用于能量天平的标准大互感线圈的研制与测试

摘要

近年来,随着社会发展科技的进步,人们对仪器仪表的要求越来越高。高精度的仪器仪表提高了工业尤其是制造业的水平。在计量领域,人们逐渐觉得利用实物基准来定义和复现七个基本单位不能满足现代社会的需求,包括我国在内的很多国家都开始探索用量子方法来定义和复现国际单位制。半个多世纪以来计量学家们取得了令人瞩目的成绩,但质量单位一千克依然是以实物基准来定义的。目前,已有几种比较成熟的方法来重新定义千克,其中功率天平是一种较为成熟可行的方法。它的基本思想是利用用已经量子化的电磁力(基于量子霍尔化电阻和约瑟夫森电压)和重力平衡来定义千克基准。本文简单介绍了各种方案,尤其是我国的能量天平方案。本文首先对比了各种已有方案,重点论述了我国的能量天平方案。鉴于我国能量天平方案通过精确地测量直流互感梯度来导出质量,需要在互感为零的区域准确测量互感变化梯度(两个激励线圈的中心平面面),而众所周知,小互感的测量时非常困难的。在平衡位置叠加一个大量值的高稳定性互感偏置可以很好地是可以很好的解决这个难题。
　　本论文主要的内容是研究多线圈耦合的互感系统。首先通过分析影响互感稳定性的原因,通过对比实验,评估这些因素的影响程度,最终找到解决大互感稳定性不好的办法,研制出稳定性很好的多线圈耦合互感系统。
　　影响互感稳定性的因素可能包括不同温度、不同频率、不同电流、不同外部电磁环境等。实验数据证明,等电位屏蔽罩能大幅度改善对本课题设计互感线圈稳定性。实验表明温度对互感值的影响很大,对互感值的影响达到了4.89×10-5 H/℃,所以互感线圈需要在恒温状态下工作,实验室空气的温度能控制在一度以内,不工作时线圈的温度更是可以稳定在10-5以内;用30mA的电流作为工作电流,可以减小线圈发热问题。在以上两个条件保证了互感线圈能在能量天平上正常使用。分布电容对互感值没有直接影响,但测量互感时分布电容会对影响互感测量的准确性,应尽量减小。实验室中用12Hz与120Hz两种频率测互感得到的互感值有10-4量级的偏差。
　　本课题所研究互感线圈组可以提供多种互感值,并且短期稳定性都达到了10-7,满足了能量天平的使用要求。

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第1章 绪论

1.1 经典计量与实物基准

1.2 量子计量基准的发展概况

1.3 功率天平方案与硅球方案概述

1.4 能量天平方案

1.5 高精度互感的研究意义

1.6 本课题的主要内容和创新点

第2章 环形线圈与平绕线圈

2.1 互感的定义

2.2 互感线圈

2.3 环形线圈与平绕线圈

2.4 两种线圈的优缺点

2.5 本章小结

第3章 空心圆柱线圈的计算

3.1 计算电感的特殊性

3.2 线圈的自感

3.3 线圈的互感

3.4 互感线圈组设计

3.5 互感仿真

3.6 本章小结

第4章 互感线圈组的设计

4.1 铁芯的影响

4.2 温度的影响

4.3 互感线圈的分布电容

4.4 静电屏蔽对互感线圈的影响

4.5 骨架材料

4.6 导线的选择

4.7 补偿线圈的设计

4.8 1H互感线圈模型

4.9 软件仿真

4.10 本章小结

第5章 高稳定互感的测量结果和不确定度分析

5.1 标准方波法测互感

5.2 1H互感值测量结果的不确定度分析

5.3 其他互感值测量结果

5.4 本章小结

第6章 总结和展望

6.1 总结

6.2 对进一步研究工作的建议和展望

参考文献

附录

致谢