磁通门磁强计校准装置研究

程华富

（中国船舶重工集团公司第七一○研究所，湖北宜昌443003）

1 引 言

磁通门磁强计是目前技术最成熟、使用量最大的弱磁场磁强计之一，被广泛应用于磁性目标探测、姿态测量、磁导航、弹道磁修正、舰船消磁等国防军工领域和空间科学、地球物理、资源勘探、环境保护、生物医疗、航海、无损检测等国民经济领域［1,2］。

经过数十年的技术发展，磁通门磁强计在线性度、稳定性、正交度等方面取得了长足的进步。以英国巴庭顿公司Mag01、Mag03系列为代表的国外先进磁通门磁强计其线性度已达1.5×10-5，正交度优于0.1°，目前国内各行业均有大量进口。中科院国家空间中心、中船重工七一〇所、西北工业大学等国内的科研院所研制的磁通门磁强计性能目前已越来越接近国外先进水平［3］。

目前使用的磁通门磁强计测试系统一般采用亥母霍兹线圈或螺线管线圈作为磁场源，同时缺少磁场均匀性补偿、磁场正交性补偿等技术，其磁场均匀性、正交度等指标已无法满足高性能磁通门磁强计的校准测试需求，为此研制磁通门磁强计校准装置。

2 磁通门磁强计校准装置

2.1 系统组成与工作原理

磁通门磁强计校准装置的三轴磁场线圈系统、磁场激励系统（含电流源、标准电阻、数字多用表）两轴转台（被校磁通门磁强计安装工装）组成，如图1所示。

图1 磁通门磁强计校准装置原理框图Fig.1 Schematic diagram for calibration equipment of fluxgate magnetometer

磁通门磁强计校准装置的核心是三轴磁场线圈系统。三轴磁场线圈系统主要包括大开口大均匀区的三轴磁场线圈、磁场非均匀性的补偿系统、磁场非正交性补偿系统。大开口大均匀区的三轴磁场线圈用于复现三轴正交磁场，磁场非均匀性的补偿系统用于补偿磁场的非均匀性，磁场非正交性补偿系统主要用于补偿三轴磁场的非正交性。

其他组成由通用标准设备组成。其中数字多用表选用Agilent 34420A型，0.1V～1V范围内的直流电压测量不确定度为8×10-5（k=2）；稳流源需用制定的稳流源，电流稳定性为5×10-6/30 min；标准电阻采用上海电表仪器厂生产的BZ-3/6型标准电阻，校准后的电阻不确定度优于1×10-5（k=2）。

2.2 大开口大均匀区的三轴磁场线圈

2.2.1 三轴磁场线圈的结构

1）X轴方向（主工作方向）绕组

线圈系统的X方向是水平南北方向，线圈骨架采用四个正方形骨架复合的结构。每个骨架的边长均为1600 mm×1600 mm，间距为600 mm：400mm：600 mm。X方向的线圈结构如图2所示，线圈绕组参数及功能见表 1［4,5］。

图2 X轴线圈结构示意图Fig.2 Diagram of structure on X axis

表1 X轴线圈绕组功能Tab.1 Coil-winding function of X axis

2）Y轴方向绕组

线圈系统的Y方向是水平东西方向，线圈骨架采用三个回字形骨架复合的结构。第一组骨架的边长为2200mm×2200mm，间距为1760mm；第二组骨架的边长为1320mm×1320mm，间距为1760mm；第三组骨架的边长为660mm×660mm，间距为1.760mm。Y方向的线圈结构如图3所示，绕组参数及功能见表 2［5］。

图3 Y轴线圈结构示意图Fig.3 Diagram of structure on Y axis

3）Z轴方向绕组

线圈系统的Z方向是垂直方向，线圈骨架采用三个回字形骨架复合的结构，如图12所示。第一组骨架的边长为2.00m×2.00m，间距为1.80m；第二组骨架的边长为1.20m×1.20m，间距为1.80m；第三组骨架的边长为0.60m×0.60m，间距为1.80m。Z方向的线圈结构如图4所示，绕组参数及功能见表 3［5］。

图4 Z轴结构示意图Fig.4 Diagram of structure on Z axis

2.2.2 与普通磁场线圈的比较

与传统三轴亥母霍兹线圈相比，这种新型的三轴磁场线圈在开口空间、磁场均匀性等方面具有明显优势。就同等尺寸的线圈而言，亥母霍兹线圈的开口空间约为0.75m×0.75m，而这种新型的三轴磁场线圈开口空间可达1.5m×1.5m，开口面积增大至4倍。这种新型的三轴磁场线圈与同尺寸的亥母霍兹线圈在磁场非均匀性方面的理论比较见表4。

从表4可以看出，新型大开口大均匀区的三轴磁场线圈在磁场非均匀性方面与同尺寸普通亥母霍兹线圈相比，具有明显的优势。在15%的有效区域内磁场非均匀性优于0.01%，仅而普通亥母霍兹线圈为0.35%。

表2 Y轴线圈绕组功能Tab.2 Coil-winding function of Y axis

表3 Z轴线圈绕组功能Tab.3 Coil-winding function of Z axis

表4 同尺寸线圈的磁场非均匀性比较Tab.4 Comparison of magnetic field non-uniformity of same size coil

