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

"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
​Mr. Ito Isao - Synchrotron Radiation Laboratory, Institute of Solid State Physics, University of Tokyo

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。

 

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。

 

 

 

 

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)。

 

 

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。

 

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。

 

 

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:

 

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:

 

 

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:

  1. 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)。
  2. 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。

 

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。

 

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​最小​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​一点​充分​满足​了​条件​D。

 

 

安装​效果

图​8 (左)​显示​了​仅​由​移​相​器​的​中央​磁铁​产生​约​640 G​的​直流​积分​磁场​时,​反​位​线圈​的​感应​电压​值。​反​位​线圈​以​180 度/​0.8 s​的​速度​逆​时​针​旋转。​图​8 (右)​显示​了​感应​电压​对​旋转​速度​的​积分。​通过​重复​五次​这种​测量,​得到​的​平均值​的​标准​偏差​是​0.12230±0.00004 V・​s。​因为​N = 10 而 W = 5.2 mm,​由​方程​b​所​得到​的​直流​积分​磁场​是​10888±4 G・​cm。

 

使用​LabVIEW 与 NI PXI​系统​构​建​的​反​位​线圈​直流​积分​磁场​测量​系统​实现​了​0.3 mA​的​电流​波形​控制​精度,​以及​2 G x cm​的​积分​磁场​测量​精度。​这样​就将​原来​需​耗​时​近​三​个​小时​的​直流​积分​磁场​测量​在​一秒​内​完成。​我们​现在​可以​使用​反​位​线圈​直流​积分​磁场​测量​系统​来​高度​稳定,​重复​地​实现​评估​测试。

图​1. ​ ​用于​材料​科学​研究​的​高​强度​的​软​X​射线​发生​线​概​览 ​
图 2. ​ 极化​控制​波荡​器​的​原理 ​
图 3. ​ 移​相​器​原型​机​的​外观​图​与​示意​图 ​
图 4. ​ ​使用​霍​尔​探​头​与​三维​运动​装置​的​直流​积分​测量​系统 ​
图 5. ​ ​使用​反​位​线圈​进行​直流​磁场​测量​的​原理 ​
图 6. ​ ​反​位​线圈​直流​积分​磁场​测量​系统​的​外观​图​与​框​图 ​
a.
b.
图 7. ​ ​反​位​线圈​控制器​VI “控制​反​位​线圈.vi”的​前​面板 ​
图 8. ​ ​反​位​线圈​的​感应​电压 ​