航空機(jī)載產(chǎn)品磁影響測(cè)量分析

毛洪濤（GRGT技術(shù)研究院電磁兼容研究所，廣州 51000）

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航空機(jī)載產(chǎn)品磁影響測(cè)量分析

毛洪濤
（GRGT技術(shù)研究院電磁兼容研究所，廣州 51000）

摘要：介紹了航空機(jī)載產(chǎn)品磁影響測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求和測(cè)量方法，深入剖析了磁影響測(cè)量的原理，澄清了標(biāo)準(zhǔn)中容易混淆的磁影響限值的確定原則，詳細(xì)解釋了磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量磁影響的方法，經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，這種磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量航空機(jī)載產(chǎn)品磁影響的方法準(zhǔn)確可靠。

關(guān)鍵詞：航空機(jī)載產(chǎn)品；磁影響；電磁兼容；磁場(chǎng)強(qiáng)度

前言

國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919于2015年11月的正式下線，標(biāo)志著中國(guó)人在完全自主研制大型民航客機(jī)的征途上又邁出了重要一步。作為中國(guó)航空工業(yè)的一次巨大進(jìn)步，C919從一開始就達(dá)到了50 %的國(guó)產(chǎn)化率，而且按照國(guó)際采購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)和波音、空客等知名國(guó)際企業(yè)的供應(yīng)商同臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)，顯示了中國(guó)已經(jīng)成為有相當(dāng)航空工業(yè)基礎(chǔ)的國(guó)家，比當(dāng)年引進(jìn)汽車、高鐵時(shí)國(guó)產(chǎn)化率都高。如能打通這一條產(chǎn)業(yè)鏈，便有良好的產(chǎn)業(yè)前景，民用飛機(jī)將與汽車一樣成為拉動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的重要推動(dòng)力，國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)將成為中國(guó)高端制造產(chǎn)業(yè)的支柱。RTCA/DO160G是目前國(guó)際上通用的航空機(jī)載產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)名為《機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗(yàn)程序》，包括大氣環(huán)境、電磁兼容、防火安全三方面技術(shù)要求，其中的一項(xiàng)磁影響要求在其他產(chǎn)品的技術(shù)要求中不多見。本文將重點(diǎn)講解磁影響的測(cè)量方法，澄清其中疑點(diǎn)，為普及大飛機(jī)的科學(xué)知識(shí)，為我們國(guó)家的大飛機(jī)事業(yè)奉獻(xiàn)檢測(cè)工程師的努力。

1 航空機(jī)載產(chǎn)品磁影響測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)解疑釋惑

飛機(jī)上的羅盤系統(tǒng)有兩種形式，磁校正方式（MAG）和陀螺半羅盤方式（DG），羅盤系統(tǒng)在飛機(jī)上應(yīng)用很廣泛，能滿足飛機(jī)在不同地區(qū)、不同氣象條件和不同飛行狀態(tài)下準(zhǔn)確可靠地測(cè)量飛機(jī)航向的要求，同時(shí)還能向自動(dòng)駕駛儀、飛行指引系統(tǒng)、甚高頻全向信標(biāo)系統(tǒng)、飛行管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)等提供航向信號(hào)。對(duì)磁場(chǎng)變化敏感的是磁校正系統(tǒng)的磁傳感器，磁影響對(duì)飛機(jī)安全關(guān)系重大，因此國(guó)際航空標(biāo)準(zhǔn)專門規(guī)定了相應(yīng)的技術(shù)要求和測(cè)試方法，RTCA/Do160G等同于歐盟標(biāo)準(zhǔn)ED-14G，是目前對(duì)機(jī)載設(shè)備環(huán)境要求及測(cè)試方法的規(guī)定，本標(biāo)準(zhǔn)第十五章規(guī)定機(jī)載設(shè)備在磁影響方面的要求及試驗(yàn)方法。本試驗(yàn)項(xiàng)目確定機(jī)載設(shè)備的磁影響，主要用于測(cè)定或驗(yàn)證設(shè)備允許的安裝位置離羅盤或磁通門傳感器的最近距離。本項(xiàng)目適用于所有安裝在飛機(jī)上羅盤和磁通門傳感器附近的設(shè)備，這些設(shè)備基本上集中在駕駛艙和貨倉(cāng)，羅盤傳感器安裝在翼尖等受飛機(jī)磁場(chǎng)影響較小的地方，重要的是保持與其他設(shè)備磁影響安全距離。磁影響安全距離分類如表1所示。

