm、4000mm，搭配使用可满足各类磁铁磁场扫描需求。
68.本实施例中，大理石气浮平台相对于常规步进电机的丝杆传动，选用直线电机传动，直线电机噪音小，因为直线电机不存在离心力的约束，运动时无机械接触，也就无摩擦和噪声的影响。传动零部件没有磨损，可大大减小机械损耗，避免拖缆、钢索、齿轮与皮带轮
等所造成的噪声和位置偏差，可隔离载体的扰动而保持其平稳性，为点测平台上的hall测量探头提供准确的惯性空间指向，测量过程中可保持1μm的精度，解决了丝杆传动带来的位置偏差和不稳定性，从而提高整体精度和效率。
69.优选地，如图3、图4所示，弯杆测试模块包括弯杆弧向电机16、弯杆s支撑底座17、滑块轨道18、弯曲测量杆19和测量杆滑块20。其中，弯杆s支撑底座17设置在y方向电机上，其上设置有滑块轨道18，滑块轨道18上通过测量杆滑块20滑动设置有弯曲测量杆19，弯杆支撑底座17、滑块轨道18和测量杆滑块20共同实现了弯杆测试的弧向驱动功能；弯杆弧向电机16用于为弯曲测量杆19提供弧向驱动力，使得弯曲测量杆19可以沿着束流线运动，相对直杆可避免大角度偏转二极铁自身结构对测试的限制。
70.针对大角度偏转二极磁铁，由于磁铁自身结构问题，直杆无法一次完成整个磁场的测量。因此本发明设计了和磁铁相同半径的弯曲测量杆。通过单独的弯杆弧向电机16和杆件固定支架，驱动弯曲测量杆19沿着二极磁铁束流方向做大角度弧线运动，并且利用精准的三维气浮运动平台横向移动，可以扫描得到完整的磁场分布。在保证了精度的前提下，不需要再像直测量杆那样将磁铁分两端半进行测试，从而节省了二次吊装准直时间。
71.优选地，大理石点测气浮平台上还设置有用于hall探头4准直定位的0.5英寸靶标球3，该0.5英寸靶标球3通过hall探头及工装4与hall探头24固定在测量杆5或弯曲测量杆19的同一位置。实际上，hall探头与磁铁测试基准的定位是磁铁测试的关键一环，是磁场测试精度的重要组成部分。本发明中通过利用高精度激光跟踪仪，首先，将陶瓷靶标球和hall探头共同固定于测量杆的同一位置，高精度激光追踪仪定好磁铁测试原点(磁铁机械中心)后，使陶瓷靶标球接光，然后根据偏差的位置，移动测量杆到测试原点位置，以优于0.05毫米的精度将hall探头精确定位于待测磁铁的机械中心，可实现高精度快速定位，提升待测磁铁测磁定位的精度和定位效率。测试完毕后还可以监测hall探头是否回到了起始点，以验证测试过程中是否发生探头位置偏移，确保测试的准确性。
72.优选地，hall探头采用三维hall探头，能够满足高精度三维磁场测试。相对于三个一维探头手动正交拼接，本实施例中的三轴hall探头具有高正交性(相较外部封装尺寸角度偏差小于0.5
°
)以及三方向的微小间距(三方向传感器之间间距均在0.1mm以内)，单个三轴探头在安装和准直定位时相较于三个一维探头也有着较高的实用性，且不受探头之间的相互电磁干扰。
73.优选地，hall探头24还可以采用阵列hall，能够更加快速测试磁场，但阵列较为复杂需要较高精度的标定，以及考虑各个探头姿态的机械准直。
74.优选地，如图1、图3所示，磁铁测试平台包括高精度线性电源、待测磁铁21、磁铁平台22、液压机构、高斯计和磁铁保护系统。其中，磁铁平台22与液压机构共同构成可升降可旋转平台，液压机构由数据采集系统中控制；待测磁铁21设置在磁铁平台22表面，并与高精度线性电源相连；磁铁保护系统包括温度保护装置和去离子冷却水装置，温度保护装置用于对待测磁铁的温度进行测量，当超出预设值时切断电源，去离子冷却水装置用于对待测磁铁进行冷却，避免温度过高烧坏待测磁铁。本实施例中，将磁铁测试平台设计为自动调整平台，通过上位机对液压机构进行自动控制，使得磁铁准直调节更加高效。
