| 标准编号 | JJF 1832-2020 (JJF1832-2020) | | 中文名称 | (1mT～2.5T)磁强计校准规范 | | 英文名称 | Calibration Specification of (1mT~2.5T) Magnetometers | | 行业 | 计量行业标准 | | 中标分类 | A55 | | 国际标准分类 | 17.220 | | 字数估计 | 23,251 | | 发布日期 | 2020 | | 实施日期 | 2020-04-17 | | 发布机构 | 国家市场监督管理总局 | JJF 1832-2020: (1mT～2.5T)磁强计校准规范
中华人民共和国国家计量技术规范
(1mT~2.5T)磁强计校准规范
2020-01-17发布
2020-04-17实施
国 家 市 场 监 督 管 理 总 局 发 布
(1mT~2.5T)磁强计校准规范
(1mT~2.5T)Magnetometers
代替JJG242-1995
归 口 单 位:全国电磁计量技术委员会
主要起草单位:湖南省计量检测研究院
中国计量科学研究院
参加起草单位:长沙天恒测控技术有限公司
本规范委托全国电磁计量技术委员会负责解释
本规范主要起草人:
李庆先 湖南省计量检测研究院
徐 昱 湖南省计量检测研究院
张 伟 中国计量科学研究院
参加起草人:
周克宏 湖南省计量检测研究院
周新华 长沙天恒测控技术有限公司
目 录
引言 (Ⅱ)
1 范围 (1)
2 引用文件 (1)
3 术语和计量单位 (1)
3.1 磁强计 (1)
3.2 零位漂移 (1)
3.3 基本量程 (1)
4 概述 (1)
5 计量特性 (2)
5.1 磁通密度示值误差 (2)
5.2 探头正、反向示值差值 (2)
5.3 零位漂移 (2)
5.4 升降变差 (2)
6 校准条件 (2)
6.1 环境条件 (2)
6.2 测量标准及其他设备 (3)
7 校准项目和校准方法 (3)
7.1 校准项目 (3)
7.2 校准方法 (4)
8 校准结果表达 (7)
9 复校时间间隔 (8)
附录A 霍尔片与磁场夹角对测量结果的影响 (9)
附录B 磁通密度示值误差测量不确定度评定示例 (10)
附录C 磁强计校准原始记录格式 (13)
附录D 校准证书内页格式 (15)
引 言
本规范依据JJF1071-2010 《国家计量校准规范编写规则》、JJF1059.1-2012 《测
量不确定度评定与表示》编写。
本规范是对JJG242-1995 《特斯拉计》的修订。与JJG242-1995相比,除编辑
性修改外,本规范主要技术变化如下:
---规范的名称改为 (1mT~2.5T)磁强计;
---增加了引言、引用文件、术语;
---示值回程误差改为升降变差;
---示值变动性改为短期稳定性。
本规范的历次版本发布情况:
---JJG242-1995;
---JJG242-1982。
(1mT~2.5T)磁强计校准规范
1 范围
本规范适用于测量1mT~2.5T直流磁场磁强计的校准,也适用于多功能磁强计
的直流磁场测量部分的校准。
2 引用文件
本规范引用了下列文件:
JJF1013-1989 磁学计量常用名词术语及定义 (试行)
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 术语和计量单位
3.1 磁强计 magnetometer
测量磁场强度或磁通密度 (磁感应强度)的仪表。
3.2 零位漂移 zerodrift
磁强计探头置于零磁场腔内,其示值偏离零位的变化量。
3.3 基本量程 basicrange
磁通密度最大允许误差最优的量程。
4 概述
磁强计是用于测量物体在空间上一个点的磁通密度 (磁感应强度)的仪表,其中以
霍尔效应磁强计最为典型。磁强计按显示方式分为数字式磁强计和指针式磁强计,其原
理结构框图分别如图1和图2所示。磁强计探头按测量磁场方向分为径向探头和轴向
探头。
图1 典型数字式磁强计原理结构框图
图2 典型指针式磁强计原理结构框图
磁通密度按公式 (1)计算。
B=-
EHd
RHI
(1)
式中:
B---直流磁场的磁通密度,T;
EH---半导体片中产生的霍尔电动势,V;
