恒定磁场线圈校准规范

JJF1906—20211恒定磁场线圈校准规范1范围本规范适用于线圈常数为(1×10-5~1×10-2)T/A的恒定磁场线圈的校准。2引用文件本规范引用了下列文件:JJF1013磁学计量常用名词术语及定义凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本规范;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。3术语JJF1013界定的及以下术语和定义适用于本规范。3.1磁场线圈magneticfieldcoil以绕组中通电流的形式复现磁场的线圈。3.2磁场均匀度heterogeneityofmagneticfield在给定区域内,磁场线圈通电流后各点产生磁场的均匀程度,常用不同点线圈常数的均匀程度表示。3.3磁场均匀区equalareaofmagneticfield磁场线圈通电流后各点产生的磁感应强度与中心点的相对差值不超过给定量值范围的一个区域。4概述磁场线圈是用于复现磁场的磁学量具,主要用于磁学计量和磁参量检测等领域。磁场线圈按结构可分为螺线管线圈、亥姆霍兹线圈、麦克斯韦线圈、巴克尔线圈等;按复现磁场维度可分为单轴线圈、两轴线圈、三轴线圈。当磁场线圈的绕组中通电流时,磁场的磁感石强度与线圈常数、电流的关系如公式(1)所示:B=KBI(1)式中:B—磁场线圈中心处磁感应强度,T;KB—磁场线圈的线圈常数,T/A;I—磁场线圈绕组中的电流,A。JJF1906—202125计量特性5.1线圈常数KB最大允许误差:±(0.002%~10%)。5.2磁场均匀度Δ在给定的磁场均匀区内,非均匀性:0.001%~10%。6校准条件6.1环境条件6.1.1环境温度校准不同最大允许误差的磁场线圈时,环境温度要求见表1。表1环境温度要求最大允许误差温度范围±(0.002%~0.005%)(20.0±0.5)℃±(0.01%~0.05%)(20±2)℃±(0.1%~10%)(20±5)℃6.1.2相对湿度相对湿度不超过80%。6.1.3干扰磁场10Hz以下的最大干扰磁场:最大干扰磁场与校准点的磁感应强度之比不超过被校磁场线圈最大允许误差的十分之一。6.2测量标准及其他设备校准用设备应经过计量技术机构检定或校准,满足校准使用要求,并在有效期内。标准磁强计包括质子磁强计、核磁共振磁强计、磁通门磁强计、霍尔磁强计等。磁场标量法的计量标准器选用质子磁强计或核磁共振磁强计;磁场矢量法的计量标准器选用磁通门磁强计或霍尔磁强计;标准线圈法的计量标准器为标准磁场线圈。其他设备包括恒流源、电流测试仪、指零矢量磁强计(以下简称指直尺。6.2.1标准磁强计a)最大允许误差:不超过被校磁场线圈最大允许误差的三分之一;b)探头尺寸:不超过被校磁场线圈磁场均匀区的三分之一。6.2.2标准磁场线圈a)线圈常数最大允许误差:不超过被校磁场线圈最大允许误差的三分之一;b)磁场均匀区:不小于被校磁场线圈磁场均匀区的1.2倍。6.2.3指零磁强计a)磁场分辨力:≤0.1nT;3b)5min零点漂移：≤0.2nT。b)最大允许误差：不超过被校磁场线圈最大允许误差的五分之一。7校准项目和校准方法按表2选择校准方法及标准器。表2校准方法及标准器最大允许误差士(0.1%～10%)士(0.5%～10%)士(0.05%～10%)士(0.002%～10%)士(0.002%～10%)核磁共振磁强计士(0.01%～10%)标准磁场线圈a)校准点一般选择在磁场线圈最大磁场的50%以上。b)将被校磁场线圈的磁轴垂直地磁场的方向放置，标准磁强计探头放置在被校磁IIBII图1磁场标量法示意图JJF1906—20214c)根据磁场校准点选择恒流源的输出电流,记录恒流源输出电流I+。d)调整标准磁强计探头方向,使其示值最大,记录示值B1。