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LABVIEW 技術在加速器磁場測量中的應用
LABVIEW 技術在加速器磁場測量中的應用
磁場精密測量在加速器技術中是一個非常重要的環節。在加速器建造、調束和運行過程中必須了解磁鐵參數，才能確保加速器的性能。通常，這些參數應包括它的有效長度、場強及高次諧波。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，這就要求對每塊磁鐵在不同電流下進行積分測量和場分布測量，因此，對磁鐵的磁場測量提出了要求：精密、穩定、快速、自動化。
1999年初至2002年6月中科院高能物理研究所與美國SLAC實驗室的所際國際合作項目即SPEAR3同步光源改造項目，高能所為SPEAR3加工制造292塊磁鐵并進行全部磁場測量，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了全部的磁鐵測量工作。
為了完成美國SPEAR3 工程項目中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測量工作，根據美方的磁場測量技術要求，自1999年底開始調研、設計旋轉線圈測量系統，編寫磁鐵勵磁電源控制、步進電機驅動和控制、數據采集、數據分析軟件。為了保證磁鐵測量工作的順利完成，盡可能采用標準接插件，組成了以美國NI公司的NI-PCI-GPIB控制卡、步進電機控制卡和轉接卡以及研翔公司的數字I/O板PCL-730等硬件標準接插件為主，LabVIEW為軟件開發環境的一套自動化、穩定性較高的用于美國磁鐵旋轉測量測磁軟件。
二、磁場諧波測量系統
1、測量原理：
磁場諧波測量采用雙線圈差分測量模式，測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，僅占主四極場的萬分之幾，如果采用單線圈測量法測量磁場高次諧波，將很難達到較高測量精度，因此，我們采用一個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，只對剩余的高次諧波進行測量，從而可以提高了測量精度。將測量線圈插入磁鐵孔徑中，以恒定的角速度旋轉切割徑磁場 ，每轉動一個小角度，編碼器就產生一個脈沖，隨后將旋轉線圈感應的電壓信號通過快速付里葉分析（FFT）和數學計算，可以得到磁場高次諧波和基波的比值Bn/B2。
2、系統的硬件結構：
圖1 磁鐵旋轉測量裝置硬件系統
系統的硬件流程圖如圖1所示。主要包括以下幾大部分組成：
（1）旋轉測量線圈：炮筒式結構。采用雙線圈反抵差分測量。
（2）角度編碼器。
（3）高精度數字積分器：PDI 5025。
（4）數字電壓表：HP34401A。
（5）步進電機驅動器：CMD-260步進電機驅動器為*的微分步進電機驅動器，將電機的機械整步細分成許多微步，從而達到平滑低頻振動以及降低噪音。
（6）步進電機控制卡：NI Value Motion。兩軸步進開環控制。
（7）勵磁電源：300A/150V, 電源穩定度好于 1×10-4。
（8）測量系統支撐結構。
（9）586工控機。
（10）線圈狀態選擇器：自行研制。
本系統通過PCI-GPIB標準接口將數字積分器接收到的被測磁鐵的感應電壓信號以及數字多用表獲得的磁鐵勵磁電源的電壓值傳給計算機。586工控機內插有標準的通信接口，為系統采集、數據傳輸和存儲提供了方便，保障了系統的穩定性。數據文件可直接打印出來。監控計算機可通過局域網實時查看當前測量數據和歷史數據，以便快速地解決測量中出現的問題并及時反饋給操作者。
三、系統的軟件設計：
旋轉線圈測量軟件全部在LabVIEW 5.1 for Windows98 環境下開發。LabVIEW是一個高效的圖形化編程系統，直觀明了的前面板用戶人機界面和流程圖式的編程風格，有機的將計算機系統與儀器系統技術相結合并提供內容豐富的高級分析庫，開發者可通過自定義和連接不同的功能模塊的圖標來方便快速地建立自己的應用程序。旋轉線圈測量軟件主要是由數據采集、數據分析、電源控制等幾部分組成。
本文隨后對上述三部分進行了詳細介紹, 測量系統的軟件流程框圖如圖2 所示。
圖2 旋轉線圈測量系統軟件流程圖
1、測量數據采集部分：
測量數據采集部分主要包括被測磁鐵參數，如磁鐵水壓、流量、極性、磁鐵號、標準電壓、電流、操作者等的輸入；數字積分器增益的設置；線圈狀態的設定；步進電機方向、速度的控制；原始數據的采集，采樣波形的顯示以及勵磁電源電壓的回采。
我們采用的角度編碼器在零位置（00）產生零位脈沖Zp，在其它位置產生相應的序列脈沖Sp，序列脈沖為4096，一周期內采集256個測量信號。其操作界面如圖3所示。
圖3 旋轉測量系統主界面
2、數據分析部分：
以四極磁鐵為例，首先讀取原始數據，它包括256個測量信號以及勵磁電源的實際測量電壓、電流值。然后用
LabVIEW 提供的高級分析庫FFT做分解并計算。在主線圈測量情況下可得出磁中心偏差、基波B(2)值等；差分測量可得到高次諧波與基波B(n)/B(2)的比值。圖4所示經FFT分析并計算后的數據結果、磁中心偏差及頻譜分析圖。
圖4 數據結果及頻譜分析圖
3、勵磁電源控制模塊的主要功能包括三部分：
(1)清零。
(2) 標準化循環。
(3) 階梯波設置。
由于磁滯效應的原因，使磁鐵對激磁過程具有記憶力，因此在磁鐵磁場測量前，應先按一定的標準過程對磁鐵進行磁化，以消除過去磁化歷史的影響，我們稱此過程為標準化循環。
以四極磁鐵為例，磁鐵測量前首先標準化循環3遍，循環的高點Imax= 89A ，電流的上升、下降速度一致，平頂和底部延時時間為1分鐘，測量時，階梯波電流上升、下降速度與標準化循環時的速度基本相同。圖5為標準化循環及階梯波電流示意圖。
測量結束后，程序自動彈出對話框，輸入文件名，保存文件并自動結束程序運行。最后我們再將所測量的數據送到Excel表中進行離線數據匯總、數據打印、文件刻錄光盤保存。