基于LabVIEW 与 PXI创建用于SPring-8大型同步加速辐射设备的移相器诊断系统

反位线圈直流积分磁场测量系统

 “通过使用LabVIEW图形化的编程与众多函数，我们可以很容易地创建与测试内容相应的控制程序。”

– 伊藤 功 氏, 東京大学物性研究所 軌道放射物性研究施設

挑战：
创建一套系统以缩短执行直流(DC)积分磁场测量的时间。

解决方案：
使用NI LabVIEW 实时模块与 NI PXI硬件来创建一个反位线圈直流(DC)积分磁场测量系统。

作者:
伊藤 功 氏 - 東京大学物性研究所 軌道放射物性研究施設 

东京大学的研究人员在大型同步加速辐射设备SPring-8 (图1)的基础上建造了高强度的软X射线发生线，用于尖端材料科学研究。

图 1.  高强度软X射线发生线，用于材料科学研究

他们在射束发生线中安装了一个极化控制波荡器来转变同步加速辐射的极性(图 2)。波荡器是一种通过重复地弯曲电子束轨道来产生高强度同步加速辐射的装置。

图 2.  极化控制波荡器的原理

极化控制波荡器由四个产生水平极化的波荡器与四个产生垂直极化的波荡器组成。波荡器与电磁移相器交替放置相互隔开。移相器安置有三块极性电磁铁，因此极性也是交替的。当移相器受到激励，会产生周期性变化的磁场。当电子束通过交变磁场，它沿着凸轨运行。凸轨会在水平与垂直极化之间产生相位差。通过控制相位差，以及叠加水平与垂直极化，就可以产生线极化与左/右圆极化。

为了使用极化控制波荡器产生高质量的同步加速辐射，移相器必须满足几个条件，包括：

1. 移相器的磁场应当具有持续稳定的输出，从而不会降低同步加速辐射的质量，或是引起整个电子束轨道的弯曲以及波动。

2. 当电子束通过移相器时所受到的磁场应当接近于零，这样电子束的轨道在凸轨前后就不会有太大的改变。换句话说，移相器从输入到输出之间的磁场积分值(下文中，我们称之为积分磁场[G･cm])应该尽可能接近零。

为了满足这些条件，我们设计制作了一个移相器原型机(图3)。

图 3. 移相器原型机的外观图与示意图

对于移相器要求的性能评估，我们采用测量直流(DC)磁场的方式。在开发基于NI软硬件的系统之前，我们先着手构建由霍尔探头与三维运动装置组成的直流磁场测量系统。

图 4.  使用霍尔探头与三维运动装置的直流积分测量系统

这套系统可以通过三维运动装置缓慢地将霍尔探头伸入移相器来测量磁场分布，并对移动距离执行积分。尽管如此，这并不足以来评估条件(1)，因为这套系统只对某个位置进行数值测量来评估磁场的稳定性与重复性。此外，由于这套系统是通过缓慢地移动霍尔探头穿过移相器的输入与输出口来测量直流磁场分布，需要花费大约三个小时来完成测量，而且受温度影响的电源与测量设备对于评估条件(2)来说是必不可少的。因此，我们开发了反位线圈直流积分磁场测量系统，从而快速地，高精度地测量直流积分磁场。

图5显示了由反位线圈执行直流积分磁场测量的原理图。

图 5.  使用反位线圈进行直流磁场测量的原理

如图5所示，当一个线圈(匝数 = N, 长度 = L, 宽度 = W)在直流磁场(B₀)内转动时，线圈内会产生感应电压(V)，如下列方程所示：

Furthermore, when the induction voltage is integrated by the rotation time, integral magnetic field (B₀L) is solved by the following equation:

此外，当使用转动时间对感应电压进行积分时，积分磁场(B₀L)可由如下的方程来求解：

Because this method performs the measurement within the flip coil rotation time, it is not affected by the temperature dependence in the power supplies and the measurement devices.

