吨位标定仪

磁矩，是磁铁或载流体提供磁场能力的一种度量，得自其中所有闭合电流与回路面积相乘并矢量求和。关注和应用好磁矩，事关我们手机中的时钟更加精准(让原子钟的磁矩不受干扰)，事关我们更早且更加清晰的看到体内发生的病变(核磁共振成像)，事关我们用上更加绿色高效的电动车与发电机(高性能稀土永磁电机)，事关我们从源头获知太阳与地球的演化规律并对灾害进行预测与防范(行星磁天气)……。由于未发现直接关联频标的量子效应，磁矩未被2019年颁布的新国际单位制列入量子基准序列，而且世界现行的磁性测量设备中参考的磁矩标准仍然完全依赖于镍球等实物。为了建立跟磁矩的重要性相匹配的计量手段，解决实物磁矩标准随温度、压力等环境影响的固有问题，一方面继续探索让磁矩关联频标的量子效应；另一方面应当尽快建立磁矩跟频标基准的间接关联。自20世纪50年代以来，振动样品磁强计(VSM)被开发并广泛用于研究物质磁性，尤其是尺寸形态受限材料的基本磁性，与磁天平和超导量子干涉仪(SQUID)等设备相比，VSM在磁矩测量范围、操作方便性和环境兼容性方面具有巨大优势，故而已成为表征磁性材料特性的标准仪器，其测量的精准度和可靠性提高对于磁性材料产业升级至关重要。美国国家技术研究所(NIST)曾引入比较法和斜率法两种不确定度约为0.5%的VSM校准方法，比较法使用标准镍球等实物的饱和磁矩点作为参考对象来标定设备磁矩；斜率法使用磁导率2000以上磁性材料，通过磁矩与磁场的线性依赖曲线实现磁矩和外部磁场的关联标定。原则上VSM也可以在没有标准参考的情况下运用非线性探测线圈的结构系数进行校准，然而除了无法溯源以及线圈系统的制造和组装过程偏离理想设计之外，内标非线性检测线圈的均匀鞍区比标准VSM小得多，对样品位置和振幅敏感也导致较大的不确定性。美国材料测试标准委员会(ASTM)等组织也曾经建议过使用线圈进行宽范围磁矩的标定，但标定不确定度以及如何准确溯源到量子基准，并未清晰描述。因此，宽范围、高精准度且不依赖于实物可独立溯源的磁矩标定是VSM计量校准中的一个重要问题。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室长期围绕我国稀土磁性材料产业升级过程中对测量设备的迫切需求，致力于提升材料磁性测量的精准度和一致性，同时攻克磁矩不能量子溯源等基础难题。公共技术组陆俊副主任工程师长期从事精密磁性测量研究，运用高灵敏与大鞍区的振动样品磁强计探测线圈阵列的研发、锁相放大器等关键技术积累，与M03组许志一副主任工程师以及计量院张志高与贺建高工合作，在部件完全国产的振动样品磁强计中，磁矩量通过电流线圈进行量子溯源。为了实现首次建立磁矩测量与计量通往量子基准的路径，让磁矩量不依赖于线圈的材质、匝数、温度与磁场的环境影响，线圈绕组匝面积和直流电流分别使用磁通计和量子电流标准进行原位标定；磁通计分别通过伏秒发生器和核磁共振（NMR）对磁通量和磁场进行标定，从而容易地溯源到量子基准；此外，电流磁矩的标定以电流差值引起磁矩变化作为依据，原位扣除掉材质等背景影响，以避免线圈材质磁性及外场对静态磁矩的影响。为了确保大范围磁矩标定的稳定性和复现性，一方面要绕制尺寸较小同时载流能力较大的磁矩线圈，更重要的是设计并实现专门用于量子溯源标定的VSM探测线圈阵列。国内外商用的VSM的通常1%均匀区范围不超过2毫米，远不能满足让磁矩线圈获得跟NIST镍球标准可比拟的精准度，这在很大程度上制约了前述利用电流磁矩线圈进行量子溯源难题的解决。碰巧，陆俊对于VSM探测线圈系统的设计已有多年的研究积累，他根据互易原理设计并系统优化四线圈VSM探测阵列，从Biot-Sarvart定理出发逐层建构线圈阵列的灵敏度因子对应的磁场梯度分布仿真平台。