某型一體化磁接收器批生產(chǎn)的計量保證方法研究

中國船舶重工集團公司第七一〇研究所 國防科技工業(yè)弱磁一級計量站 王 芬

1 概述

某型一體化磁接收器（以下簡稱磁接收器）是某型水雷裝備的核心部件之一，其主要組成是一個三分量磁通門傳感器，主要功能是接收目標磁場信號，并進行處理分析，以完成對目標打擊的綜合判斷。在產(chǎn)品技術(shù)要求中規(guī)定，主要參數(shù)包括靜態(tài)噪聲、零偏、靈敏度等。對磁接收器的最終檢驗，其核心就是參照磁通門傳感器的計量特性要求進行參數(shù)校準，并依據(jù)結(jié)果進行合格判定。

2 原有的檢測方法

磁接收器批生產(chǎn)、檢驗中使用的主要檢測設(shè)備包括三軸磁場線圈、穩(wěn)壓電源、三自由度無磁安裝臺、磁屏蔽筒等。通過測量磁接收器在磁屏蔽筒中的示值得到零偏，并取其示值的最大波動得到靜態(tài)噪聲；通過比較磁接收器的電壓輸出與三軸磁場線圈產(chǎn)生的磁場，得到靈敏度，見公式（1）。

式中：k——磁接收器靈敏度；U——磁接收器的輸出電壓；KB——三軸磁場線圈的線圈常數(shù)；I——通過三軸磁場線圈的電流。

按產(chǎn)品技術(shù)要求，生產(chǎn)過程中的主要檢測項目包括磁芯的磁特性、探頭感應線圈的電阻等。其中磁芯的磁特性采用抽檢方式，參照GB/T 13012-2008《軟磁材料直流磁性能的測量方法》中的方法，對矯頑力、飽和磁感應強度、剩余磁感應強度、最大磁導率等參數(shù)進行檢測。探頭感應線圈的電阻采用全樣檢測，通過繞組電阻判定繞組匝數(shù)是否符合規(guī)定的要求。

3 存在的問題與原因分析

2007年底，生產(chǎn)部門按產(chǎn)品生產(chǎn)工藝生產(chǎn)出第一批磁接收器后，發(fā)現(xiàn)最終合格率不到40%。2008年初，生產(chǎn)部門邀請國防科技工業(yè)弱磁一級計量站（以下簡稱弱磁一級站）對其生產(chǎn)、檢測過程進行系統(tǒng)查找、分析，最終我們歸納出以下問題。

3.1 磁環(huán)境條件未按磁通門傳感器校準要求進行約束

磁接收器在研制過程中，曾作為磁通門傳感器送國防弱磁一級站進行校準，校準結(jié)果滿足產(chǎn)品技術(shù)條件要求。作為在地磁場范圍內(nèi)工作的磁傳感器，對校準的磁環(huán)境條件有嚴格要求，一般要求工頻干擾磁場不大于10nT，低頻（10 Hz以下）干擾磁場根據(jù)不同準確度等級要求不大于0.1nT～10nT[1]。根據(jù)磁接收器的靈敏度等技術(shù)要求，低頻干擾磁場應不大于10nT。

磁接收器生產(chǎn)部門由于缺少磁環(huán)境監(jiān)測設(shè)備，以及無磁實驗室，因此將檢測設(shè)備放置在市區(qū)的一普通實驗室內(nèi)。通過對該實驗室的現(xiàn)場磁環(huán)境監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)其工頻干擾最大可達26nT，低頻干擾磁場最大可達22 nT，均超出磁接收器作為磁通門傳感器的校準要求。

3.2 檢測設(shè)備未經(jīng)計量確認，配置不合理

靈敏度檢測用的三軸磁場線圈、穩(wěn)壓源等設(shè)備，作為單臺儀器，雖均經(jīng)計量技術(shù)機構(gòu)檢定/校準，但在使用中，未實際要求進行計量確認。

a）以三軸磁場線圈的線圈常數(shù)校準結(jié)果不確定度替代了復現(xiàn)磁場的不確定度，未考慮電流、均勻區(qū)等其它不確定度來源。

b）穩(wěn)壓源在本裝置中作為電流源使用，用電壓的穩(wěn)定性替代了電流的穩(wěn)定性。

通過對穩(wěn)壓源輸出電流的測量，發(fā)現(xiàn)電流波動在3mA左右，對應三軸磁場線圈X軸的線圈常數(shù)105μT/A，其磁場噪聲可超過300nT，按地磁場50μT估算，磁場噪聲影響量已達0.6%，該影響量已不能忽略。

3.3 磁屏蔽筒未納入計量器具管理

由于目前缺少磁屏蔽筒的計量技術(shù)規(guī)范，加上對磁屏蔽的工作原理缺少深入理解，生產(chǎn)部門將磁屏蔽筒僅僅作為一種工裝處理，未納入計量器具管理，也未對其剩磁等參數(shù)進行校準。

按磁屏蔽筒的技術(shù)要求，在蓋上屏蔽蓋且進行消磁處理后，其內(nèi)部剩磁不大于10nT。該屏蔽筒在研制完成后內(nèi)部剩磁經(jīng)驗收合格。但在實際使用中，多數(shù)時候未蓋上屏蔽蓋，每次使用也未進行消磁。經(jīng)測試，磁屏蔽桶在未蓋屏蔽蓋時的剩磁可達30nT，若按磁接收器的靈敏度50μV/nT估算，可以產(chǎn)生1.5mV的零偏，按5 mV的判定標準，該影響量已不能忽略。