75.温度保护装置可以采用温度保护开关，电源控制模块引出的一条触发线路，该触发线路与测试磁铁上的温度传感器串联，当磁铁温度达到65℃时(不同传感器有不同的温
度限位，选择合适的温度探头)会形成断路，使得整个电路断开，则电源控制器断开电源，保护测试磁铁不被烧坏，水流量开关同理，没有水的时候形成断路，也会使电源断开。
76.优选地，液压机构由若干液压千斤顶23构成。
77.优选地，高斯计采用nmr(nuclear magnetic resonance，核磁共振)高斯计。
78.优选地，数据采集系统包括dcct(直流电流互感器)、高精度万用表、电压电流采集装置、上位机、交换机和umac运动控制器、驱动器和自动稳压型ups不间断电源。其中，dcct和高精度万用表分别用于采集感应线圈的电流值和电压值；电压电流采集装置用于将dcct和高精度万用表采集的电流、电压数据发送到上位机；由上位机评估电流电压的扰动大小，判断磁场测试的准确性，并进行磁场修正；umac运动控制器通过交换机与上位机进行交互，将利用光栅尺采集hall探头24的位置信息发送至上位机，并通过驱动器将上位机返回的控制信号输出到六自由度运动模块，以实现hall探头24的精确定位。
79.相对于常规的“go stop”模式，本发明测量系统使用on fly(实时测试)测量技术。其关键技术是通过选用位置触发模式，设定好各测量位置运动距离，使用umac运动控制器或其他运动控制器，使z、x、y、l轴将位置触发信号通过共用信号输出ttl(电平信号)脉冲到高斯计，到达预定位置后触发读数，也即从一个测试点到达下一个测试点后(即各个轴都到达指定位置)，umac运动控制器通过共用信号端，发送ttl信号到高斯计，触发后采集磁场值，根据所需测试要求同步获取磁场和位置数据。因此测量探头可连续运动，大量节省测试时间提高测试效率。
80.优选地，由于磁铁测试需要在恒定的温度、湿度及低噪声环境下测试。测试探头会受到温度、湿度及空间电磁场变化带来的影响。由于大理石点测气浮平台的基体为大理石，表面需要保持干净，环境必须恒温、恒湿，才能保证测量精度的长期稳定可靠。测试系统在测试过程中，除温度的影响还受到电磁噪音的干扰，因此，本实施例中将整个全自动点测系统需设置在恒温恒湿测磁间。
81.该恒温恒湿测磁间内设置有恒温恒湿系统、电磁场屏蔽系统、动力配电系统、新风系统及其他辅助配套设施等。各系统协同作用，使得恒温恒湿测磁间至少满足以下标准：温度控制值：23.0
±
0.5℃；温度均匀度：
±
1℃；湿度控制范围：45
±
5％rh；噪声标准：≤60dba、洁净度：十万级；人均新风补充量应不低于0.5m3/min；电磁场屏蔽系统，使得测试间和电源强电间隔离，配入独立、洁净的地线排；动力配电系统可以采用自动稳压型ups不间断电源，可提供整个点测系统的所有仪器设备的供电需求，与外界电网起隔离屏蔽作用，实现点测系统的稳定运行，利用高精度的线性电源为磁铁供电，两者配合使用，可大大消除外界对测试系统的干扰。恒温间周围布有隔振带，防止外界震动引起测量杆抖动导致测试精度降低。
82.优选地，本发明基于labview软件开发了磁场点测平台测试系统，包括电机控制、电源控制、on-fly磁场采集和电流电压数据实时获取等，以及导入预定运行坐标和生成测试数据软件操作。最后通过python软件开发了数据处理程序，可实现快速批量数据处理，一键生成磁场质量测试结果，实现全自动化测试，节省测试时间。
83.实施例2
84.如图5所示，基于实施例1提供的用于加速器磁铁磁场分布测量的全自动点测系统，本实施例还提供一种用于加速器磁铁磁场分布测量的全自动点测系统的使用方法，包
括以下步骤：
85.1)外观验收
86.待测磁铁从工厂加工完毕，运送到测试大厅后，首先需要检查待测磁铁接口及电气线路是否合格，如果其中有不合格或者接口不合适提前返厂整改，检查合格后生成检查合格报告。
