磁通門磁強計校準裝置研究

程華富

（中國船舶重工集團公司第七一○研究所，湖北宜昌443003）

1 引 言

磁通門磁強計是目前技術最成熟、使用量最大的弱磁場磁強計之一，被廣泛應用于磁性目標探測、姿態(tài)測量、磁導航、彈道磁修正、艦船消磁等國防軍工領域和空間科學、地球物理、資源勘探、環(huán)境保護、生物醫(yī)療、航海、無損檢測等國民經(jīng)濟領域［1,2］。

經(jīng)過數(shù)十年的技術發(fā)展，磁通門磁強計在線性度、穩(wěn)定性、正交度等方面取得了長足的進步。以英國巴庭頓公司Mag01、Mag03系列為代表的國外先進磁通門磁強計其線性度已達1.5×10-5，正交度優(yōu)于0.1°，目前國內(nèi)各行業(yè)均有大量進口。中科院國家空間中心、中船重工七一〇所、西北工業(yè)大學等國內(nèi)的科研院所研制的磁通門磁強計性能目前已越來越接近國外先進水平［3］。

目前使用的磁通門磁強計測試系統(tǒng)一般采用亥母霍茲線圈或螺線管線圈作為磁場源，同時缺少磁場均勻性補償、磁場正交性補償?shù)燃夹g，其磁場均勻性、正交度等指標已無法滿足高性能磁通門磁強計的校準測試需求，為此研制磁通門磁強計校準裝置。

2 磁通門磁強計校準裝置

2.1 系統(tǒng)組成與工作原理

磁通門磁強計校準裝置的三軸磁場線圈系統(tǒng)、磁場激勵系統(tǒng)（含電流源、標準電阻、數(shù)字多用表）兩軸轉臺（被校磁通門磁強計安裝工裝）組成，如圖1所示。

圖1 磁通門磁強計校準裝置原理框圖Fig.1 Schematic diagram for calibration equipment of fluxgate magnetometer

磁通門磁強計校準裝置的核心是三軸磁場線圈系統(tǒng)。三軸磁場線圈系統(tǒng)主要包括大開口大均勻區(qū)的三軸磁場線圈、磁場非均勻性的補償系統(tǒng)、磁場非正交性補償系統(tǒng)。大開口大均勻區(qū)的三軸磁場線圈用于復現(xiàn)三軸正交磁場，磁場非均勻性的補償系統(tǒng)用于補償磁場的非均勻性，磁場非正交性補償系統(tǒng)主要用于補償三軸磁場的非正交性。

其他組成由通用標準設備組成。其中數(shù)字多用表選用Agilent 34420A型，0.1V～1V范圍內(nèi)的直流電壓測量不確定度為8×10-5（k=2）；穩(wěn)流源需用制定的穩(wěn)流源，電流穩(wěn)定性為5×10-6/30 min；標準電阻采用上海電表儀器廠生產(chǎn)的BZ-3/6型標準電阻，校準后的電阻不確定度優(yōu)于1×10-5（k=2）。

2.2 大開口大均勻區(qū)的三軸磁場線圈

2.2.1 三軸磁場線圈的結構

1）X軸方向（主工作方向）繞組

線圈系統(tǒng)的X方向是水平南北方向，線圈骨架采用四個正方形骨架復合的結構。每個骨架的邊長均為1600 mm×1600 mm，間距為600 mm：400mm：600 mm。X方向的線圈結構如圖2所示，線圈繞組參數(shù)及功能見表 1［4,5］。

圖2 X軸線圈結構示意圖Fig.2 Diagram of structure on X axis

表1 X軸線圈繞組功能Tab.1 Coil-winding function of X axis

2）Y軸方向繞組

線圈系統(tǒng)的Y方向是水平東西方向，線圈骨架采用三個回字形骨架復合的結構。第一組骨架的邊長為2200mm×2200mm，間距為1760mm；第二組骨架的邊長為1320mm×1320mm，間距為1760mm；第三組骨架的邊長為660mm×660mm，間距為1.760mm。Y方向的線圈結構如圖3所示，繞組參數(shù)及功能見表 2［5］。

