一種用于磁場(chǎng)復(fù)現(xiàn)和屏蔽的磁干擾主動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)

張海波 翟晶晶 李 享 周昌劍

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所，國(guó)防科技工業(yè)弱磁一級(jí)計(jì)量站，湖北宜昌 443003)

1 引 言

環(huán)境磁干擾主要指由于車輛、電梯等磁性物體移動(dòng)產(chǎn)生的低頻擾動(dòng)磁場(chǎng)，以及電力線纜中50Hz/60Hz工頻及諧波電流產(chǎn)生的交流擾動(dòng)磁場(chǎng)[1]。在梯度磁場(chǎng)復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)[2]中環(huán)境磁干擾是影響復(fù)現(xiàn)磁場(chǎng)準(zhǔn)確度及穩(wěn)定度的重要因素，在磁屏蔽系統(tǒng)中環(huán)境磁干擾是影響屏蔽室內(nèi)磁場(chǎng)噪聲功率譜的重要因素。

提出一種梯度磁場(chǎng)復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)和磁屏蔽裝置的環(huán)境磁干擾主動(dòng)補(bǔ)償方法，綜合前饋/反饋復(fù)合控制技術(shù)，可同時(shí)對(duì)三個(gè)分量的環(huán)境磁干擾進(jìn)行分別閉環(huán)控制補(bǔ)償。采用的模擬控制器具有響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)可靠等特點(diǎn)。

該方法已在“(10～100)μT/m梯度磁場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)裝置”、“低剩磁低噪聲磁屏蔽室”等計(jì)量裝置中應(yīng)用，用于補(bǔ)償校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)磁干擾。經(jīng)過補(bǔ)償后大大降低了環(huán)境磁場(chǎng)噪聲，為原子式磁強(qiáng)計(jì)梯度容差校準(zhǔn)、磁屏蔽系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)等提供穩(wěn)定的磁環(huán)境，降低了裝置的測(cè)量不確定度水平。

2 磁干擾主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 方案設(shè)計(jì)

補(bǔ)償原理如圖1所示，低噪矢量磁傳感器放置在三軸補(bǔ)償線圈磁場(chǎng)均勻區(qū)，將測(cè)量到的環(huán)境干擾磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸入到補(bǔ)償控制器中，并與目標(biāo)磁場(chǎng)進(jìn)行比較，通過反饋控制模塊產(chǎn)生補(bǔ)償信號(hào)，與前饋控制模塊產(chǎn)生的補(bǔ)償信號(hào)相加后輸入到補(bǔ)償線圈相應(yīng)方向的繞組中，激勵(lì)補(bǔ)償線圈產(chǎn)生與波動(dòng)磁場(chǎng)方向相反、大小相等的矢量磁場(chǎng)，抵消波動(dòng)干擾，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的磁環(huán)境。

圖1 動(dòng)態(tài)磁干擾補(bǔ)償結(jié)構(gòu)框圖

補(bǔ)償過程中還可通過補(bǔ)償參數(shù)修正方法對(duì)補(bǔ)償電流中的直流偏置部分進(jìn)行修正，以達(dá)到只對(duì)干擾磁場(chǎng)進(jìn)行抵消，不影響復(fù)現(xiàn)磁場(chǎng)準(zhǔn)確度的目的。

2.2 補(bǔ)償系統(tǒng)建模

磁干擾主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)主要由目標(biāo)磁場(chǎng)設(shè)置電路、磁場(chǎng)補(bǔ)償控制器、磁場(chǎng)線圈和磁通門傳感器構(gòu)成。其中，磁通門傳感器用于測(cè)量線圈磁場(chǎng)內(nèi)部環(huán)境磁場(chǎng)三分量、磁場(chǎng)補(bǔ)償控制器根據(jù)磁干擾信號(hào)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償電流，環(huán)境磁干擾主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

為了對(duì)磁干擾補(bǔ)償控制器的控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及對(duì)補(bǔ)償能力進(jìn)行分析，需要建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。實(shí)際的主動(dòng)磁場(chǎng)補(bǔ)償系統(tǒng)均為非線性，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，各個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)均采用線性化技術(shù)建立線性模型[3]。

以X軸為例進(jìn)行建模，得到主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)磁場(chǎng)補(bǔ)償控制器、磁場(chǎng)線圈、磁通門傳感器的傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 環(huán)境磁干擾主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)圖

影響該傳遞函數(shù)輸出的輸入量共有兩個(gè)，分別是目標(biāo)磁場(chǎng)信號(hào)Ur(s)和環(huán)境干擾磁場(chǎng)Bd(s)，根據(jù)線性系統(tǒng)疊加原理[4]，分別求出每一個(gè)分量單獨(dú)作用時(shí)的輸出，然后再計(jì)算得到X方向磁感應(yīng)強(qiáng)度。