87.2)进行磁铁准直，并在磁铁准直后进行hall探头标定。
88.具体包括以下步骤：
89.2.1)根据待测磁铁类型确定测量杆类型及尺寸，并基于磁铁测试需求进行测试坐标计算。
90.当测试螺线管、四六极磁铁、校正铁、扫描铁时，采用直杆测试模式较为方便，磁铁准直时直接将测量杆5放置于测试区域即可；当测试大角度偏转二极磁铁时，采用弯杆测试模式时，需提前设计及加工好与磁铁相对应的弯曲测量杆半径尺寸。
91.如图2所示，为大理石气浮点测平台直杆测试三维图。图3和图4所示，为大理石点测平台弯杆测试三维图，待测二极磁铁21为90度大角度偏转二极磁铁，若使用直杆测试，将会受磁铁内部结构限制，无法一次性测完整个磁场分布。
92.进行磁铁准直前，根据磁铁测试需求，导入坐标计算程序，生成不同角度下的测试坐标，对磁铁吊入平台放置角度进行指导，并选取合适的测量杆尺寸，以防准直完毕后由于磁铁位置限制而无法全面测试。其中，测试坐标计算方法为本领域技术人员公知技术，本发明对此不做过多介绍。
93.2.2)当测试坐标导入后，连接磁铁保护系统，保护磁铁不被烧坏。
94.2.3)使用激光跟踪仪，对测试磁铁进行准直。
95.具体地，首先对整个磁铁进行标定，可直接从激光跟踪仪程序中得到磁铁的机械中心。然后以大理石平台1为基准，设定好空间直角坐标系，以此来对测试磁铁定位准直，使得测试磁铁整体准直到当前坐标系内。
96.2.4)进行hall探头标定，使用激光追踪仪标定及准直靶标球定位机械中心。
97.具体地，首先通过六自由度模块调整hall探头姿态，使得hall探头保持水平。由于hall探头24前安装有0.5英寸陶瓷靶标球3，利用激光跟踪仪照射到靶标球中心，然后导出其在当前坐标系内的位置数据，通过umac运动控制器控制，根据空间位置偏差定位到机械中心，此方法可使得hall探头定位精度提高达到0.01mm。
98.二极磁铁测试时，加到磁铁最大电流下，选取合适量程nmr探头，将hall探头和nmr探头放置于磁铁内部同一位置进行标定，检查两探头磁场值差异，如果不超过1gs则hall探头可以直接进行测试，如果超出过多，或者测试非二极磁铁时，则对hall探头放入标准磁铁，标定出偏差系数，对测试结果进行磁场修正，如果偏差过大则需要标定准确的hall探头代替。
99.hall探头在测试前，需要nmr核磁共振高斯计标定，因为nmr探头测试得到的磁场值大小是业界公认的磁场值的标准。但由于它的量程问题和尺寸问题，不能作为测试探头，因此使用hall探头测试。
100.3)正式测试
101.开始测试前，检查测磁实验室温度及湿度状况，使其温度保持在23℃
±
1℃，湿度
低于30％。打开电源预热半小时，可使得电源有更加稳定的状态。开启气浮系统，依次打开冷干机、空气压缩机及真空泵，等待气压到达1mpa，打开大理石平台电机控制柜，并使用酒精擦拭大理石平面。
102.如图6所示，测试系统，包括测试信息录入、电机驱动模块、电源控制模块、创建测试内容、测试内容导入及读取测试数据。准备工作完成后，进入labview点测程序操作流程图7。
103.如图7所示，具体地，包括以下步骤：
104.3.1)进行测试信息录入，包括磁铁信息(例如磁铁的类型、编号)、项目名称及测试人员整体记录在册，方便回溯测试过程。
105.3.2)检查所有设备仪器的通讯及回读状态，通讯及回读正常则进入步骤3.3)，根据测试要求计算出完整的测试坐标及设定电流值，否则重新检查设备仪器，直至能够正常工作。
106.3.3)计算测试轨迹。
107.3.4)对磁铁进行标准化电流循环，以消除磁滞效应影响，提高测试精度。
108.3.5)根据步骤3.3)中的测试轨迹创建测试文件，该测试文件中设定有加载电流及测试路径。