3.4 磁芯的檢測方法存在缺陷

磁接受器的磁芯選用高磁導率、高矩形比、低飽和磁感強度、低矯頑力、低磁滯伸縮的非晶態(tài)磁性材料細絲。根據(jù)產(chǎn)品特點，使用振動樣品磁強計進行測試需要制樣，是一種破壞性測試，因此只能進行抽樣檢測。該產(chǎn)品使用前經(jīng)抽樣檢測合格。但由于熱處理過程不均勻可能導致磁芯磁特性不一致，以及裁剪成使用長度時的外力影響，可能出現(xiàn)抽樣檢測合格、實際使用的材料部分不合格。

通過將一批裁剪后的單根磁芯逐個放入同一線圈內(nèi)測試，發(fā)現(xiàn)有35%左右的磁芯的靜態(tài)噪聲偏差超出規(guī)定范圍。

3.5 過程檢測設(shè)置不合理

通過對產(chǎn)品檢測流程的清理，發(fā)了檢測流程有不合理的地方：按原有檢測流程，按先安裝柱、后線圈、最后磁芯的順序進行。由于安裝柱的檢測需要在灌膠固定之后（內(nèi)部有磁芯）才能進行，如果后續(xù)發(fā)現(xiàn)磁芯不合格，就需要將整改安裝柱（連同磁芯）一起更換。如前所述，磁芯的不合格率較高，將磁芯放在最后一步檢測，就會造成最終合格檢測合格率偏低。

4 解決措施

4.1 優(yōu)化檢測流程，增加磁芯、線圈等過程檢測

針對過程檢測流程設(shè)置不合理，根據(jù)實際情況，對其進行優(yōu)化調(diào)整，將“先安裝柱、后線圈、最后磁芯”的檢測順序，調(diào)整為“先磁芯、后線圈、最后安裝柱”。調(diào)整前后的檢測流程比較見圖1。

圖1 調(diào)整前后的檢測流程比較

4.2 用穩(wěn)流源替代穩(wěn)壓源

針對穩(wěn)壓源電流噪聲較大的問題，用具有穩(wěn)流模式輸出的電流源替代穩(wěn)壓源。更換后的電流源的電流噪聲在0.5mA左右。對應三軸磁場線圈X軸的線圈常數(shù)105μT/A，其磁場噪聲在50 nT左右。若按地磁場50μT估算，磁場噪聲影響量為0.1%，該影響量可以忽略不計。

4.3 將磁屏蔽筒納入計量器具管理，并改進零偏測試方法

將磁屏蔽筒納入計量器具管理，定期測量其內(nèi)部剩磁。針對內(nèi)部剩磁不能忽略的問題，將零偏的測試方法由直接測量改為正方兩次測量取平均的方式，以減少內(nèi)部剩磁的影響。即將磁接受器的探頭放入磁屏蔽筒內(nèi)，記錄為正向零點輸出，然后將磁接收器的探頭旋轉(zhuǎn)180°，記錄為方向零點輸出，按公式（2）計算零偏[1]。

式中：δU——磁接收器的零偏；U+——磁接收器在磁屏蔽筒內(nèi)的正向零點輸出；U－——磁接收器在磁屏蔽筒內(nèi)的正向零點輸出。

通過該方法，可以將磁屏蔽筒內(nèi)部剩磁的絕大部分抵消，其對測量結(jié)果的主要影響降至磁屏蔽筒剩磁的梯度部分。在開蓋的情況下，磁屏蔽筒工作區(qū)剩磁的梯度不大于3nT，按磁接收器的靈敏度50μV/nT估算，噪聲不大于0.15mV。按5mV的判定標準，該影響可忽略不計。

4.4 完善磁芯檢測/篩選方法

將磁芯的檢測分兩個步驟進行，在已有磁芯磁性參數(shù)的抽樣檢測基礎(chǔ)上，增加裁剪后的磁芯檢測步驟。即做作一個不含磁芯的標準磁通門傳感器，將所需磁芯逐個放入標準磁通門傳感器的線圈內(nèi)，測量其在磁屏蔽筒內(nèi)的噪聲。其中不含磁芯的標準磁通門傳感器自噪聲為0.03mV；所用磁屏蔽筒的磁場噪聲不大于0.1nT，按磁接收器的靈敏度50μV/nT估算，噪聲不大于0.005mV。按5mV的判定標準，兩者的自噪聲完全可忽略不計。

通過該方法，根據(jù)多年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，剔除了35%左右的不合格磁芯。

4.5 更換檢測單位和檢測環(huán)境

針對生產(chǎn)部門自身磁場磁環(huán)境不滿足要求的現(xiàn)狀，經(jīng)協(xié)商，磁接收器與磁學相關(guān)的所有檢測工作委托弱磁一級站進行。弱磁一級站的儀器設(shè)備及環(huán)境條件完全可以滿足磁接收器檢測的要求。其中無磁實驗室內(nèi)：

a）工頻干擾磁場不超過5 nT；

b）補償前的低頻干擾磁場不超過2 nT；

c）補償后的低頻干擾磁場不超過0.1nT。

5 實際效果

按照新優(yōu)化后的磁接收器批生產(chǎn)計量保證方案實施，從2008年至今，弱磁一級站共協(xié)作生產(chǎn)部門完成了20多批次的磁接收器的生產(chǎn)、檢測，其過程合格率達到80%以上，最終交付產(chǎn)品合格率達到100%。

根據(jù)磁接收器計量保證中缺少部分方法標準的現(xiàn)狀，我們還編制了兩份技術(shù)規(guī)范，并于2010年以企業(yè)標準的形式發(fā)布實施，分別是Q/710J 0602-2010《直流磁屏蔽裝置屏蔽性能測試方法》、Q/710J 0604-2010《環(huán)境磁場測量方法》。

[1]程華富.JJF1519-2015磁通門磁強計校準規(guī)范[S].北京:中國計量出版社,2015.