e)将恒流源输出电流反向,记录恒流源输出电流I-和标准磁强计的示值B2。f)按公式(2)计算被校磁场线圈的线圈常数:(2)KBx=(2)式中:KBx—被校准磁场线圈的线圈常数,T/A;I+—正向输出电流,A;I-—反向输出电流,A;B1—恒流源输出电流I+时标准磁强计的读数,T;B2—恒流源输出电流I-时标准磁强计的读数,T。7.2.1.3磁场标量法a)校准点一般选择在磁场线圈最大磁场的50%以上;对于复现100μT以上的磁场线圈,校准点为80μT;复现磁场大于50mT的磁场线圈,校准点为50mT或线圈的最大工作磁场的50%以上。b)将被校磁场线圈的磁轴垂直地磁场的方向放置,将标准磁强计探头放置在被校磁场线圈磁场均匀区中心。按图1所示连接仪器,由恒流源给被校磁场线圈供电。c)根据磁场校准点选择恒流源的输出电流。d)标准磁强计为质子磁强计时,记录恒流源未输出电流时的背景磁场示值B0。e)恒流源输出选定的电流,记录电流测试仪示值Ix,标准磁强计的示值B+。f)将恒流源输出的电流大小保持不变,改变电流方向,记录标准磁强计的示值B-。g)标准磁强计为质子磁强计时,按公式(3)计算线圈常数:KBx=(3)式中:B+—恒流源电流正向输出时标准磁强计的读数,T;B-—恒流源电流反向输出时标准磁强计的读数,T;B0—恒流源未输出电流时标准磁强计的读数,T;Ix—电流测试仪的读数,A。h)标准磁强计为核磁共振磁强计时,按公式(4)计算线圈常数:KBx=(4)i)对于多轴磁场线圈,重复步骤b)~h),校准其他磁轴的线圈常数。7.2.1.4标准线圈法a)校准点一般选择在磁场线圈最大磁场的50%以上。b)按图2所示连接仪器,调整标准磁场线圈、被校磁场线圈的位置,使标准磁场线圈的磁场均匀区覆盖被校磁场线圈的磁场均匀区,并将指零磁强计放入被校磁场线圈工作区。5IIBBIIc)调整标准磁场线圈、被校磁场线圈、指零磁强计的方向，使其中心区域重合、磁轴平行。d)将指零磁强计示值清零。e)根据磁场校准点选择恒流源1的输出电流。f)保持恒流源1输出电流不变，改变恒流源2的输出电流，使指零磁强计示值为零。g)记录电流测试仪1的示值I₁、电流测试仪2的示值I₂+。h)保持恒流源1电流大小不变，改变方向，调节恒流源2的输出，使指零磁强计示值为零，记录电流测试仪2的示值I₂-。i)按公式(5)计算被校磁场线圈常数：I₁——电流测试仪1的示值，A;I₂+—-恒流源正向输出时电流测试仪2的示值，A;I₂_—-恒流源反向输出时电流测试仪2的示值，A;Kgo——标准磁场线圈的线圈常数，T/A。7.2.2磁场均匀度a)对于圆形或方形磁场线圈，在给定的磁场均匀区内，不少于按图3所示的7个测量点进行测量，包括：磁场线圈的中心(点O);磁场线圈的磁轴与磁场均匀区边沿的2个交点(点Y₁、Y₂);与磁轴正交且经过磁场线圈中心的两条正交线与磁场均匀区边沿的4个交点(点X₁、X₂、Z₁、Z₂)。对于螺线管磁场线圈，不少于按图4所示的5个测量点，即磁场线圈的磁轴与磁场均匀区边沿的两个交点之间均匀分布的5个点(点D₁~D₅)。6b)通过直尺测量，确定每个测量点的位置。c)按7.2的校准方法测量每个点的线圈常数。d)按公式(6)计算每个测量点上的线圈常数与中心点线圈常数的相对差值：△;——被校磁场线圈第i点线圈常数与磁场均匀区中心点的相对差值；K——被校磁场线圈第i点线圈常数，T/A;Kgo——被校磁场线圈磁场均匀区中心点的线圈常数，T/A。e)△;的最大值作为磁场线圈均匀度。8校准结果表达校准结果应在校准证书上反映。