用于艦船磁性測試的磁場環(huán)境模擬技術(shù)

張修志,宋新昌

(中國船舶重工集團(tuán)有限公司第七一〇研究所,湖北宜昌443003)

0 引言

鋼鐵建造的艦船在地磁場的作用下被磁化，形成艦船磁性。艦船磁性有固定磁性和感應(yīng)磁性2種，固定磁性在一定時(shí)期內(nèi)是不變的，而感應(yīng)磁性則隨地磁場變化[1-3]。要區(qū)分艦船的固定磁性和感應(yīng)磁性最好的辦法就是在零磁空間中進(jìn)行測量。零磁空間的實(shí)現(xiàn)有磁屏蔽和磁場線圈2種方法。磁屏蔽由于受軟磁材料特性的限制，一方面，不可能實(shí)現(xiàn)絕對的零磁空間，另一方面，被測目標(biāo)的固定磁性會(huì)擾亂磁屏蔽室的磁場分布情況，測出來的數(shù)據(jù)不能真實(shí)地反映出被測目標(biāo)固定磁性的磁場分布。而磁場線圈可以解決上述2個(gè)弊端，因此在艦船、衛(wèi)星磁測領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

1 大型磁場線圈

磁空間技術(shù)是在設(shè)計(jì)的空間范圍人造磁場[4]。現(xiàn)階段，人為營造的均勻磁空間形狀基本上都是球形區(qū)域或者正方體區(qū)域，例如[5-7]：1)北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所建于懷柔地區(qū)的CM 1磁環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備，主線圈系統(tǒng)為木制立方體線圈結(jié)構(gòu)，三軸四線圈系統(tǒng)威德里希線圈形式，最大線圈邊長4m，均勻區(qū)直徑 500 mm，穩(wěn)定度優(yōu)于1nT/h，可提供零磁場-50 000～50000nT的恒定磁場和航天器在軌飛行所經(jīng)歷的實(shí)時(shí)磁場，模擬誤差小于10 nT。2)北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所建于唐家?guī)X地區(qū)的CM 2主線圈室，高18.8 m，半地下結(jié)構(gòu)，地下室深6.8 m，全部采用無磁建材建造，為無磁建筑。CM 2磁環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備在x、y、z方向補(bǔ)償?shù)卮艌?，在線圈系統(tǒng)中心形成衛(wèi)星磁試驗(yàn)所要求的零磁場環(huán)境和可控磁場環(huán)境，線圈系統(tǒng)為鋁材質(zhì)方型三軸四線圈系統(tǒng)，最大線圈邊長16 m。CM 2主線圈系統(tǒng)中心2.5 nT磁場均勻區(qū)直徑為2.5 m，磁場穩(wěn)定度為±1.5 nT/h，直流磁場為0～60 000 nT，0.01～ 16 Hz的交流磁場為 0～60 000 nT。

艦船的長徑比一般較大，假設(shè)營造的均勻磁空間是球形區(qū)域或者正方體區(qū)域，顯然不太合適：一是增加建筑物的面積，二是增加建造成本。設(shè)計(jì)成大長徑比的勻強(qiáng)磁場空間是比較經(jīng)濟(jì)的做法。現(xiàn)階段，對大長徑比勻強(qiáng)磁場空間的設(shè)計(jì)少有報(bào)道，本文主要闡述了此問題的研究方法及設(shè)計(jì)結(jié)果。

2 技術(shù)指標(biāo)及線圈結(jié)構(gòu)

2.1 技術(shù)指標(biāo)

1)三維磁場，在Ф2 m×24 m的區(qū)域內(nèi)非均勻性為±5%；

2)60 A產(chǎn)生±100μT的磁場；

3)均勻區(qū)中心線距地面1.2 m；

4)線圈位置避開門窗區(qū)域。

2.2 指標(biāo)分析

在Ф2 m×24 m的區(qū)域內(nèi)非均勻性要求為±5%，長徑比達(dá)到12，如果采用正方形線圈或長方形線圈的形式，則線圈的幾何尺寸比較大，并且在限定的線圈安裝區(qū)域內(nèi)，技術(shù)指標(biāo)不能滿足±5%的要求，因此必須采用組合線圈的形式。

2.3 線圈結(jié)構(gòu)

圖1 線圈示意圖Fig.1 Schematic diagram of coils

綜合考慮建筑的結(jié)構(gòu)和對均勻區(qū)大小及均勻性的要求，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，線圈的示意圖如圖1所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)值如表1和表2所示。

表1 線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structure parameters of coils

表2 技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)值Table 2 Design values of technical indicators

