翟晶晶 李 享 孟 誠

(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，湖北宜昌 443003)

1 引 言

磁感應(yīng)強度的大小隨距離呈線性變化的磁場稱為梯度磁場[1]，對梯度磁場的測量可以確定目標(biāo)位置、識別目標(biāo)特征[2]、消除磁干擾等，是磁探測領(lǐng)域的一個非常重要的研究方向，因此如何保證梯度磁強計測量數(shù)值的準(zhǔn)確性、可靠性是提高磁探測水平非常必要的手段。

矢量梯度磁強計標(biāo)準(zhǔn)裝置可復(fù)現(xiàn)準(zhǔn)確、線性的標(biāo)準(zhǔn)梯度磁場，為矢量梯度磁強計的量值傳遞提供標(biāo)準(zhǔn)磁場源，可模擬矢量梯度磁強計的工作環(huán)境，對矢量梯度磁強計的示值誤差進行校準(zhǔn)。常用的矢量梯度磁強計的基本原理有磁通門式、磁阻式等，可用于磁場環(huán)境梯度測量、磁異常探測等[3]。

2 系統(tǒng)組成

2.1 總體設(shè)計思路

矢量梯度磁強計標(biāo)準(zhǔn)裝置主要由均勻磁場復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)和二維梯度磁場復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)組成，均勻磁場復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)用于將工作區(qū)內(nèi)的環(huán)境磁場抵消為零，并產(chǎn)生與梯度磁場方向相同的均勻背景磁場，梯度磁場復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)包括橫向梯度線圈及縱向梯度線圈，可分別產(chǎn)生與磁場方向平行或垂直的梯度磁場，以適應(yīng)兩軸以上梯度磁強計的校準(zhǔn)。均勻磁場線圈與梯度磁場線圈經(jīng)過組合，即可在方向可控、大小可調(diào)的均勻背景磁場基礎(chǔ)上疊加產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的梯度磁場，完全模擬被校磁強計的工作環(huán)境，為矢量梯度磁強計的校準(zhǔn)提供標(biāo)準(zhǔn)梯度磁場。

矢量梯度磁強計校準(zhǔn)裝置示意圖如圖1所示。

圖1 矢量梯度磁強計校準(zhǔn)裝置示意圖

由于地磁場的存在，當(dāng)復(fù)現(xiàn)梯度磁場時，兩者相互作用會改變合成磁場的方向[4]。因此需要均勻磁場線圈產(chǎn)生磁場，抵消地磁場，重新復(fù)現(xiàn)與被校磁強計矢量方向一致的恒定磁場，并在此基礎(chǔ)上復(fù)現(xiàn)梯度磁場，對矢量梯度磁強計進行校準(zhǔn)。磁場復(fù)現(xiàn)的基本原理如圖2所示。

圖2 磁場產(chǎn)生原理框圖

高穩(wěn)定度恒流源、標(biāo)準(zhǔn)電阻、磁場線圈三者相互串聯(lián)，通過高穩(wěn)定度恒流源給磁場線圈(梯度磁場線圈或均勻磁場線圈)通電，電壓表用于測量磁場線圈中通過的電流值，電流結(jié)合該方向的線圈常數(shù)通過以下公式即可計算出復(fù)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)磁場(梯度磁場或均勻磁場)量值大小[5]。

(1)

式中：B0——復(fù)現(xiàn)的磁場強度；KB——線圈常數(shù)；U——標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端的采樣電壓值；R——標(biāo)準(zhǔn)電阻阻值。

2.2 均勻磁場復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)

均勻磁場復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)具備兩種功能，其一是抵消裝置安裝位置固有地磁場的功能，其二是產(chǎn)生梯度磁場工作的背景磁場的功能，這兩種功能均是由高穩(wěn)定度恒流源向三軸磁場線圈供電來實現(xiàn)。

固有磁場抵消工作原理：將磁通門磁強計放置在三軸磁場線圈工作區(qū)中心位置，傳感器的X、Y、Z三軸大致對準(zhǔn)磁場線圈X、Y、Z，控制三臺恒流源向三軸線圈的固有磁場抵消繞組通入電流，觀察磁強計三個軸的示值，同時反復(fù)微調(diào)三臺電源的輸出電流值，使磁強計三軸的示值不斷向其零點靠近。當(dāng)磁強計顯示的剩余磁場不大于5nT時，即可認為線圈中心的固有地磁場基本為零。

梯度磁場工作的背景磁場產(chǎn)生原理：控制三臺恒流源分別向三軸磁場線圈中的復(fù)現(xiàn)繞組供電，通過控制三臺恒流源輸出電流的大小和方向，即可在線圈中心產(chǎn)生不同大小和不同方向的標(biāo)準(zhǔn)均勻磁場，為梯度磁場工作提供背景磁場。三軸磁場線圈結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 三軸磁場線圈結(jié)構(gòu)圖

在該標(biāo)準(zhǔn)裝置中，均勻磁場復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)三個磁場方向產(chǎn)生的磁場范圍均為±100μT，在φ200mm的空間內(nèi)復(fù)現(xiàn)磁場的非均勻性優(yōu)于0.02%。