EUT的磁影響（見圖1）通過(guò)一個(gè)自由磁體在水平磁場(chǎng)強(qiáng)度為14.4 A/m±10 %的均勻磁場(chǎng)中的等效偏轉(zhuǎn)來(lái)確定，但是實(shí)際測(cè)量環(huán)境中，中國(guó)大陸的地球磁場(chǎng)強(qiáng)度水平分量在30 A/m左右，不同地點(diǎn)、時(shí)間地球磁場(chǎng)水平分量的數(shù)值大大的超出標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍，偏轉(zhuǎn)角限值須適時(shí)修正。

既然確定當(dāng)?shù)卮艌?chǎng)水平分量的時(shí)候要用到磁強(qiáng)計(jì)，就用磁強(qiáng)計(jì)來(lái)模擬電子羅盤，既可以精確實(shí)地測(cè)量測(cè)試場(chǎng)地地球磁場(chǎng)水平分量，還可以數(shù)字化地顯示標(biāo)準(zhǔn)允許的磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)角，測(cè)量EUT安全距離的精確度、一致性大大提高，遺憾的是本標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)給出具體的測(cè)量方法。

表1　設(shè)備分類和偏轉(zhuǎn)角為Dc的距離對(duì)應(yīng)表

圖1　磁影響測(cè)試流程圖

2 深度地解析磁影響測(cè)試原理驅(qū)散迷霧

指南針指引方向的原理不再贅述，我們通過(guò)圖2所示的一個(gè)小實(shí)驗(yàn)來(lái)演示其他設(shè)備對(duì)指南針?lè)较虻挠绊?。用一個(gè)板貼的小磁鐵作為其他設(shè)備磁性質(zhì)點(diǎn)的模型，按標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)布置，EUT的電源線之類的被省略了，假設(shè)EUT產(chǎn)生的磁場(chǎng)等效于這個(gè)小磁鐵，EUT靠近指南針時(shí)，指南針的方向偏離了原來(lái)的南北方向，偏角的大小和EUT距離指南針的大小成反比，距離越遠(yuǎn)偏角越小，距離越近偏角越大。為了保證指南針類導(dǎo)航設(shè)備指示方向的能力就要控制其他設(shè)備產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)它的影響，RTCA/Do160第十五章磁影響這個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目就是為了規(guī)范其他設(shè)備在飛機(jī)上安裝的位置，和導(dǎo)航設(shè)備保持安全的距離，限制這個(gè)偏轉(zhuǎn)角度對(duì)導(dǎo)航設(shè)備的影響在可接受的范圍。

圖2顯示，理想情況下磁羅經(jīng)的指針總是順著磁力線的方向，當(dāng)有磁場(chǎng)干擾的EUT接近的時(shí)候，干擾磁場(chǎng)和地球磁場(chǎng)合成，磁力線的方向會(huì)偏轉(zhuǎn)，磁羅經(jīng)指針的偏轉(zhuǎn)角度就是合成磁力線和地球磁力線的夾角，地球磁場(chǎng)確定的情況下，這個(gè)夾角就是EUT磁場(chǎng)強(qiáng)度/地球磁場(chǎng)強(qiáng)度的正切函數(shù)（示意圖中磁場(chǎng)矢量三角形的對(duì)邊比鄰邊），因此對(duì)偏轉(zhuǎn)角度的限值就變成了對(duì)EUT干擾磁場(chǎng)強(qiáng)度的限值，EUT對(duì)導(dǎo)航設(shè)備磁影響的限制實(shí)質(zhì)上就是EUT產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度的限制，在指南針的位置上用磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量東西方向上的磁場(chǎng)強(qiáng)度值和指南針指示偏轉(zhuǎn)角度是等效的而且容易讀數(shù)。

圖2　磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量磁影響示意圖

圖3　磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量磁影響操作界面示意圖

3 磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量磁影響的操作方案

按標(biāo)準(zhǔn)RTCA/Do160第十五章磁影響給出的試驗(yàn)布局和方法讀羅盤的角度難以辨別，1 °太小，0.48 °更是無(wú)法掌握，因此利用數(shù)字磁力計(jì)，把角度Dc轉(zhuǎn)換成磁場(chǎng)強(qiáng)度的數(shù)值，數(shù)字屏幕顯示才容易操作。根據(jù)公式tan(Dc)=EUT磁場(chǎng)強(qiáng)度/地球磁場(chǎng)強(qiáng)度水平分量，將對(duì)角度的測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量。