d---半导体片的厚度,m;
RH---半导体片的霍尔系数,m3/C;
I---半导体片中通过的电流,A。
5 计量特性
5.1 磁通密度示值误差
最大允许误差一般不超过± (0.02%~10%)。
5.2 探头正、反向示值差值
磁强计探头正、反向示值的差值一般不超过其最大允许误差。
5.3 零位漂移
零磁场腔内,磁强计的零位漂移一般不超过其最大允许误差的1/3。
5.4 升降变差
指针式磁强计的升降变差一般不超过其与量程值有关的误差系数值。
注:上述指标不适用于合格性判别,仅供参考。
6 校准条件
6.1 环境条件
校准磁强计时,环境条件应满足表1的要求。
表1 环境条件
项 目 要 求
环境温度 20℃±2℃
表1(续)
项 目 要 求
相对湿度 ≤80%
环境磁场 外磁场磁通密度值小于被校磁强计最大允许误差的1/5
供电电源电压 220V±22V
供电电源频率 50Hz±1Hz
6.2 测量标准及其他设备
磁强计校准装置由零磁场腔、磁场线圈 (亥姆霍兹线圈、螺线管等)、电磁铁、励
磁电源、直流电流表、探头位置调节装置、标准磁强计 (或磁强计标准表)等组成。校
准装置须经过高一级计量标准的检定 (或校准),其合成标准不确定度不超过被校磁强
计最大允许误差的1/3。
6.2.1 零磁场腔
零磁场腔内的磁通密度不大于1×10-6T。
6.2.2 磁场线圈
磁场的磁通密度范围为1mT~100mT时,磁场发生器可用磁场线圈。磁场线圈
可以是亥姆霍兹线圈、螺线管线圈等。线圈磁场的均匀区内,磁场均匀性所带来的误差
不大于被校磁强计最大允许误差绝对值的1/5,线圈常数引入的误差不大于被校磁强计
最大允许误差绝对值的1/5。
6.2.3 电磁铁
磁场的磁通密度范围为10mT~2.5T时,磁场发生器可用电磁铁。电磁铁的极面
须平整,两个极面保持平行。电磁场均匀区内,磁场均匀性所带来的误差不大于被校磁
强计最大允许误差绝对值的1/5。
6.2.4 励磁电源
励磁电源电流在60s内的变化值不超过被校磁强计最大允许误差绝对值的1/5。
6.2.5 直流电流表
直流电流表可集成在励磁电源内,亦可单独外置,用于测量磁场线圈的励磁电流,
其误差不超过被校磁强计最大允许误差绝对值的1/5。
6.2.6 探头位置调节装置
探头位置调节装置可调节标准磁强计探头与被校磁强计探头的空间位置,并带探头
方向旋转功能,以保证探头霍尔片与磁场方向垂直。探头位置及方向调节所产生的误
差,不超过被校磁强计最大允许误差绝对值的1/5。
6.2.7 标准磁强计
标准磁强计可以是核磁共振磁强计、霍尔效应磁强计等。其允许误差不超过被校磁
强计最大允许误差绝对值的1/3,在一年内的误差改变量不超过其最大允许误差。
7 校准项目和校准方法
7.1 校准项目
校准项目见表2。
表2 校准项目一览表
序号 校准项目 校准方法条款
1 外观及通电检查 7.2.1
2 零位漂移 7.2.2
3 磁通密度示值误差 7.2.3
4 探头正、反向示值差值 7.2.4
5 升降变差① 7.2.5
① 仅适用于指针式磁强计。
7.2 校准方法
7.2.1 外观及通电检查
7.2.1.1 新生产的磁强计的外壳、外露开关、功能按键、相应标志应完备无损;使用
中和修理后的磁强计不应有影响正常工作的损伤和缺陷。
7.2.1.2 磁强计的产品名称和型号、制造厂名、出厂编号等均应有明确标记。
7.2.1.3 磁强计的附件应齐全。探头与磁强计应配套,并提供其使用说明书。
7.2.1.4 磁强计的连接线无松动,开关和按键功能正常,通电后应能正常工作。
7.2.2 零位漂移
7.2.2.1 按照被校磁强计的使用说明进行预热。
7.2.2.2 将被校磁强计探头置于零磁场腔内,调整其量程至最低量程挡。
7.2.2.3 将被校磁强计调零,根据使用要求选择记录的时间 (如无要求,可选60s),
记录该时间内读数的最大值Bmax与最小值Bmin。零位漂移按公式 (2)计算。
Bp=Bmax-Bmin (2)
式中:
Bp---被校磁强计的零位漂移,T;
Bmax---磁强计读数的最大值,T;
Bmin---磁强计读数的最小值,T。
7.2.3 磁通密度示值误差
7.2.3.1 选择校准点
根据使用要求选择校准点。如无要求,则参照下述方式选取:
---指针式磁强计。基本量程选择测量范围内带有数字分度线的点为校准点,校准
点数量不少于3点;非基本量程的校准点,选择两个点:基本量程误差的最大点和上
限点。
---数字式磁强计。基本量程可选择 (但不限于)量程挡的上限、80%量程点、
60%量程点、40%量程点、20%量程点为校准点;非基本量程一般选取3个点。
被校磁强计磁通密度值示值误差按公式 (3)计算。
Ex=Bx-Bs (3)
式中:
Ex---被校磁强计磁通密度的示值误差;
Bx---被校磁强计指示值;
Bs---磁场磁通密度参考值 (标准值)。
7.2.3.2 磁场发生器
磁场发生器可采用磁场线圈和电磁铁。
a)磁场线圈
采用亥姆霍兹线圈、螺线管等产生磁场时,磁通密度的参考值可采用标准磁强计测
量得到;亦可由励磁电源的电流值与磁场线圈常数按公式 (4)计算得到。
Bn=K·In (4)
式中:
Bn---选定第n个校准点时,磁场的磁通密度值 (也称参考值),T;
K---磁场线圈的线圈常数,T/A;
In---选定第n个校准点时,直流电流表的读数,A。
采用亥姆霍兹线圈、螺线管产生磁场时的校准连接示意图如图3~图5所示。
图3 采用亥姆霍兹线圈校准径向探头磁强计示意图
图4 采用亥姆霍兹线圈校准轴向探头磁强计示意图
图5 采用螺线管校准轴向探头磁强计示意图
b)电磁铁
采用电磁铁作为磁场发生器时,磁通密度的参考值采用标准磁强计测量得到。其校
准连接示意图如图6所示。
图6 采用电磁铁校准磁强计示意图
7.2.3.3 同时比较法
同时比较法是将标准磁强计探头和被校磁强计探头同时置于同一磁场中。
校准步骤如下:
a)将被校磁强计探头置于零磁场腔内,分别选择磁强计的各个量程挡,待其读数
稳定后依次进行调零操作。
b)将标准磁强计探头和被校磁强计探头分别置于探头调节装置上,并将两个探头
置于磁场发生器的均匀区内,在磁通密度大于50%条件下反复调节两个探头的位置和
角度,使它们接近磁场中心点,并使得各自的读数最大,然后保持探头不动。
c)对于数字式磁强计,根据7.2.3.1选定的校准点,调节励磁电源的输出电流,
依次记录各个校准点处磁通密度参考值Bs和被校磁强计的读数Bx。
对于指针式磁强计,根据7.2.3.1选定的校准点,缓慢地增加励磁电源的输出电
流,使被校磁强计的指针顺序地指示在各个数字分度线上,并记录这些校准点处磁通密
度参考值;继续增大励磁电源的输出电流,使被校磁强计指示至量程的上限以上,然后
缓慢减小励磁电源的输出电流,使指针顺序地指示在各个数字分度线上,并记录这些校
准点处磁通密度的参考值Bs。
d)如磁场发生器为磁场线圈,磁通密度参考值可按公式 (4)计算得到,亦可由
标准磁强计测量得到。如磁场发生器为电磁铁,则由标准磁强计测量得到。
磁通密度值示值误差按公式 (3)计算。
7.2.3.4 替代比较法
替代比较法是用标准磁强计探头和被校磁强计探头轮换测量同一位置磁场的磁通
密度。
校准步骤如下:
a)按照7.2.3.3的步骤a)进行调零操作;
b)将标准磁强计探头置于探头调节装置上,移动探头调节装置使探头置于磁场发
生器的均匀区内,在较大磁场条件下反复调节探头的位置和角度 (附录A),使它接近
磁场中心点,并使其读数最大,记录标准磁强计读数Bs。然后把标准磁强计探头更换
成被校磁强计探头,重复以上操作,并记录被校磁强计的读数Bx。
c)根据7.2.3.1的要求选择校准点,重复上述的测量步骤。
d)磁通密度参考值由标准磁强计测量得到。
磁通密度值示值误差按公式 (3)计算。
7.2.4 探头正、反向示值差值
对于可双向指示的磁强计,在大于满量程值3/4的同一标准磁场中,分别测量探头
正向示值和反向示值。按公式 (5)计算探头的正、反向示值差值。
ΔB=|Bf|-Bz (5)
式中:
ΔB---被校磁强计的探头正、反向示值差值,T;
Bf---被校磁强计的探头反向示值,T;
Bz---被校磁强计的探头正向示值,T。
7.2.5 升降变差
指针式磁强计须测量升降变差。升降变差的测量可与磁通密度误差的测量同时进
行,按公式 (6)计算每一个校准点处的升降变差。
γ变 =
Br-Bd
Bm ×
100% (6)
式中:
γ变---某个校准点处的升降变差,T;
Br---某个校准点处进行磁场上升测量时,磁通密度的参考值,T;
Bd---某个校准点处进行磁场下降测量时,磁通密度的参考值,T;
Bm---被校磁强计读数,T。
比较各个校准点处的升降变差,取其中的最大值作为指针式磁强计的升降变差。
8 校准结果表达
8.1 数据修约
被校仪器的误差数据计算后,应采用四舍五入及偶数法则进行修约,末位数应修约
到被校仪器最大允许误差的1/10。判断被校仪器的误差是否超过最大允许误差时,应
以修约后的数据为准。
8.2 校准证书
校准结果应在校准证书 (报告)上反映,校准证书 (报告)应至少包括以下信息:
a)标题,如 “校准证书”;
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)证书或报告的唯一性标识 (如编号),每页及总页数的标识;
e)客户的名称和地址;
f)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)对校准所依据的技术规范的标识,包括名称及代号;
i)本次校准所用测量标准的溯源性及有效性说明;
j)校准环境的描述;
k)校准结果及其测量不确定度的说明;
l)对校准规范的偏离的说明;
m)校准证书和校准报告签发人的签名、职务或等效标识;
n)校准结果仅对被校对象有效的声明;
o)未经实验室书面批准,不得部分复制证书或报告的声明。
8.3 校准原始记录格式见附录C,校准证书 (报告)内页格式见附录D。
9 复校时间间隔
建议复校时间间隔为1年。送校单位也可根据实际使用情况自主决定复校时间
间隔。
附录A
霍尔片与磁场夹角对测量结果的影响
磁场磁通密度为矢量,用磁强计进行测量时,霍尔片的有效区平面应始终保持与被
测磁场垂直,否则会给测量结果带来影响,如图A.1所示。
图 A.1 霍尔片偏离磁场垂直方向夹角示意图
霍尔片偏离磁场垂直方向带来的相对误差按公式 (A.1)计算。
δ=(1-cosθ)×100% (A.1)
式中:
δ---霍尔片偏离磁场垂直方向带来的相对误差;
θ---霍尔片偏离磁场垂直方向的夹角角度,(°)。
根据公式 (A.1)可计算得到不同的夹角对应的相对误差,见表A.1。
表A.1 霍尔片与磁场夹角对测量结果的影响
霍尔片偏离磁场垂直方向夹角
θ/(°)
相对误差
δ/%
0 0
1 0.015
2 0.061
5 0.381
10 1.519
由表A.1可知,霍尔片偏离磁场垂直方向的夹角会对磁强计测量结果带来较大影
响。因此,在对磁强计进行校准时,必须反复调节探头角度,使其满足6.2.6的要求。
附录B
磁通密度示值误差测量不确定度评定示例
B.1 概述
以电磁铁磁场内校准磁强计为例,说明磁通密度示值误差的测量不确定度评定的
程序。
B.2 电磁铁磁场内磁强计磁通密度示值误差测量不确定度评定
B.2.1 测量原理
1)分别将标准磁强计与被校磁强计探头置于零磁场腔内,选择磁强计2.5T量程
挡,待其读数稳定后调零。
2)将标准磁强计探头和被校磁强计探头分别置于探头调节装置上,并将两个探头
置于磁场发生器的均匀区内,在磁通密度大于50%条件下反复调节两个探头的位置和
角度,使它们接近磁场中心位置,并使得各自的读数最大,然后保持探头不动。
3)调节励磁电源的输出电流,使电磁铁磁场发生器的磁通密度值为1000mT左
右,依次记录标准磁强计和被校磁强计的读数。
B.2.2 测量模型
被校磁强计的磁通密度的示值误差Ex按公式 (B.1)计算。
Ex=Bix-Bs (B.1)
式中:
Ex---被校磁强计磁通密度的示值误差,T;
Bix---被校磁强计的读数,T;
Bs---标准磁强计的读数,T。
各输入量之间互不相关,合成标准不确定度可按公式 (B.2)计算。
uc(Ex)= u(Bix)2+u(Bs)2 (B.2)
式中:
uc(Ex)---被校磁强计磁通密度示值误差的合成标准不确定度,T;
u(Bix)---被校磁强计所引入的标准不确定度,T;
u(Bs)---标准磁强计所引入的标准不确定度,T。
B.2.3 标准不确定度来源
B.2.3.1 u(Bix)的来源
被校磁强计读数引入的标准不确定度u(Bix)。