通过分析检测线圈的结构和配置中的五个主要参数：主直径、垂直间距、水平间距、径向绕组数和绕层数，寻求出逐步收敛的方式优化多参数，实现纵向8毫米内0.1%不均匀度的鞍区设计指标。通过线圈磁矩标定系统的设计制作调试与在VSM中反复验证，陆俊与张志高、许志一、以及贺建合作，将0.3%不确定的鞍区尺度提高到8毫米，使得磁矩微线圈以低不确定度标定，最终实现磁矩计量在宏观磁性测量设备中的突破：设计并验证可溯源到量子基准的磁矩线圈不仅能在四个数量级范围内进行标定，不受外加磁场变化与温度波动干扰，而且在2.5~3.7微安平方米之间的精准度达到0.3%(优于不确定度为0.5%的NIST镍球标准)，在计量标准源头解除我国磁性测量设备对国外的依赖，且有助于国际磁性测量标准的改进。国际单位制的变迁反映人类认知客观世界的整体水平的逐步提升，磁矩在电磁量纲体系中仍然处于短板地位，一定程度上制约着电磁学的总体认知。为了深入磁矩的测量，磁学实验室将继续发挥自身基础研究的职责优势，跟国内外同仁一道，进一步通过系统降低测量不确定度来提高磁矩量子溯源的水平，同时不断探索直接关联宏观效应与微观磁矩的量子效应。宽范围磁矩溯源量子基准的标定研究，应用于振动样品磁强计的详细进展，近期发表于IEEE仪器与测量专刊【IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 71 (2022) 1006009】。本工作的资助先后获自国家自然科学基金(批准号：51327806、12174425）、中国科学院青年创新促进会（批准号：2018009）、中国科学院重点研究计划项目（批准号：ZDRW-CN-2021-3)、以及科技部重点研发计划(批准号：2018YFF0212603、2021YFF0701000)。图1 运用电流量子溯源的磁矩线圈在振动样品磁强计中进行磁矩标定的仪器结构图图2 振动样品磁矩探测线圈阵列的多参数系统设计与优化过程分析数据曲线图集图3 经磁场梯度均匀性优化的探测线圈阵列，鞍区内灵敏度分布仿真图图4 振动样品磁强计中用磁矩线圈标定的量子溯源路径示意图图5 实测的均匀区范围以及磁矩测量准确性随振动幅度依赖曲线图6 量子溯源标定线圈的磁矩稳定性曲线图7 量子溯源标定线圈的磁矩量值跨四个数量级准确性以及跟NIST现有标准性能对照曲线

仪器信息网讯 2012年10月28日，长春机械科学研究院历时一年研发，集合公司最先进的测试软件和控制器技术的全新电子式大吨位系列试验机新产品在长春亮相。 150吨电子压力试验机 　　以往，由于技术原因电子式试验机能够达到的最大试验力都比较小，一般在300-500kN，不能满足更大加载试验力的需求。如今，长春机械科学研究院成功研制出国内第一台1500kN电子式试验机。该系列试验机创造了国内电子式试验设备的最大试验力记录，打破了国外企业在大吨位电子式试验设备方面的垄断局面，为我国尖端制造业发展提供了技术保证，代表了我国当前在电子式试验设备方面的较高技术水平。 　　另外，随着环保意识的不断提高，传统的液压式试验设备由于体积、噪音、能耗等诸多固有特征，越来越不适合现代化试验室的需求，低能耗低噪音的电子式试验设备将成为高端试验室的需求趋势。 　　该系列试验设备特征: 　　※采用伺服电机进行加载，噪音小、无过冲现象 　　※采用TPHS(Thick plate High stiffness)重型框架结构设计，确保高刚度变形小，重复试验结果误差小 　　※试验空间大，方便试样夹持 　　※传动、减速均采用齿形带配丝杆副结构，效率更高，更平稳，噪音小 　　※配置长春机械科学研究院最新研制的CLY20型电子万能试验机专用高精度负荷传感器(曾荣获国家科技进步2等奖)，传感器刚度大、独有的非线性数据校正技术，确保长时工作稳定可靠性 　　※系统采用三闭环控制，无冲击平滑转换，技术运用更成熟 　　※自动、手动切换操作 面板、电脑双重控制。 　　