109.3.6)将创建的测试文件加载到上位机，正式开始自动测试，ramping(加载到所需大电流然后降到0a，循环五次)磁场分布。
110.具体地，自动测试过程为：
111.3.6.1)设定电流加载；
112.3.6.2)延时等待电流稳定；
113.3.6.3)电机驱动hall探头到达设定位置；
114.3.6.4)umac运动控制器进行位置触发；
115.3.6.5)将ttl信号发送至高斯计；
116.3.6.6)信号触发后同时获取得到磁场值、电流电压值、位置信息；可以保证获取hall电压的位置与实际测量位置最大限度地重合。
117.3.6.7)保存数据完成后继续下一个循环步骤。
118.3.7)所有测试完成后，结束自动测试程序。
119.4)处理数据。
120.测试程序完成后得到物理测试需求下的测试数据，此数据需要处理后才可以得到测试结果。本实施例以python数据处理程序为基础，对数据处理公式进行编写，可实现数据的快速处理，且保存得到磁场传递函数、横向场分布、积分场分布曲线、积分场均匀性、有效长度等测试结果。
121.如图8所示，数据处理过程包括以下步骤：
122.4.1)导入python第三方库pandas、numpy、math、matplotlib.pyplot模块，可提供csv文件导入，数组计算，公式计算和画图等功能。
123.4.2)提取近水端磁场分布数据。
124.具体地，包括以下步骤：
125.4.2.1)将dataframe转换成array数组；
126.4.2.2)根据磁场测试需求计算积分场行列分布；
127.4.2.3)将磁场分布reshape整理为数据矩阵；
128.4.2.4)删除会令数据；
129.4.2.5)将近水端数据矩阵翻转并删除中心位置数据。
130.4.3)采用与步骤4.2)相同的方法，提取远水端数据。
131.4.4)对近水端数据和远水端数据进行合并；
132.4.5)将磁场数据矩阵求和乘以弧长得到积分值；
133.4.6)磁场积分值除以中心磁场值得到有效长度；
134.4.7)合并磁场数据矩阵积分值及有效长度；
135.4.8)添加列名；
136.4.9)计算积分场均匀性；
137.4.10)计算横向场均匀性；
138.4.11)计算电流波动造成测试误差；
139.4.12)绘制横向场分布图；
140.4.13)绘制积分场分布图；
141.4.14)保存绘制数据图；
142.4.15)导出excel数据处理结果。
143.将测试数据同构reshape整理成为数据矩阵，根据以下公式处理磁场测试数据：
[0144][0145][0146][0147][0148][0149]
其中，b
x
为横向场上各个x位置处的磁场值，b0为机械中心位置的磁场值，gr为四极磁铁各个半径下的磁场梯度，g
ave
为所有梯度的平均值，l
eff
为磁铁有效长度,δb、b、δg、g分别是磁场差值、磁场值、磁场梯度差值、磁场梯度。公式(1)、(2)分别表示二极磁铁和四极磁铁的横向场均匀性计算公式，公式(3)、(4)分别表示二极磁铁和四极磁铁的积分场均匀性计算公式。公式(5)表示磁铁的有效长度计算公式。
[0150]
本发明依托上述测试要求和公式基于python程序编写点测积分场数据处理程序如下：
[0151]
[0152]
[0153]