圖3 Y軸線圈結構示意圖Fig.3 Diagram of structure on Y axis

3）Z軸方向繞組

線圈系統(tǒng)的Z方向是垂直方向，線圈骨架采用三個回字形骨架復合的結構，如圖12所示。第一組骨架的邊長為2.00m×2.00m，間距為1.80m；第二組骨架的邊長為1.20m×1.20m，間距為1.80m；第三組骨架的邊長為0.60m×0.60m，間距為1.80m。Z方向的線圈結構如圖4所示，繞組參數(shù)及功能見表 3［5］。

圖4 Z軸結構示意圖Fig.4 Diagram of structure on Z axis

2.2.2 與普通磁場線圈的比較

與傳統(tǒng)三軸亥母霍茲線圈相比，這種新型的三軸磁場線圈在開口空間、磁場均勻性等方面具有明顯優(yōu)勢。就同等尺寸的線圈而言，亥母霍茲線圈的開口空間約為0.75m×0.75m，而這種新型的三軸磁場線圈開口空間可達1.5m×1.5m，開口面積增大至4倍。這種新型的三軸磁場線圈與同尺寸的亥母霍茲線圈在磁場非均勻性方面的理論比較見表4。

從表4可以看出，新型大開口大均勻區(qū)的三軸磁場線圈在磁場非均勻性方面與同尺寸普通亥母霍茲線圈相比，具有明顯的優(yōu)勢。在15%的有效區(qū)域內(nèi)磁場非均勻性優(yōu)于0.01%，僅而普通亥母霍茲線圈為0.35%。

表2 Y軸線圈繞組功能Tab.2 Coil-winding function of Y axis

表3 Z軸線圈繞組功能Tab.3 Coil-winding function of Z axis

表4 同尺寸線圈的磁場非均勻性比較Tab.4 Comparison of magnetic field non-uniformity of same size coil

2.3 磁場非均勻性補償方法

由于線圈繞組匝數(shù)只能取整數(shù)和機械加工誤差引起線圈實際尺寸變化，磁場線圈工作區(qū)的實際磁場非均勻性與理論設計值有較大差別。為了解決這個問題，本項目研究中發(fā)明一種通過分流補償磁場非均勻性的方法。具體思路為：利用分流電阻箱微調(diào)通過單個線圈的電流，使各個線圈的等效匝數(shù)比例達到理論最佳值，以補償因線圈匝數(shù)取整及機械加工誤差引起的磁場非均勻性。具體方法如下［6］。

磁場線圈一般有多個串聯(lián)線圈組成，線圈數(shù)量一般在2～6個之間。每個線圈均并聯(lián)一個分流電阻箱，分流電阻箱的可調(diào)電阻范圍一般為線圈繞組電阻的50倍到100000倍之間。

實際均勻性補償中，分流電阻箱的電阻選擇應服從式（1）：

式中：Ri——第i個線圈并聯(lián)分流電阻箱的電阻；KBi——第i個線圈的理論線圈常數(shù)；K'B0——實際值與理論值的相對差值最小的線圈的實際線圈常數(shù)；KB0——實際值與理論值的相對差值最小的線圈的理論線圈常數(shù)；K'Bi——第i個線圈的實際線圈常數(shù)；ri——第i個線圈繞組的電阻。

其中，線圈常數(shù)實際值與理論值的相對差值最小的線圈，其并聯(lián)的分流電阻箱在工作時與線圈斷開連接。所謂相對差值最小，是指按式（2）計算結果最?。?/p>

式中：ΔKBi——第i個線圈的實際線圈常數(shù)與理論線圈常數(shù)的相對差值。

復現(xiàn)最大磁場（100μT）時X軸方向非均勻性補償前后磁場非均勻性（扣除環(huán)境梯度磁場影響后）的比較見表5。從表中可以看出，補償后的磁場非均勻性有明顯的減少。