被校磁强计引入的标准不确定度主要是由被校磁强计的读数引入。磁场分布的不均
匀、磁场的稳定性的影响、探头位置调节、方向调节等因素对被校磁强计的影响已包含
在重复性中,不再重复考虑。
B.2.3.2 u(Bs)的来源
a)标准磁强计读数引入的标准不确定度u1(Bs);
b)磁场分布的不均匀引入的标准不确定度u2(Bs);
c)磁场电源不稳定引入的标准不确定度u3(Bs);
d)探头位置调节引入的标准不确定度u4(Bs);
e)探头方向调节引入的标准不确定度u5(Bs)。
B.2.4 标准不确定度的评定
B.2.4.1 被校磁强计引入的标准不确定度u(Bix)
由于被校磁强计采用数字显示方式,故可假定读数本身并不引入误差。被校磁强计
的读数引入的不确定度分量主要由测量重复性引入,采用A类评定方法,调整电流源
电流大小,使磁场大小接近1000mT,在重复性条件下进行连续10次独立测量,得到
的测量数据见表B.1。
表B.1 磁通密度1000mT点重复性测量数据
序号 标准磁强计读数/mT 被校磁强计读数/mT
1 999.59 999.5
2 999.58 999.5
3 999.54 999.5
4 999.54 999.5
5 999.54 999.5
6 999.54 999.5
7 999.53 999.5
8 999.52 999.5
9 999.50 999.5
10 999.52 999.4
由其实验标准差得到:
u(Bix)=0.03mT
B.2.4.2 标准磁强计引入的标准不确定度u(Bs)
a)标准磁强计示值误差引入的不确定度u1(Bs)
标准磁强计说明书给出对应1000mT点的最大允许误差为± (5×10-4×读数+
0.15mT),则其最大允许误差为±0.65mT。在区间内可认为其服从均匀分布,包含
因子k= 3,则
u1(Bs)=0.65mT/3=0.38mT
b)磁场分布的不均匀引入的标准不确定度u2(Bs)
磁场分布的不均匀引入的不确定度的相对值为0.01%,在1000mT点的值为
0.1mT,可认为服从均匀分布,包含因子k= 3,则
u2(Bs)=0.1mT/3=0.06mT
c)磁场电源不稳定引入的标准不确定度u3(Bs)
磁场电源稳定度为2×10-5,对不确定度的影响可忽略不计,则
u3(Bs)=0
d)探头位置调节引入的不确定度u4(Bs)
探头位置调节引入的不确定度的相对值为0.04%,在1000mT点的值为0.4mT,
可认为服从均匀分布,包含因子k= 3,则
u4(Bs)=0.4mT/3=0.23mT
e)探头方向调节引入的标准不确定度分量u5(Bs)
探头方向调节引入的不确定度的相对值为0.01%,在1000mT点的值为0.1mT,
可认为服从均匀分布,包含因子k= 3,则
u5(Bs)=0.1mT/3=0.06mT
B.2.5 不确定度分量一览表
磁强计磁通密度示值误差校准不确定度分量一览表见表B.2
表B.2 磁强计磁通密度示值误差校准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 概率分布类型 k值 标准不确定度
u (Bix) 被校磁强计引入 0.03mT
u1 (Bs) 标准磁强计示值误差引入 B 均匀 3 0.38mT
u2 (Bs) 磁场分布的不均匀引入 B 均匀 3 0.06mT
u3 (Bs) 磁场电源不稳定引入 B 均匀 3 0
u4 (Bs) 探头位置调节引入 B 均匀 3 0.23mT
u5 (Bs) 探头方向调节引入 B 均匀 3 0.06mT
u (Bs) 标准磁强计引入 0.455mT
B.2.6 合成标准不确定度的计算
uc(Ex)= u(Bix)2+u(Bs)2 =0.46mT
B.2.7 扩展不确定度的确定
取包含因子k=2,则扩展不确定度为
U(Ex)=kuc(Ex)=0.92mT
B.2.8 结果报告
被校磁强计在1000mT处的示值误差为Ex,其扩展不确定度U=0.92mT,
k=2。
附录C
磁强计校准原始记录格式
校准证书编号: 校准日期:
委托单位:
仪器名称: 型号......
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