2.3 補(bǔ)償參數(shù)優(yōu)化

1)主動(dòng)磁場(chǎng)補(bǔ)償系統(tǒng)穩(wěn)定性

根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)，使主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是使系統(tǒng)特征方程(1)中T1，T2，KP，KI等各參數(shù)滿足式(2)和式(3)

T1T2s3+(T1+T2)s2+(K1K2KSWKP+1)s

+K1K2KSWKI=0

(1)

T1T2K1K2KSWKI-(T1+T2)(K1K2KSWKP+1)<0

(2)

K1K2KSWKI>0

(3)

2)主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)低頻干擾磁場(chǎng)補(bǔ)償能力

干擾磁場(chǎng)Bd(s)到系統(tǒng)輸出Bx(s)存在如下傳遞函數(shù)

(4)

采用頻率特性分析法，其頻率特性為

(5)

3)優(yōu)化控制參數(shù)

根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定條件[5]設(shè)定PI控制器參數(shù)。比如：令KP=4.2，KI=-4200，代入其他參數(shù)值，可得

(6)

由式(6)可知，在角頻率60rad/sec(9.55Hz)以下，對(duì)干擾衰減-40dB；在角頻率6rad/sec(0.955Hz)，對(duì)干擾衰減-60dB，頻率越低衰減倍數(shù)越大。

2.4 參考電壓修正

考慮到在實(shí)際應(yīng)用中，三軸補(bǔ)償線圈的尺寸不一，當(dāng)補(bǔ)償線圈的尺寸較小時(shí)，補(bǔ)償傳感器安裝位置處與工作區(qū)的線圈常數(shù)不一致，可能導(dǎo)致補(bǔ)償電流存在直流偏置，影響補(bǔ)償磁場(chǎng)準(zhǔn)確度。

為了確保補(bǔ)償動(dòng)態(tài)干擾的同時(shí)，補(bǔ)償繞組不產(chǎn)生額外的恒定磁場(chǎng)影響工作區(qū)的參考磁場(chǎng)，其充分條件是補(bǔ)償繞組中補(bǔ)償電流的恒定分量為零，需要對(duì)目標(biāo)磁場(chǎng)及控制電路的參考電壓進(jìn)行修正。

(7)

式中：Ur——控制電路參考電壓；k2——補(bǔ)償傳感器靈敏度(磁場(chǎng)電壓轉(zhuǎn)換系數(shù))；Br——目標(biāo)磁場(chǎng)值；U0——補(bǔ)償傳感器零偏；θ——復(fù)現(xiàn)繞組磁軸與補(bǔ)償傳感器磁敏感軸的夾角。

控制電路參考電壓修正模型如下

(8)

式中：ksw——補(bǔ)償磁傳感器處補(bǔ)償繞組沿磁軸方向的線圈常數(shù)；if——補(bǔ)償繞組中的實(shí)際電流；i0——補(bǔ)償?shù)卮艌?chǎng)的偏置電流；k,U0——修正參數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)既可以通過直接計(jì)算法獲得，也可以采用最小二乘參數(shù)估計(jì)的方法得到。

2.5 前饋/反饋復(fù)合補(bǔ)償

通過反饋控制模塊對(duì)車輛、電梯等磁性物體移動(dòng)產(chǎn)生的磁干擾進(jìn)行補(bǔ)償；同時(shí)通過前饋控制模塊對(duì)50Hz/60Hz工頻及諧波磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，前饋控制模塊采用直接數(shù)字頻率合成電路[6]產(chǎn)生前饋磁場(chǎng)補(bǔ)償信號(hào)，該信號(hào)的通道數(shù)取決于所要補(bǔ)償?shù)墓ゎl諧波頻率個(gè)數(shù)。反饋控制信號(hào)和前饋控制信號(hào)在電壓電流轉(zhuǎn)換模塊中進(jìn)行疊加，產(chǎn)生相應(yīng)的電流激勵(lì)三軸補(bǔ)償線圈產(chǎn)生反饋補(bǔ)償磁場(chǎng)。

2.6 補(bǔ)償電流跟蹤

為了實(shí)現(xiàn)三軸補(bǔ)償線圈電流對(duì)補(bǔ)償電壓信號(hào)的實(shí)時(shí)跟蹤能力，在三軸補(bǔ)償線圈中串接標(biāo)準(zhǔn)采樣電阻，將采樣電阻兩端的差分電壓通過儀表放大器轉(zhuǎn)換單端信號(hào)，然后利用集成運(yùn)放與補(bǔ)償信號(hào)做差值運(yùn)算，通過模擬PID電路產(chǎn)生電流控制信號(hào)[7]，電流控制信號(hào)后加一級(jí)集成功率放大電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)跟隨[8]，從而實(shí)現(xiàn)三軸補(bǔ)償線圈中電流對(duì)補(bǔ)償信號(hào)的實(shí)時(shí)跟蹤。