具體的測(cè)試步驟如下：

1）測(cè)量試驗(yàn)場(chǎng)地地球磁場(chǎng)水平分量H，磁強(qiáng)計(jì)在南北方向上水平微調(diào)，記錄最大值，假定H=37.7 uT（30 A/ m）。

2）確定羅盤偏轉(zhuǎn)角度限值，上述地球磁場(chǎng)水平分量H與14.4 A/m±10 %比較，完全符合這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地畢竟是少數(shù)，常常需要計(jì)算修正的偏轉(zhuǎn)角度，Dc=14.4/H=14.4/30=0.48 °。

3）計(jì)算EUT磁場(chǎng)強(qiáng)度限值，EUT干擾磁場(chǎng)強(qiáng)度的限值=H* tan(Dc)，帶入上述測(cè)量值，EUT磁場(chǎng)強(qiáng)度限值=37.7* tan(0.48)=0.3158 uT，磁強(qiáng)計(jì)可以分辨納特級(jí)別，數(shù)字屏幕顯示315.8 nT。

4）測(cè)量安全距離，磁強(qiáng)計(jì)探頭方向調(diào)整到東西水平方向，微調(diào)探頭方向與地區(qū)磁場(chǎng)方向正交，數(shù)字屏幕顯示0±50 nT，EUT沿東西軸線布置，調(diào)整距離使磁強(qiáng)計(jì)讀數(shù)在315.8 nT附近，改變EUT工作狀態(tài)和面對(duì)磁強(qiáng)計(jì)探頭的方向使磁強(qiáng)計(jì)的讀數(shù)最大，再調(diào)整距離使磁強(qiáng)計(jì)讀數(shù)在315.8+50 nT范圍，用木尺測(cè)量EUT到磁強(qiáng)計(jì)探頭的距離。

5）根據(jù)表1設(shè)備分類，對(duì)比所測(cè)安全距離判定EUT類別是否符合標(biāo)識(shí)，或者給EUT確定一個(gè)設(shè)備類別。

磁強(qiáng)計(jì)探頭南北方向、東西方向正交兩次測(cè)量，實(shí)際就是測(cè)量了EUT影響到地球合成磁場(chǎng)的x和y分量，x/y就是合成磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)角的正切值。上述用磁力計(jì)替代羅盤的方案解決了磁偏轉(zhuǎn)角限值問(wèn)題，使用磁力計(jì)也可以很方便地評(píng)估測(cè)試場(chǎng)地的磁場(chǎng)均勻性，穩(wěn)定性，選擇最佳的測(cè)試場(chǎng)地，配合我們開發(fā)的虛擬儀器界面非常容易操作（見圖3）。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)這種磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量航空機(jī)載產(chǎn)品磁影響的方法比標(biāo)準(zhǔn)中磁羅盤方法準(zhǔn)確可靠，我們?cè)賾?yīng)用計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù)開發(fā)了這一實(shí)用的操作方法，科學(xué)、精準(zhǔn)，徹底擺脫了眼睛盯著磁羅盤艱難辨認(rèn)偏轉(zhuǎn)角的困窘。本文補(bǔ)充完善了DO160G中磁傳感器測(cè)量偏轉(zhuǎn)角的方法，在今后的標(biāo)準(zhǔn)修訂中，這種磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量磁影響的方法一定會(huì)取代目前不是很精確的自由磁體式指南針的測(cè)量方法。

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中圖分類號(hào)：TH70

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-7204（2016）02-0009-04

作者簡(jiǎn)介:

毛洪濤（1963.5），資深電磁兼容工程師，全國(guó)無(wú)線電干擾標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)通訊委員，現(xiàn)任職GRGT技術(shù)研究院電磁兼容研究所研究員，從事電磁兼容檢測(cè)產(chǎn)品和測(cè)試智能化研發(fā)。

Measure Analysis on Magnetic Effect of Airborne Products

MAO Hong-tao
(GRGT Institute of Technology Institute of Electromagnetic Compatibility, Guangzhou 51000)

Abstract：This paper introduces the technical requirements and the measuring method of magnetic influence measuring standard for the airborne products. And it deeply analyzes the principle of magnetic effect measurement, clarifies the confusing certainty principles for magnetic effect'limit value in the standard, and detailedly explains the method for magnetometer to measure magnetic effect. It shows that only converting the deflection angle limit into the magnetic field intensity limit, can the operation for digital magnetometer be convenient.

Key words：airborne products; magnetic effect; electromagnetic compatibility; field strength