2.3 磁场非均匀性补偿方法

由于线圈绕组匝数只能取整数和机械加工误差引起线圈实际尺寸变化，磁场线圈工作区的实际磁场非均匀性与理论设计值有较大差别。为了解决这个问题，本项目研究中发明一种通过分流补偿磁场非均匀性的方法。具体思路为：利用分流电阻箱微调通过单个线圈的电流，使各个线圈的等效匝数比例达到理论最佳值，以补偿因线圈匝数取整及机械加工误差引起的磁场非均匀性。具体方法如下［6］。

磁场线圈一般有多个串联线圈组成，线圈数量一般在2～6个之间。每个线圈均并联一个分流电阻箱，分流电阻箱的可调电阻范围一般为线圈绕组电阻的50倍到100000倍之间。

实际均匀性补偿中，分流电阻箱的电阻选择应服从式（1）：

式中：Ri——第i个线圈并联分流电阻箱的电阻；KBi——第i个线圈的理论线圈常数；K'B0——实际值与理论值的相对差值最小的线圈的实际线圈常数；KB0——实际值与理论值的相对差值最小的线圈的理论线圈常数；K'Bi——第i个线圈的实际线圈常数；ri——第i个线圈绕组的电阻。

其中，线圈常数实际值与理论值的相对差值最小的线圈，其并联的分流电阻箱在工作时与线圈断开连接。所谓相对差值最小，是指按式（2）计算结果最小：

式中：ΔKBi——第i个线圈的实际线圈常数与理论线圈常数的相对差值。

复现最大磁场（100μT）时X轴方向非均匀性补偿前后磁场非均匀性（扣除环境梯度磁场影响后）的比较见表5。从表中可以看出，补偿后的磁场非均匀性有明显的减少。

表5 非均匀性补偿前后的磁场非均匀性比较Tab.5 Comparison of magnetic field non-uniformity of before and after compensation

2.4 三轴磁场非正交性补偿方法

传统的三轴磁场线圈都是由X轴、Y轴、Z轴三个方向互相垂直的线圈组合而成，三个线圈磁轴间的正交度主要依靠机械手段调节三个线圈骨架之间垂直度的方法予以保证［7］。该种方法可以确保三轴磁场线圈三个磁轴的非正交性为0.1°～0.3°左右。由于线圈骨架机械性能的限制，很难再进一步降低三个磁轴之间的非正交性。由于三轴之间的非正交性，某一方向的磁场会在另外两个方向形成投影磁场，形成三轴磁场间的两两互相影响。为了减少和消除这样影响，本项目研究过程中发明了一种三轴磁场非正交性的补偿方法。

假设三轴磁场线圈的线圈常数分别为KBX、KBY、KBZ，工作时，三个方向产生的磁场分别是BX、BY、BZ，X轴与Y轴的夹角为α，X轴与Z轴的夹角为β、Y轴与Z轴的夹角为γ。则X轴与Y轴的非正交性为（90°-α），X轴与Z轴的非正交性为（90°-β）Y 轴与 Z 轴的非正交性为（90°-γ）。Y 轴、Z轴方向磁场由于非正交性对X轴磁场的影响为BYsin(90°-α)、BZsin(90°-β)。 为 了 补偿 Y 轴、Z 轴方向磁场由于非正交性对X轴磁场的影响，可以由XY、XZ线圈绕组分别产生大小相等、方向相反的磁场，即 -BYsin(90°-α)、-BZsin(90°-β)。如果将XY、XZ线圈绕组的线圈常数分别设计成sin(90°-α)KBY、sin(90°-β)KBZ，则只需将XY、XZ线圈绕组与 Y 轴、Z轴线圈绕组反向串联，就可以实现Y轴、Z轴方向磁场由于非正交性对X轴磁场影响的自动补偿［8］。补偿原理如图5所示。

图5 正交性补偿原理图Fig.5 Schematic diagram for orthogonality of compensation

通过非正交性补偿线圈绕组，来自动补偿另外两个轴方向磁场由于非正交性对某个轴方向磁场的影响。可以将三轴磁场线圈的非正交性由纯机械方式调节的 0.1°～0.3°降低至 0.5″～5″的水平。

正交度补偿的前提是准确测量三轴磁场线圈各轴之间的非正交性。非正交性的测量方法可以按一种三轴磁场线圈正交角度的测量方法（ZL 2011 1 0135687.6）中的方法进行测量。

3 测量不确定度分析与验证

3.1 测量不确定度分析

磁通门磁强计校准装置的测量不确定度主要来源见表6。

表6 测量不确定度一览表Tab.6 Checklist of measurement uncertainty

3.2 测量不确定度验证

采用质子磁强计作为标准磁强计，与中国计量科学研究院保存的国家弱磁场标准装置进行比较，结果见表7。

表7 测量不确定度的验证结果Tab.7 Validation results of measurement uncertainty

从表7可以看出，本装置的测量不确定度评定合理。

4 结束语

在磁通门磁强计校准装置研究中，其关键技术获得了三项发明专利和两项实用新型专利，分别是一种通过分流补偿磁场线圈非均匀性的方法（ZL 2010 1 0610332.3）一种通过绕组补偿三轴磁场线圈非正交性的方法（ZL 2010 1 0610159.7）一种三轴磁场线圈正交角度的测量方法（ZL 2011 1 0135687.6）大开口尺寸、大均匀区的三轴磁场线圈（ZL 2010 2 0537527.5）一种串并联组合磁场线圈分流电路（ZL 2011 2 0299411.7）。