3 磁干擾主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)驗(yàn)證

3.1 磁場(chǎng)復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)補(bǔ)償試驗(yàn)

為了驗(yàn)證在磁場(chǎng)復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)中該磁干擾補(bǔ)償方法的補(bǔ)償效能開展測(cè)試，具體實(shí)施過程參照參考文獻(xiàn)[9]，系統(tǒng)連接如圖4所示。

圖4 磁干擾補(bǔ)償試驗(yàn)系統(tǒng)連接圖

在該試驗(yàn)中，使用磁干擾模擬線圈(螺線管線圈)和交流恒流源產(chǎn)生模擬干擾磁場(chǎng)，使用磁干擾補(bǔ)償線圈(圓形赫姆霍茲線圈)將補(bǔ)償電流轉(zhuǎn)換為補(bǔ)償磁場(chǎng)[10]；使用信號(hào)分析儀對(duì)磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行采集分析。按式(9)計(jì)算補(bǔ)償效能，補(bǔ)償效果見表1。

(9)

以上試驗(yàn)同樣在1μT/m，10μT/m，40μT/m的梯度磁場(chǎng)下進(jìn)行了驗(yàn)證，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示補(bǔ)償效果沒有明顯變化，說明該補(bǔ)償方法同樣適用于梯度磁場(chǎng)下的動(dòng)態(tài)磁干擾補(bǔ)償。

表1 0.5Hz～60Hz干擾磁場(chǎng)補(bǔ)償試驗(yàn)Tab.1 0.5Hz～60Hz interference magnetic field compensation test頻率f/Hz干擾磁場(chǎng)補(bǔ)償前磁場(chǎng)幅值B/nT補(bǔ)償后磁場(chǎng)幅值B0/nT補(bǔ)償效能/dB0.51000.066411010.205721010.235351010.684381011.0939101011.3637201012.7431301014.1028401015.3825501016.9223601018.0522

3.2 磁場(chǎng)屏蔽裝置補(bǔ)償試驗(yàn)

為了驗(yàn)證在磁場(chǎng)屏蔽裝置中該磁干擾補(bǔ)償方法的補(bǔ)償能力開展了磁場(chǎng)補(bǔ)償效能，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示，試驗(yàn)方法與磁場(chǎng)復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)中磁場(chǎng)補(bǔ)償系統(tǒng)測(cè)試方法相似，考慮到磁屏蔽室的各向異性，同樣需要在三個(gè)方向各典型頻點(diǎn)開展試驗(yàn)。

圖5 磁屏蔽裝置中的干擾磁場(chǎng)主動(dòng)補(bǔ)償試驗(yàn)系統(tǒng)

分別在屏蔽裝置中心位置的南北方向、東西方向和垂直方向分別開展了主動(dòng)磁屏蔽效能驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)梯度磁場(chǎng)復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)和磁屏蔽裝置使用過程中環(huán)境干擾磁場(chǎng)對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響，提出了一套干擾磁場(chǎng)補(bǔ)償系統(tǒng)方案，對(duì)總體方案構(gòu)架進(jìn)行了介紹，并較為詳細(xì)地論述了補(bǔ)償系統(tǒng)模型、補(bǔ)償參數(shù)優(yōu)化、參考電壓修正、前饋/反饋復(fù)合補(bǔ)償、補(bǔ)償電流跟蹤等技術(shù)。

基于該技術(shù)研制的主動(dòng)磁場(chǎng)補(bǔ)償系統(tǒng)可對(duì)干擾磁場(chǎng)三個(gè)分量同步補(bǔ)償，試驗(yàn)結(jié)果表明：梯度磁場(chǎng)復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)中，干擾磁場(chǎng)主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)可顯著提高

表2 磁屏蔽裝置中主動(dòng)補(bǔ)償試驗(yàn)Tab.2 Active compensation test in magnetic shielding device測(cè)試點(diǎn)位置測(cè)試頻點(diǎn)屏蔽室南北向屏蔽效能/dB主動(dòng)補(bǔ)償后南北向屏蔽效能/dB屏蔽室東西向屏蔽效能/dB主動(dòng)補(bǔ)償后東西向屏蔽效能/dB屏蔽室垂直向屏蔽效能/dB主動(dòng)補(bǔ)償后垂直向屏蔽效能/dB磁屏蔽室中心0.012184239125870.132632479276515184307433671069924078467520679245775580496789567764761006981647368801000737784938289

磁場(chǎng)穩(wěn)定性，降低了不確定度水平；在磁場(chǎng)屏蔽裝置中，極大提高低頻磁場(chǎng)屏蔽效能，抑制了低頻磁場(chǎng)噪聲。另外，該技術(shù)在動(dòng)態(tài)磁環(huán)境模擬等領(lǐng)域也具有很好的應(yīng)用前景。