因为这种方法在反位线圈转动时间内执行测量，所以不受对温度依赖较大的电源与测量装置的影响。

系统需求

反位线圈直流积分磁场测量系统必须满足如下要求：

A.    控制线圈电流，使其具有充分的精度，稳定性，以及重复性，从而产生一个尽可能接近零的积分磁场(理想值, 1 mA 或更低)。

B.    执行数据采集时具有充分的精度，从而可以测量接近于零的积分磁场(理想值, 10 G cm 或更低)。

3. 在步进马达控制与积分磁场测量之间具有同步性与确定性，从而可以通过旋转反位线圈来测量感应电压。
4. 赋予用户创建与测试内容相应的控制程序的能力。

综合考虑这些需求，我们选择了NI LabVIEW实时模块 与 NI PXI 系统来构建反位线圈直流积分磁场测量系统。

系统结构

图6显示了反位线圈直流积分磁场测量系统的外观图与框图。

图 6. 反位线圈直流积分磁场测量系统的外观图与框图

反位线圈具有一个600 mm 乘 5 mm的玻璃钢卷轴，缠绕了10圈直径为0.2 mm的铜线。我们使用一个东方马达(Oriental Motor)公司的RK566BE步进马达来转动线圈，转速为180度/0.5–1 s。我们使用欧姆龙公司的E6B2-CWZ6C增量式编码器来测量线圈转动角度。

我们使用NI PXI-6123同步采样多功能数据采集(DAQ)设备，NI PXI-6221 多功能M系列DAQ设备，NI PXI-6733 高速电压输出模块，NI PXI-7330 运动控制器，以及 NI PXI-8106 嵌入式控制器来构建反位线圈控制系统。我们使用LabVIEW Real-Time中创建的VI来控制这些设备。

图 7.  反位线圈控制器VI “控制反位线圈.vi”的前面板

对于控制过程来说，我们从PXI-6733传送一个外部参考信号给电源。电源将与外部参考信号相应的电流输送到移相器。传送给移相器的电流涨落波形应该控制在每秒0.1 A以内。当移相器被直流电流激励时，运动控制器转动反位线圈，通过两个DAQ设备来同步(20 MHz)反位线圈转动角度(编码信号)与移相器直流磁场(反位线圈感应电压)，测量数据就可以被收集。因为反位线圈感应电压很微弱，我们使用低噪声的前置放大器来进行放大。我们使用方程a 和 b将测量的感应电压转化成积分磁场。前面所涉及的控制过程都由实时操作系统(OS)来执行。图7显示了反位线圈控制器VI “控制反位线圈.vi” 的前面板。

结果

控制电流的PXI-6733可以输出一个精度为0.3 mV的模拟信号，因此通过将此模拟信号输入电源的外部参考信号端，流入移相器的电流就可以控制在0.3 mA的精度。这样就充分实现了条件A。

PXI-6123具有一个16位的模数转换器(ADC)，它可以测量较小为±1.25 V的动态范围，因而可以算得精度为2.5 V/216=40 μV。使用此DAQ模块以及增益为20dB的低噪声前置放大器，我们可以实现0.4 μV (40 μV/100)的精度。通过方程b将0.4 μV的精度转换为积分磁场，得到的值为2 G x cm。这样也就充分满足了条件B对精度的要求。

因为电压输出模块与DAQ模块两者使用了相同的时钟速率(20 MHz)，我们可以将移相器的电源与积分磁场测量同步，实现50 ns的精确度。此外，因为内置的PXI-8106控制器具有实时操作系统(OS)，控制程序不会被任何中断所延迟，执行的时间确定性为微秒级别。这一点充分满足了条件C。

通过使用 LabVIEW 图形化的编程与众多功能，我们可以很容易地创建与测试内容相应的控制程序。例如，我们可以很容易地通过NI-DAQmx功能与误差布线来实现运动控制器与两个DAQ模块之间的同步。此外，我们可以使用LabVIEW来很容易地创建锯齿波形控制程序，从而在电流流入移相器的时候提高恒定时间间隔的电流值。这一

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