一种矢量梯度磁强计标准装置设计

翟晶晶 李 享 孟 诚

(中国船舶重工集团公司第七一〇研究所，国防科技工业弱磁一级计量站，湖北宜昌 443003)

1 引 言

磁感应强度的大小随距离呈线性变化的磁场称为梯度磁场[1]，对梯度磁场的测量可以确定目标位置、识别目标特征[2]、消除磁干扰等，是磁探测领域的一个非常重要的研究方向，因此如何保证梯度磁强计测量数值的准确性、可靠性是提高磁探测水平非常必要的手段。

矢量梯度磁强计标准装置可复现准确、线性的标准梯度磁场，为矢量梯度磁强计的量值传递提供标准磁场源，可模拟矢量梯度磁强计的工作环境，对矢量梯度磁强计的示值误差进行校准。常用的矢量梯度磁强计的基本原理有磁通门式、磁阻式等，可用于磁场环境梯度测量、磁异常探测等[3]。

2 系统组成

2.1 总体设计思路

矢量梯度磁强计标准装置主要由均匀磁场复现系统和二维梯度磁场复现系统组成，均匀磁场复现系统用于将工作区内的环境磁场抵消为零，并产生与梯度磁场方向相同的均匀背景磁场，梯度磁场复现系统包括横向梯度线圈及纵向梯度线圈，可分别产生与磁场方向平行或垂直的梯度磁场，以适应两轴以上梯度磁强计的校准。均匀磁场线圈与梯度磁场线圈经过组合，即可在方向可控、大小可调的均匀背景磁场基础上叠加产生标准的梯度磁场，完全模拟被校磁强计的工作环境，为矢量梯度磁强计的校准提供标准梯度磁场。

矢量梯度磁强计校准装置示意图如图1所示。

图1 矢量梯度磁强计校准装置示意图

由于地磁场的存在，当复现梯度磁场时，两者相互作用会改变合成磁场的方向[4]。因此需要均匀磁场线圈产生磁场，抵消地磁场，重新复现与被校磁强计矢量方向一致的恒定磁场，并在此基础上复现梯度磁场，对矢量梯度磁强计进行校准。磁场复现的基本原理如图2所示。

图2 磁场产生原理框图

高稳定度恒流源、标准电阻、磁场线圈三者相互串联，通过高稳定度恒流源给磁场线圈(梯度磁场线圈或均匀磁场线圈)通电，电压表用于测量磁场线圈中通过的电流值，电流结合该方向的线圈常数通过以下公式即可计算出复现的标准磁场(梯度磁场或均匀磁场)量值大小[5]。

(1)

式中：B0——复现的磁场强度；KB——线圈常数；U——标准电阻两端的采样电压值；R——标准电阻阻值。

2.2 均匀磁场复现系统

均匀磁场复现系统具备两种功能，其一是抵消装置安装位置固有地磁场的功能，其二是产生梯度磁场工作的背景磁场的功能，这两种功能均是由高稳定度恒流源向三轴磁场线圈供电来实现。

固有磁场抵消工作原理：将磁通门磁强计放置在三轴磁场线圈工作区中心位置，传感器的X、Y、Z三轴大致对准磁场线圈X、Y、Z，控制三台恒流源向三轴线圈的固有磁场抵消绕组通入电流，观察磁强计三个轴的示值，同时反复微调三台电源的输出电流值，使磁强计三轴的示值不断向其零点靠近。当磁强计显示的剩余磁场不大于5nT时，即可认为线圈中心的固有地磁场基本为零。

梯度磁场工作的背景磁场产生原理：控制三台恒流源分别向三轴磁场线圈中的复现绕组供电，通过控制三台恒流源输出电流的大小和方向，即可在线圈中心产生不同大小和不同方向的标准均匀磁场，为梯度磁场工作提供背景磁场。三轴磁场线圈结构如图3所示。

图3 三轴磁场线圈结构图

在该标准装置中，均匀磁场复现系统三个磁场方向产生的磁场范围均为±100μT，在φ200mm的空间内复现磁场的非均匀性优于0.02%。

2.3 二维梯度磁场复现系统

二维梯度磁场复现系统主要由横向梯度线圈、纵向梯度线圈、激励源以及用于测量磁场的测控系统组成。

梯度磁场线圈在典型点位上产生磁场的量值计算如下[3]

