雙磁芯磁通門式測磁儀測量精度檢測方法設(shè)計*

隗燕琳 王彥東 劉志偉 楊 立 陳李健 俞寧昊

（92957部隊 舟山 316001）

1 引言

雙磁芯磁通門式測磁儀主要用于測量地磁場及磁性物體的磁場［1-2］，該測磁儀的測量精度將直接影響磁場測量值的真實性。為了獲取磁場的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，應(yīng)使測磁儀長期處于良好的工作狀態(tài)。雙磁芯磁通門式測磁儀屬于精密計量儀器，需要嚴(yán)格按照規(guī)程使用和維護(hù)，并定期進(jìn)行檢查和調(diào)校，每年必須由測磁儀制造單位的專業(yè)技術(shù)人員使用中國計量科學(xué)研究院標(biāo)定的專用設(shè)備在現(xiàn)場進(jìn)行定標(biāo)。但該測磁儀使用較為頻繁，每年都需專業(yè)技術(shù)人員現(xiàn)場定標(biāo)的規(guī)定顯然與實際工作需要不符，并且，測磁儀是否滿足消磁勤務(wù)的工作要求是由其測量精度是否符合要求決定，而不是由其使用時間決定。為了方便快捷地檢測雙磁芯磁通門式測磁儀的測量精度，解決機(jī)動消磁保障中測磁儀測量精度檢測困難的問題，提出了一種便攜式智能化雙磁芯磁通門式測磁儀測量精度的檢測方法。

2 雙磁芯磁通門式傳感器工作原理

雙磁芯磁通門式傳感器使用兩根磁芯［3］，上面繞有激勵線圈Wj和測量線圈Wout。激勵線圈Wj反接，測量線圈Wout在兩根鐵芯外纏繞，如圖1 所示。這種磁傳感器的兩根磁芯互相平行放置，通常采用帶狀磁芯。在理想情況下，兩根磁芯材質(zhì)特性完全一致，由于激勵線圈Wj串連反接［4～5］，無外磁場作用情況下，當(dāng)在激勵線圈Wj上施加一定頻率f 的激勵電流時，左右兩磁芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度B 對稱反向，均只有奇次諧波，兩根鐵芯中的總磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，因此測量線圈Wout的輸出電壓為零［3］。當(dāng)有外磁場Hε作用時，一個磁芯的合成磁場為Hε+Hj，另一個磁芯則為Hε-Hj（其中Hj=Hmcosωt，為磁芯中由激勵電流產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度）。兩根磁芯磁感應(yīng)強(qiáng)度B 隨時間變化曲線的正負(fù)半周均不對稱［6～8］（如圖2，其中Hs為磁芯的飽和磁場強(qiáng)度），除基波及其它奇次諧波外，出現(xiàn)了偶次諧波，主要是二次諧波。外磁場Hε越大，磁感應(yīng)強(qiáng)度B 正負(fù)半周不對稱程度增加，二次諧波的幅值也相應(yīng)增加。此時兩根鐵芯中的總磁感應(yīng)強(qiáng)度不再為零，而是隨時間而變化，通過測量線圈Wout的總磁通量的變化率不為零，故有感應(yīng)電壓輸出。兩根鐵芯中磁感應(yīng)強(qiáng)度B的奇次諧波幅值相同，相位相反，偶次諧波（以二次諧波為主）相位相同，故總磁通為二次諧波磁通，輸出電壓為二次諧波電壓，其幅值隨Hε值增加而增加，其相位則隨外磁場Hε反向而反向，因此利用測量線圈Wout輸出的二次諧波電壓即可測量磁性物體的磁場［9～11］。

圖1 磁傳感器結(jié)構(gòu)圖

圖2 磁芯磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線圖

3 測磁儀測量精度檢測方法設(shè)計

根據(jù)比奧-薩伐爾定理，恒定的電流產(chǎn)生恒定的磁場。雙磁芯磁通門式傳感器中繞有激勵線圈及測量線圈［12］，若在測磁儀出廠計量后通過標(biāo)準(zhǔn)電流源向測量線圈輸入標(biāo)準(zhǔn)電流，則在測量線圈繞制的磁芯內(nèi)將產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)恒定磁場。該磁場與環(huán)境磁場疊加，使得測量線圈經(jīng)測磁儀的數(shù)據(jù)處理電路后的測量值也隨著所施加的標(biāo)準(zhǔn)電流變化而變化。測量線圈產(chǎn)生的磁場測量值隨著標(biāo)準(zhǔn)電流發(fā)生的這種變化可以標(biāo)定為測磁儀對磁場的測量精度檢測曲線。雙磁芯磁通門式測磁儀在出廠計量后同時存儲測量精度檢測曲線，即可極大方便日后對雙磁芯磁通門式測磁儀的精度檢測工作。具體設(shè)計方法如下［13］：