校准证书应至少包括以下信息：b)实验室名称和地址；c)进行校准的地点(如果与实验室的地址不同);d)证书的唯一性标识(如编号),每页及总页数的标识；e)客户的名称和地址；JJF1906—20217f)被校对象的描述和明确标识;g)进行校准的日期,如果与校准结果的有效性和应用有关时,应说明被校对象的接收日期;h)如果与校准结果的有效性或应用有关时,应对被校样品的抽样程序进行说明;i)校准所依据的技术规范的标识,包括名称及代号;j)本次校准所用测量标准的溯源性及有效性说明;k)校准环境的描述;l)校准结果及其测量不确定度的说明;m)对校准规范的偏离的说明;n)校准证书或校准报告签发人的签名、职务或等效标识;o)校准结果仅对被校对象有效的声明;p)未经实验室书面批准,不得部分复制证书的声明。校准证书内页格式见附录B。9复校时间间隔建议复校时间间隔一般不超过12个月。送校单位也可根据实际使用情况自主决定复校时间间隔。JJF1906—20218附录A线圈常数的不确定度评定示例以质子磁強计校准某最大磁场100μT的磁场线圈为例,校准磁场为80μT,进行测量不确定度评定。A.1测量模型线圈常数的测量模型为:KB=可简化为:KB=A.2测量不确定度主要来源测量不确定度主要来源包括:a)由测量重复性引入的不确定度分量urel(r);b)由标准磁强计测量磁场引入的不确定度分量u1,rel(B);c)由环境干扰磁场引入的不确定度分量u2,rel(B);d)由电流测量引入的不确定度分量u1,rel(I);e)由稳流源的稳定性引入的不确定度分量u2,rel(I)。A.3标准不确定度评定A.3.1由测量重复性引入的不确定度分量线圈常数的测量重复性用测量结果平均值的实验标准偏差表示,重复测量6次,测量结果分别为511.2240μT/A、511.2237μT/A、511.2235μT/A、511.2233μT/A、511.2239μT/A、511.2231μT/A,则:urel(r)=(KBi-KB)2i=1n-1=1.0×10-6A.3.2由标准磁强计引入的不确定度分量使用质子磁强计作为标准磁强计,经校准,测量不确定度为0.3nT(k=2),校准磁场为80μT,则:u1,rel(B)==1.9×10-6A.3.3由环境干扰磁场引入的不确定度分量校准过程中的干扰磁场一般不超过0.2nT,估计其服从均匀分布,分布半宽为0.2nT,校准磁场为80μT,则:u2,rel(B)=800=1.5×10-6JJF1906—20219A.3.4由电流测量引入的不确定度分量由八位半数字多用表和标准电阻组成电流测量系统,其最大允许误差不超过±5×10-6,按均匀分布考虑,则:u1,rel(I)==2.9×10-6A.3.5由稳流源的稳定性引入的不确定度分量稳流源经校准,在30min的稳定性为±5×10-6,估计其服从均匀分布,分布半宽为5×10-6,则:u2,rel(I)==2.9×10-6A.4标准不确定度一览表各标准不确定度汇总见表A.1。表A.1磁场线圈常数不确定度分量一览表不确定度分量不确定度来源评定方法分布k值灵敏系数ucurel(r)测量重复性A正态111.0×10-6u1,rel(B)标准质子磁强计磁场测量B均匀211.9×10-6u2,rel(B)干扰磁场B均匀11.5×10-6u1,rel(I)电流测量B正态312.9×10-6u2,rel(I)稳流源的稳定性B均匀12.9×10-6A.5合成标准不确定度计算各个不确定度分量独立不相关,则相对合成标准不确定度为:uc,rel(KB)==4.9×10-6A.6确定扩展不确定度取k=2,线圈常数相对扩展不确定度为:Urel(KB)=kuc,rel(KB)≈1×10-5JJF1906—202110附录B校准原始记录内页格式恒定磁场线圈校准原始记录一、基本信息记录编号:证书编号:委托方:委托方地址:器具名称:型号:制造厂名:器具编号:温度:℃相对湿度:%校准员:核验员:校准日期:校准地点:校准前后样品状态描述:二、校准用主要计量标准器名称型号规格出厂编号测量范围不确定度/准确度等级或最大允许误差证书编号有效期至三、校准结果记录1.线圈常数(1)磁场矢量法测量点电流I/A磁场B/T线圈常数KBx/(T/A)相对扩展不确定度Urel,