由表2可知：線圈常數(shù)和均勻區(qū)中的非均勻性均滿足技術(shù)指標(biāo)的要求，并且留有足夠的余量。

3 仿真分析

以技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)值中非均勻性最大的垂向繞組為例，仿真分析整個(gè)均勻區(qū)內(nèi)的非均勻性分布形狀，結(jié)果如圖2及圖3所示。

圖2 均勻區(qū)中心垂面非均勻性Fig.2 Heterogeneity of vertical plane in center of uniform area

圖3 均勻區(qū)中心平面非均勻性Fig.3 Heterogeneity of parallel plane in center of uniform area

由圖2和圖3可知：對于垂向繞組，在整個(gè)Ф2 m×24 m的區(qū)域內(nèi)非均勻性滿足技術(shù)指標(biāo)中的要求，最大值為3.27%，分布在圓柱體兩底面的邊緣點(diǎn)上。

4 測試方法

對安裝后的繞組線圈進(jìn)行測試，具體步驟如下：

1)用卷尺測量確定每個(gè)測量點(diǎn)的位置。

2)連接儀器，將標(biāo)準(zhǔn)磁強(qiáng)計(jì)(GSM-19)探頭放置在被檢磁場線圈均勻區(qū)中心。

3)記錄標(biāo)準(zhǔn)磁強(qiáng)計(jì)在穩(wěn)流源未輸出時(shí)的示值B0。

4)穩(wěn)流源輸出時(shí)，記錄標(biāo)準(zhǔn)磁強(qiáng)計(jì)的示值B+。

5)將穩(wěn)流源輸出的電流值大小保持不變，方向反向，記錄標(biāo)準(zhǔn)磁強(qiáng)計(jì)的示值B-。

6)按公式(1)計(jì)算線圈常數(shù)

式中：KBx為被檢磁場線圈的線圈常數(shù)，nT/A；B+為穩(wěn)流源正向輸出時(shí)標(biāo)準(zhǔn)磁強(qiáng)計(jì)的讀數(shù)，nT；B-為穩(wěn)流源反向輸出時(shí)標(biāo)準(zhǔn)磁強(qiáng)計(jì)的讀數(shù)，nT；B0為穩(wěn)流源未輸出電流時(shí)標(biāo)準(zhǔn)磁強(qiáng)計(jì)的讀數(shù)，nT；I為電流值大小，A。

7)對于其他測量點(diǎn)重復(fù)4)、5)、6)測量。

8)按公式(2)計(jì)算每個(gè)測量點(diǎn)上的線圈常數(shù)值與均勻區(qū)中心點(diǎn)線圈常數(shù)的相對差值

式中：ΔKBi為被檢磁場線圈第i點(diǎn)的線圈常數(shù)與均勻區(qū)中心點(diǎn)的相對差值；KBi為被檢磁場線圈第i點(diǎn)的線圈常數(shù)，nT/A；KB1為被檢磁場線圈均勻區(qū)中心點(diǎn)的線圈常數(shù)，nT/A。

9)取最大值為磁場均勻度。

10)電流源輸出為最大時(shí)，看所產(chǎn)生的磁場能否滿足技術(shù)指標(biāo)中所規(guī)定的磁場強(qiáng)度。

5 測試結(jié)果

線圈的測量結(jié)果如下：

表3 線圈測試結(jié)果Table 3 Test results of coils

對比表2和表3可知：1)無論是線圈常數(shù)還是非均勻性，實(shí)測值均滿足技術(shù)指標(biāo)的要求，其中設(shè)計(jì)值和實(shí)測值有稍許偏差，這可能是由線圈橋架的安裝誤差或測試過程中傳感器探頭位置不固定等原因造成的；2)在線圈邊長39 m的情況下，實(shí)現(xiàn)了24m的長度內(nèi)非均勻性達(dá)到3.68%，均勻區(qū)長度和線圈邊長的比值達(dá)到61.5%，與傳統(tǒng)的亥姆霍茲線圈[8-9]相比(理論值非均勻性為3.7%的情況下，均勻區(qū)長度和線圈直徑的比值為27%)大大提高了均勻區(qū)的范圍。

6 結(jié)束語

本文結(jié)合艦船磁性測試的特點(diǎn)，使線圈位置避開建筑物門窗，優(yōu)化設(shè)計(jì)了大長徑比的零磁空間磁場線圈，實(shí)測結(jié)果表明：在Ф2m×24m的區(qū)域內(nèi)磁場強(qiáng)度達(dá)到±100 000 nT、非均勻性為3.7%，節(jié)約了制造成本，對大長徑比零磁空間的設(shè)計(jì)過程具有一定的指導(dǎo)意義。