2.3 二維梯度磁場復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)

二維梯度磁場復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)主要由橫向梯度線圈、縱向梯度線圈、激勵源以及用于測量磁場的測控系統(tǒng)組成。

梯度磁場線圈在典型點位上產(chǎn)生磁場的量值計算如下[3]

B=KZB×I×L

(2)

式中：B——梯度磁場線圈在典型點位上復(fù)現(xiàn)的磁場量值；KZB——梯度線圈的梯度常數(shù)(線圈的固有參數(shù)，可查閱說明書或校準(zhǔn)證書)；I——電流測量系統(tǒng)測得線圈中的電流；L——梯度磁場線圈該點位與零磁面的距離值。

二維梯度磁場線圈的兩套線圈產(chǎn)生的磁場方向呈90°垂直，兩套梯度線圈各由一臺恒流源提供電流，并各配備一套電流測量系統(tǒng)測量線圈中通過的電流進而計算復(fù)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)梯度磁場。通過控制橫向梯度線圈和縱向梯度線圈中通過的電流，即可對合成磁場梯度的大小和磁場方向進行控制，如圖4所示。

圖4 二維梯度磁場線圈示意圖

縱向梯度磁場線圈產(chǎn)生的梯度磁場，磁場方向與梯度方向平行，即在磁場的軸向方向上存在線性梯度；橫向梯度磁場線圈產(chǎn)生的梯度磁場，磁場方向與梯度方向垂直，即磁場量值在與磁場軸向相互垂直的方向上呈線性變化。

梯度磁場在其軸線的分布曲線如圖5所示。

圖5 梯度磁場軸向分布曲線圖

梯度磁場與軸線垂直的平面內(nèi)值是不變的，分布云圖如圖6所示。

圖6 YOZ平面Bx磁場分布云圖

2.4 梯度磁場復(fù)現(xiàn)驗證試驗

1) 試驗方法

首先選定覆蓋工作區(qū)臨界點，在工作區(qū)內(nèi)確定若干個均勻分布的測量點，將磁傳感器的磁軸對準(zhǔn)磁場方向，在每個點位上測量相同電流下梯度線圈產(chǎn)生的磁場。根據(jù)每個點位的磁場和距離數(shù)據(jù)繪制曲線并進行數(shù)據(jù)處理，得出測量結(jié)果?？v向梯度線圈的磁場方向與梯度方向同軸[7]，測量時磁傳感器磁軸方向與平移方向一致，橫向梯度線圈的磁場方向與梯度方向呈90°，磁傳感器磁軸方向與平移方向垂直，其余所有操作方法和數(shù)據(jù)處理方法均相同。

采用最小二乘法擬合出各校準(zhǔn)點的B-L曲線，按式(3)計算梯度線圈的梯度常數(shù)

(3)

式中：k——B-L擬合曲線的斜率，μT/m。

根據(jù)擬合公式可得到各點位的擬合磁場值B1′，B2′，……，Bi′。則復(fù)現(xiàn)梯度磁場各個點位的非線性可由式(4)得出

(4)

式中：Ei——梯度線圈各測量點位的磁場非線性；Bi——第i個測量點的實測磁場值，μT；Bi′——第i個測量點的擬合磁場值，μT。

取所有測量點中非線性最大的點記為梯度磁場的線性度。

E=Eimax

(5)

式中：E——梯度磁場線性度。

2) 試驗結(jié)果

表1 梯度磁場非線性測量數(shù)據(jù)

根據(jù)驗證試驗的結(jié)果梯度磁場在200mm空間內(nèi)的線性度分別優(yōu)于5×10-4(縱向梯度磁場)，7×10-4(橫向梯度磁場)。

2.5 梯度磁場復(fù)現(xiàn)不確定度分析

該套標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度來源主要有梯度線圈常數(shù)、梯度磁場非線性、環(huán)境磁場梯度、納伏表、標(biāo)準(zhǔn)電阻等，主要影響量見表2[9]。

表2 梯度磁場測量不確定度分量一覽表

假設(shè)各不確定度分量獨立不相關(guān)，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

uc=6×10-4Br+0.7nT/m

(6)

取置信因子k=2，則擴展不確定度為

U=uc×2=1.2×10-3Br+1.4nT/m

(7)

3 結(jié)束語

本文介紹了一種矢量梯度磁強計標(biāo)準(zhǔn)裝置的組成、設(shè)計原理、驗證試驗及不確定度分析。該裝置研制的橫向梯度線圈、縱向梯度線圈可滿足兩軸或三軸矢量梯度磁強計的校準(zhǔn)需求，擴展了被校梯度磁強計的適用范圍。同時均勻磁場線圈的研制可完全模擬被校磁強計的工作環(huán)境(磁環(huán)境)，實現(xiàn)了在線校準(zhǔn)，提高了校準(zhǔn)結(jié)果的可靠性。該裝置建立完成后已為山西祎達等單位的矢量梯度磁強計開展了校準(zhǔn)服務(wù)，同時該裝置還可應(yīng)用于標(biāo)量磁強計的梯度容差校準(zhǔn)，取得了較好的應(yīng)用效果。