[0154][0155]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于加速器磁铁磁场分布测量的全自动点测系统，其特征在于，包括：大理石点测气浮平台、磁铁测试平台以及数据采集系统；所述大理石点测气浮平台作为传动平台，用于在所述数据采集系统的控制下，对设置在所述大理石点测气浮平台上的hall探头进行移动，使得所述hall探头对设置在所述磁铁测试平台上待测磁铁的磁场分布进行探测，并发送到所述数据采集系统；所述数据采集系统用于对所述hall探头的测量位置进行采集和控制，同时，对所述待测磁铁的感应线圈电流、电压数据进行实时采集，并通过评估电流、电压数据对磁场的扰动大小，判断磁场探测的准确性，并进行磁场修正。2.如权利要求1所述的一种用于加速器磁铁磁场分布测量的全自动点测系统，其特征在于，所述大理石点测气浮平台包括大理石平台、支撑底座、hall探头及工装、六自由度运动模块及气浮支撑模块；所述大理石平台作为基准测量工具，其底部设置所述支撑底座，表面设置所述气浮支撑模块和六自由度运动模块；所述气浮支撑模块利用气浮特性保证设置在其上的六自由度运动模块的稳定悬浮；所述六自由度运动模块上通过所述hall探头及工装固定设置所述hall探头，并在所述数据采集系统的控制下实现hall探头的定位。3.如权利要求2所述的一种用于加速器磁铁磁场分布测量的全自动点测系统，其特征在于，所述气浮支撑模块包括气浮底座、空气压缩机、储气罐、冷干机和真空泵；所述空气压缩机、储气罐和冷干机依次相连，且所述冷干机的输出端与所述气浮底座上预留的气压入口相连，用于为所述气浮底座提供压缩空气；所述真空泵与所述气压入口相连，且所述真空泵的吸力与所述压缩空气共同使得所述气浮底座维持在动态平衡状态。4.如权利要求3所述的一种用于加速器磁铁磁场分布测量的全自动点测系统，其特征在于，所述六自由度运动模块包括直杆测试模块和弯杆测试模块；所述直杆测试模块用于直线路径测试，至少包括四六极磁铁、扫描磁铁、校正磁铁测试；弯杆测试模块用于弯曲路径测试，至少包括偏转二极磁铁测试；所述直杆测试模块采用模块化方式设计，包括测量杆、x方向电机、y方向电机、旋转角度调节电机、俯仰角度调节电机、信号线坦克链、x方向限位开关、z方向电机、光栅尺和z方向限位开关；所述测量杆固定设置在y方向电机上，其端部通过所述hall探头及工装固定设置所述hall探头，用于在测试时在磁铁气隙内部运动；所述x方向电机设置在所述气浮底座上，用于控制所述测量杆沿直线轴x方向移动；所述y方向电机设置在x方向电机上方，用于控制所述测量杆沿直线轴y方向移动；所述z方向电机设置在所述大理石平台的侧部，用于控制所述测量杆沿直线轴z方向移动；所述旋转角度调节电机用于调节所述hall探头沿z方向的旋转角度；所述俯仰角度调节电机用于调节所述hall探头沿x方向的俯仰角度；所述x方向限位开关和z方向限位开关分别设置在所述x方向电机和z方向电机的最大行程位置处，用于避免整个六自由度运动模块超出大理石平台最大量程而造成设备损坏；
所述信号线坦克链用于梳理各个电极的信号线；所述光栅尺设置在大理石平台侧面，用于监测z方向运动位置；所述x方向电机、y方向电机、z方向电机、旋转角度调节电机、俯仰角度调节电机均由所述数据采集系统控制；所述弯杆测试模块包括弯杆弧向电机、弯杆s支撑底座、滑块轨道、弯曲测量杆和测量杆滑块；所述弯杆s支撑底座设置在所述y方向电机上，其上设置所述滑块轨道，所述滑块轨道上通过所述测量杆滑块滑动设置有弯曲测量杆，所述弯杆支撑底座、滑块轨道和测量杆滑块共同实现了弯杆测试的弧向驱动功能；所述弯杆弧向电机用于在所述数据采集系统的控制下，为所述弯曲测量杆提供弧向驱动力。5.如权利要求4所述的一种用于加速器磁铁磁场分布测量的全自动点测系统，其特征在于，所述大理石点测气浮平台上还设置有用于所述hall探头准直定位的靶标球，所述靶标球通过hall探头及工装与所述hall探头固定在测量杆或弯曲测量杆的同一位置。6.