B=KZB×I×L

(2)

式中：B——梯度磁场线圈在典型点位上复现的磁场量值；KZB——梯度线圈的梯度常数(线圈的固有参数，可查阅说明书或校准证书)；I——电流测量系统测得线圈中的电流；L——梯度磁场线圈该点位与零磁面的距离值。

二维梯度磁场线圈的两套线圈产生的磁场方向呈90°垂直，两套梯度线圈各由一台恒流源提供电流，并各配备一套电流测量系统测量线圈中通过的电流进而计算复现的标准梯度磁场。通过控制横向梯度线圈和纵向梯度线圈中通过的电流，即可对合成磁场梯度的大小和磁场方向进行控制，如图4所示。

图4 二维梯度磁场线圈示意图

纵向梯度磁场线圈产生的梯度磁场，磁场方向与梯度方向平行，即在磁场的轴向方向上存在线性梯度；横向梯度磁场线圈产生的梯度磁场，磁场方向与梯度方向垂直，即磁场量值在与磁场轴向相互垂直的方向上呈线性变化。

梯度磁场在其轴线的分布曲线如图5所示。

图5 梯度磁场轴向分布曲线图

梯度磁场与轴线垂直的平面内值是不变的，分布云图如图6所示。

图6 YOZ平面Bx磁场分布云图

2.4 梯度磁场复现验证试验

1) 试验方法

首先选定覆盖工作区临界点，在工作区内确定若干个均匀分布的测量点，将磁传感器的磁轴对准磁场方向，在每个点位上测量相同电流下梯度线圈产生的磁场。根据每个点位的磁场和距离数据绘制曲线并进行数据处理，得出测量结果。纵向梯度线圈的磁场方向与梯度方向同轴[7]，测量时磁传感器磁轴方向与平移方向一致，横向梯度线圈的磁场方向与梯度方向呈90°，磁传感器磁轴方向与平移方向垂直，其余所有操作方法和数据处理方法均相同。

采用最小二乘法拟合出各校准点的B-L曲线，按式(3)计算梯度线圈的梯度常数

(3)

式中：k——B-L拟合曲线的斜率，μT/m。

根据拟合公式可得到各点位的拟合磁场值B1′，B2′，……，Bi′。则复现梯度磁场各个点位的非线性可由式(4)得出

(4)

式中：Ei——梯度线圈各测量点位的磁场非线性；Bi——第i个测量点的实测磁场值，μT；Bi′——第i个测量点的拟合磁场值，μT。

取所有测量点中非线性最大的点记为梯度磁场的线性度。

E=Eimax

(5)

式中：E——梯度磁场线性度。

2) 试验结果

表1 梯度磁场非线性测量数据

根据验证试验的结果梯度磁场在200mm空间内的线性度分别优于5×10-4(纵向梯度磁场)，7×10-4(横向梯度磁场)。

2.5 梯度磁场复现不确定度分析

该套标准装置的不确定度来源主要有梯度线圈常数、梯度磁场非线性、环境磁场梯度、纳伏表、标准电阻等，主要影响量见表2[9]。

表2 梯度磁场测量不确定度分量一览表

假设各不确定度分量独立不相关，合成标准不确定度为

uc=6×10-4Br+0.7nT/m

(6)

取置信因子k=2，则扩展不确定度为

U=uc×2=1.2×10-3Br+1.4nT/m

(7)

3 结束语

本文介绍了一种矢量梯度磁强计标准装置的组成、设计原理、验证试验及不确定度分析。该装置研制的横向梯度线圈、纵向梯度线圈可满足两轴或三轴矢量梯度磁强计的校准需求，扩展了被校梯度磁强计的适用范围。同时均匀磁场线圈的研制可完全模拟被校磁强计的工作环境(磁环境)，实现了在线校准，提高了校准结果的可靠性。该装置建立完成后已为山西祎达等单位的矢量梯度磁强计开展了校准服务，同时该装置还可应用于标量磁强计的梯度容差校准，取得了较好的应用效果。