关于长春机械科学研究院: 　　长春机械科学研究院有限公司(原机械工业部长春试验机研究所)始建于1959年，是国家试验机行业技术归口单位，现隶属于世界500强大型央企——中国机械工业集团。 　　长春机械科学研究院拥有五十多年试验设备的研发制造经验及国内最大的工程试验设备研发团队，是目前国内科研能力最强的工程试验研究院所，专业基础力学试验设备、岩石岩土试验设备、土木建筑结构力学试验设备及汽车零部件检测设备、试验机附具附件等试验设备的研发制造。 　　目前，长春机械科学研究院有限公司在全国设有10个营销及售后服务中心，覆盖全国30个省及地区，已为上千家高校、企业、机构提供上万套各类试验设备。五十年研发制造经验为您量身打造各种试验解决方案。

2012年10月28日，我国在试验测试领域又传来了好消息，在众多客户的期待和瞩目中，历时一年研发，集合长春机械院最先进的测试软件和控制器技术的全新电子式大吨位系列试验机新产品终于亮相长春，迈出了全国发布的第一步。 以往，由于技术原因电子式试验机能够达到的最大试验力都比较小，一般在300-500kN，不能满足更大加载试验力的需求。 如今，试验机领域行业龙头&mdash &mdash 长春机械科学研究院成功研制出中国第一台1500kN电子式试验机。多年前长春机械院就瞄准了电子式高端试验设备技术的发展方向，不断加大科研投入，经过多年的努力，突破了多项关键技术，终于在大吨位电子式试验设备研发方面取得了骄人的成绩。在技术上，长春机械院又走在了全国试验机行业的前沿。 该系列试验机创造了国内电子式试验设备的最大试验力记录，打破了国外企业在大吨位电子式试验设备方面的垄断局面，为我国尖端制造业发展提供了技术保证，代表了我国当前在电子式试验设备方面的最高技术水平。 随着环保意识的不断提高，传统的液压式试验设备由于体积、噪音、能耗等诸多固有特征，越来越不适合现代化试验室的需求，低能耗低噪音的电子式试验设备将成为高端试验室的需求趋势，我们相信凭借长春机械院领先的技术优势和丰富的电子式试验设备种类，将引领中国试验机行业迎接电子式试验机新时代的到来。 该系列试验设备特征: 采用伺服电机进行加载，噪音小、无过冲现象 采用TPHS（Thick plate High stiffness）重型框架结构设计，确保高刚度变形小，重复试验结果误差小。 试验空间大，方便试样夹持 传动、减速均采用齿形带配丝杆副结构，效率更高，更平稳，噪音小 配置长春机械院最新研制的CLY20型电子万能试验机专用高精度负荷传感器(曾荣获国家科技进步2等奖)，传感器刚度大、独有的非线性数据校正技术，确保长时工作稳定可靠性 系统采用三闭环控制，无冲击平滑转换，技术运用更成熟 自动、手动切换操作；面板、电脑双重控制 关于长春机械院: 长春机械科学研究院有限公司（原机械工业部长春试验机研究所）始建于1959年，是国家试验机行业技术归口单位，现隶属于世界500强大型央企&mdash &mdash 中国机械工业集团。 长春机械院拥有五十多年试验设备的研发制造经验及国内最大的工程试验设备研发团队，是目前国内科研能力最强的工程试验研究院所，专业基础力学试验设备、岩石岩土试验设备、土木建筑结构力学试验设备及汽车零部件检测设备、试验机附具附件等试验设备的研发制造。 目前，长春机械科学研究院有限公司在全国设有10个营销及售后服务中心，覆盖全国30个省及地区，已为上千家高校、企业、机构提供上万套各类试验设备。 五十年研发制造经验 为您量身打造各种试验解决方案