如权利要求1所述的一种用于加速器磁铁磁场分布测量的全自动点测系统，其特征在于，所述磁铁测试平台包括线性电源、待测磁铁、磁铁平台、液压机构、高斯计和磁铁保护系统；所述磁铁平台与所述液压机构共同构成可升降可旋转平台，所述液压机构由所述数据采集系统控制；所述待测磁铁设置在所述磁铁平台表面，并通过感应线圈与所述线性电源相连；所述磁铁保护系统包括温度保护装置和去离子冷却水装置，所述温度保护装置用于对待测磁铁的温度进行测量，当超出预设值时切断所述线性电源，所述去离子冷却水装置用于对待测磁铁进行冷却，避免温度过高烧坏待测磁铁。7.如权利要求1所述的一种用于加速器磁铁磁场分布测量的全自动点测系统，其特征在于，所述数据采集系统包括直流电流互感器、万用表、电压电流采集装置、上位机、交换机和umac运动控制器、驱动器和自动稳压型ups不间断电源；所述直流电流互感器和万用表分别用于采集感应线圈的电流值和电压值；所述电压电流采集装置用于将直流电流互感器和万用表采集的电流、电压数据发送到所述上位机；由所述上位机评估电流电压的扰动大小，判断磁场测试的准确性，并进行磁场修正；所述umac运动控制器通过交换机与所述上位机进行交互，将采集的hall探头的位置信息发送至所述上位机，并通过所述驱动器将所述上位机返回的控制信号输出到所述大理石点测气浮平台。8.如权利要求1所述的一种用于加速器磁铁磁场分布测量的全自动点测系统，其特征在于，所述用于加速器磁铁磁场分布测量的全自动点测系统整体设置在恒温恒湿测磁间，所述恒温恒湿测磁间内设置有恒温恒湿系统、电磁场屏蔽系统、动力配电系统、新风系统及其他辅助配套设施；各系统协同作用，使得恒温恒湿测磁间至少满足以下标准：温度控制值：23.0
±
0.5℃；温度均匀度：
±
1℃；湿度控制范围：45
±
5％rh；噪声标准：≤60dba、洁净度：十万级；人均新风补充量应不低于0.5m3/min。
9.一种采用如权利要求1～8任一项所述用于加速器磁铁磁场分布测量的全自动点测系统的点测方法，其特征在于包括以下步骤：对待测磁铁进行外观验收；进行磁铁准直，并在磁铁准直后进行hall探头的标定；根据测试要求，对待测磁铁进行磁场分布测量；对测试得到的数据进行处理，得到待测磁铁的磁场分布测量结果。10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述根据测试要求，对待测磁铁进行磁场分布测量，包括：进行测试信息录入，包括磁铁信息、项目名称及测试人员信息；检查所有设备仪器的通讯及回读状态，通讯及回读正常则进入下一步，根据测试要求计算出完整的测试坐标及设定电流值，否则重新检查设备仪器，直至能够正常工作；计算测试轨迹；对磁铁进行标准化电流循环；根据测试轨迹创建测试文件，该测试文件中设定有加载电流及测试路径；将创建的测试文件加载到上位机，正式开始自动测试，ramping磁场分布。

技术总结
本发明涉及一种用于加速器磁铁磁场分布测量的全自动点测系统和方法，包括：大理石点测气浮平台、磁铁测试平台以及数据采集系统；所述大理石点测气浮平台作为传动平台，用于在所述数据采集系统的控制下，对设置在所述大理石点测气浮平台上的Hall探头进行移动，使得所述Hall探头对设置在所述磁铁测试平台上待测磁铁的磁场分布进行探测，并发送到所述数据采集系统；所述数据采集系统用于对所述Hall探头的测量位置进行采集和控制，同时，对所述待测磁铁的感应线圈电流、电压数据进行实时采集，并通过评估电流、电压数据对磁场的扰动大小，判断磁场探测的准确性，并进行磁场修正。本发明可以广泛应用于磁铁磁场测试领域。明可以广泛应用于磁铁磁场测试领域。明可以广泛应用于磁铁磁场测试领域。


技术研发人员：金利安 张翔 杨静 姚庆高 吴巍 杨文杰 柴志良 欧贤金 梅恩铭 张京京 梁羽 马力祯
受保护的技术使用者：中国科学院近代物理研究所
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/7/25