表5 非均勻性補償前后的磁場非均勻性比較Tab.5 Comparison of magnetic field non-uniformity of before and after compensation

2.4 三軸磁場非正交性補償方法

傳統(tǒng)的三軸磁場線圈都是由X軸、Y軸、Z軸三個方向互相垂直的線圈組合而成，三個線圈磁軸間的正交度主要依靠機械手段調(diào)節(jié)三個線圈骨架之間垂直度的方法予以保證［7］。該種方法可以確保三軸磁場線圈三個磁軸的非正交性為0.1°～0.3°左右。由于線圈骨架機械性能的限制，很難再進一步降低三個磁軸之間的非正交性。由于三軸之間的非正交性，某一方向的磁場會在另外兩個方向形成投影磁場，形成三軸磁場間的兩兩互相影響。為了減少和消除這樣影響，本項目研究過程中發(fā)明了一種三軸磁場非正交性的補償方法。

假設三軸磁場線圈的線圈常數(shù)分別為KBX、KBY、KBZ，工作時，三個方向產(chǎn)生的磁場分別是BX、BY、BZ，X軸與Y軸的夾角為α，X軸與Z軸的夾角為β、Y軸與Z軸的夾角為γ。則X軸與Y軸的非正交性為（90°-α），X軸與Z軸的非正交性為（90°-β）Y 軸與 Z 軸的非正交性為（90°-γ）。Y 軸、Z軸方向磁場由于非正交性對X軸磁場的影響為BYsin(90°-α)、BZsin(90°-β)。 為 了 補償 Y 軸、Z 軸方向磁場由于非正交性對X軸磁場的影響，可以由XY、XZ線圈繞組分別產(chǎn)生大小相等、方向相反的磁場，即 -BYsin(90°-α)、-BZsin(90°-β)。如果將XY、XZ線圈繞組的線圈常數(shù)分別設計成sin(90°-α)KBY、sin(90°-β)KBZ，則只需將XY、XZ線圈繞組與 Y 軸、Z軸線圈繞組反向串聯(lián)，就可以實現(xiàn)Y軸、Z軸方向磁場由于非正交性對X軸磁場影響的自動補償［8］。補償原理如圖5所示。

圖5 正交性補償原理圖Fig.5 Schematic diagram for orthogonality of compensation

通過非正交性補償線圈繞組，來自動補償另外兩個軸方向磁場由于非正交性對某個軸方向磁場的影響?？梢詫⑷S磁場線圈的非正交性由純機械方式調(diào)節(jié)的 0.1°～0.3°降低至 0.5″～5″的水平。

正交度補償?shù)那疤崾菧蚀_測量三軸磁場線圈各軸之間的非正交性。非正交性的測量方法可以按一種三軸磁場線圈正交角度的測量方法（ZL 2011 1 0135687.6）中的方法進行測量。

3 測量不確定度分析與驗證

3.1 測量不確定度分析

磁通門磁強計校準裝置的測量不確定度主要來源見表6。

表6 測量不確定度一覽表Tab.6 Checklist of measurement uncertainty

3.2 測量不確定度驗證

采用質(zhì)子磁強計作為標準磁強計，與中國計量科學研究院保存的國家弱磁場標準裝置進行比較，結果見表7。

表7 測量不確定度的驗證結果Tab.7 Validation results of measurement uncertainty

從表7可以看出，本裝置的測量不確定度評定合理。

4 結束語

在磁通門磁強計校準裝置研究中，其關鍵技術獲得了三項發(fā)明專利和兩項實用新型專利，分別是一種通過分流補償磁場線圈非均勻性的方法（ZL 2010 1 0610332.3）一種通過繞組補償三軸磁場線圈非正交性的方法（ZL 2010 1 0610159.7）一種三軸磁場線圈正交角度的測量方法（ZL 2011 1 0135687.6）大開口尺寸、大均勻區(qū)的三軸磁場線圈（ZL 2010 2 0537527.5）一種串并聯(lián)組合磁場線圈分流電路（ZL 2011 2 0299411.7）。