針對雙磁芯磁通門式測磁儀的測量原理及精度檢測的實際需要設(shè)計了雙磁芯磁通門式測磁儀精度檢測裝置，該裝置包括檢測開關(guān)、標(biāo)準(zhǔn)可調(diào)恒流源、電流控制芯片、A/D 轉(zhuǎn)換模塊、電流采集模塊、信號處理芯片、顯示板。

該裝置需在原測磁儀上增設(shè)“精度檢測”端口，測磁儀測量精度檢測裝置以外接設(shè)備形式與測磁儀對接。

可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)恒流源由控制芯片控制其電流輸出，使其可定量輸出電流，也可呈線性離散變化輸出電流，此時各個電流離散值之間存在穩(wěn)定的時間間隙，該時間間隙能確保標(biāo)準(zhǔn)恒流源的輸出電流在測量線圈中產(chǎn)生該時間間隙內(nèi)的穩(wěn)定磁場。

雙磁芯磁通門式測磁儀精度檢測裝置的使用關(guān)鍵在于：測磁儀首次正式使用前必須通過測磁儀精度檢測裝置測量并存儲磁場檢測曲線，該曲線即為后續(xù)雙磁芯磁通門式測磁儀磁場測量精度的檢測標(biāo)準(zhǔn)。具體步驟如下（設(shè)計原理圖如圖3）。

圖3 雙磁芯磁通門式測磁儀測量精度檢測裝置原理設(shè)計圖

S1：測磁儀首次經(jīng)過參數(shù)調(diào)整及系統(tǒng)調(diào)試運行正常后，由“精度檢測”端口接入雙磁芯磁通門式測磁儀測量精度檢測裝置。

S2：啟動“檢測開關(guān)”后，該裝置將由電流控制芯片根據(jù)測磁儀的磁場測量值經(jīng)電流采集模塊的反饋信號控制可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)電流源，在測量線圈上施加補(bǔ)償電流，使得該測磁儀的磁場測量值為0μT。

S3：電流控制芯片通過電流給定信號控制可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)電流源的輸出，在此補(bǔ)償電流的基礎(chǔ)上呈線性變化，使測量線圈的磁場測量值符合實際所需測量磁場值的閉區(qū)間。此時電流給定值及對應(yīng)的磁場測量值存儲在電流控制芯片中，形成磁場控制曲線。

S4：線性電流值由標(biāo)準(zhǔn)可調(diào)恒流源輸出，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換模塊實時送入信號處理芯片中形成電流的實際輸出值，該電流值與測量線圈的實時磁場測量值確定磁場檢測曲線，存儲在信號處理芯片中，該曲線作為后續(xù)雙磁芯磁通門式測磁儀磁場測量精度的檢測標(biāo)準(zhǔn)。

在測磁儀首次使用后進(jìn)行測磁儀測量精度檢測的步驟如下：

S1：啟動“檢測開關(guān)”后，精度檢測裝置將由電流控制芯片根據(jù)測磁儀磁場測量值的反饋信號（由電流采集模塊獲得測磁儀測量電路的磁場測量值）控制可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)電流源，在測量線圈上施加補(bǔ)償電流，使得該測磁儀的磁場測量值為0μT。

S2：電流控制芯片控制可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)電流源的輸出按照磁場控制曲線中電流離散值變化，電流輸出值實時經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊送入信號處理芯片中。

S3：測磁儀測量線圈的磁場測量值通過電流采集模塊也同時輸入到信號處理芯片中。

S4：信號處理芯片將輸入的電流值與磁場值形成磁場測量曲線。

S5：信號處理芯片將磁場測量曲線與磁場檢測曲線進(jìn)行比對，以誤差形式顯示在顯示板上。

若測磁儀測量精度檢測裝置顯示測量線圈的測量誤差較大，可能是需要按照測磁儀的使用說明書進(jìn)行測磁儀參數(shù)調(diào)整，若參數(shù)調(diào)整后，用該檢測裝置重新檢測測量精度，仍顯示誤差較大，則說明測量線圈需要重新定標(biāo)或更換。

4 結(jié)語

本文提出的雙磁芯磁通門式測磁儀測量精度的檢測方法能根據(jù)實際使用需要方便快捷的檢測測磁儀的磁場測量精度，無需每年進(jìn)行專業(yè)檢測，使雙磁芯磁通門式測磁儀的測量精度能全時域受控，從而使機(jī)動測磁工作能高效率、高質(zhì)量的完成，節(jié)省大量的人力物力。