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 王 芬

1 概述

某型一體化磁接收器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)磁接收器）是某型水雷裝備的核心部件之一，其主要組成是一個(gè)三分量磁通門(mén)傳感器，主要功能是接收目標(biāo)磁場(chǎng)信號(hào)，并進(jìn)行處理分析，以完成對(duì)目標(biāo)打擊的綜合判斷。在產(chǎn)品技術(shù)要求中規(guī)定，主要參數(shù)包括靜態(tài)噪聲、零偏、靈敏度等。對(duì)磁接收器的最終檢驗(yàn)，其核心就是參照磁通門(mén)傳感器的計(jì)量特性要求進(jìn)行參數(shù)校準(zhǔn)，并依據(jù)結(jié)果進(jìn)行合格判定。

2 原有的檢測(cè)方法

磁接收器批生產(chǎn)、檢驗(yàn)中使用的主要檢測(cè)設(shè)備包括三軸磁場(chǎng)線圈、穩(wěn)壓電源、三自由度無(wú)磁安裝臺(tái)、磁屏蔽筒等。通過(guò)測(cè)量磁接收器在磁屏蔽筒中的示值得到零偏，并取其示值的最大波動(dòng)得到靜態(tài)噪聲；通過(guò)比較磁接收器的電壓輸出與三軸磁場(chǎng)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，得到靈敏度，見(jiàn)公式（1）。

式中：k——磁接收器靈敏度；U——磁接收器的輸出電壓；KB——三軸磁場(chǎng)線圈的線圈常數(shù)；I——通過(guò)三軸磁場(chǎng)線圈的電流。

按產(chǎn)品技術(shù)要求，生產(chǎn)過(guò)程中的主要檢測(cè)項(xiàng)目包括磁芯的磁特性、探頭感應(yīng)線圈的電阻等。其中磁芯的磁特性采用抽檢方式，參照GB/T 13012-2008《軟磁材料直流磁性能的測(cè)量方法》中的方法，對(duì)矯頑力、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度、最大磁導(dǎo)率等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。探頭感應(yīng)線圈的電阻采用全樣檢測(cè)，通過(guò)繞組電阻判定繞組匝數(shù)是否符合規(guī)定的要求。

3 存在的問(wèn)題與原因分析

2007年底，生產(chǎn)部門(mén)按產(chǎn)品生產(chǎn)工藝生產(chǎn)出第一批磁接收器后，發(fā)現(xiàn)最終合格率不到40%。2008年初，生產(chǎn)部門(mén)邀請(qǐng)國(guó)防科技工業(yè)弱磁一級(jí)計(jì)量站（以下簡(jiǎn)稱(chēng)弱磁一級(jí)站）對(duì)其生產(chǎn)、檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)查找、分析，最終我們歸納出以下問(wèn)題。

3.1 磁環(huán)境條件未按磁通門(mén)傳感器校準(zhǔn)要求進(jìn)行約束

磁接收器在研制過(guò)程中，曾作為磁通門(mén)傳感器送國(guó)防弱磁一級(jí)站進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果滿(mǎn)足產(chǎn)品技術(shù)條件要求。作為在地磁場(chǎng)范圍內(nèi)工作的磁傳感器，對(duì)校準(zhǔn)的磁環(huán)境條件有嚴(yán)格要求，一般要求工頻干擾磁場(chǎng)不大于10nT，低頻（10 Hz以下）干擾磁場(chǎng)根據(jù)不同準(zhǔn)確度等級(jí)要求不大于0.1nT～10nT[1]。根據(jù)磁接收器的靈敏度等技術(shù)要求，低頻干擾磁場(chǎng)應(yīng)不大于10nT。

磁接收器生產(chǎn)部門(mén)由于缺少磁環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備，以及無(wú)磁實(shí)驗(yàn)室，因此將檢測(cè)設(shè)備放置在市區(qū)的一普通實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。通過(guò)對(duì)該實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)場(chǎng)磁環(huán)境監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)其工頻干擾最大可達(dá)26nT，低頻干擾磁場(chǎng)最大可達(dá)22 nT，均超出磁接收器作為磁通門(mén)傳感器的校準(zhǔn)要求。

3.2 檢測(cè)設(shè)備未經(jīng)計(jì)量確認(rèn)，配置不合理

靈敏度檢測(cè)用的三軸磁場(chǎng)線圈、穩(wěn)壓源等設(shè)備，作為單臺(tái)儀器，雖均經(jīng)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)檢定/校準(zhǔn)，但在使用中，未實(shí)際要求進(jìn)行計(jì)量確認(rèn)。

a）以三軸磁場(chǎng)線圈的線圈常數(shù)校準(zhǔn)結(jié)果不確定度替代了復(fù)現(xiàn)磁場(chǎng)的不確定度，未考慮電流、均勻區(qū)等其它不確定度來(lái)源。

b）穩(wěn)壓源在本裝置中作為電流源使用，用電壓的穩(wěn)定性替代了電流的穩(wěn)定性。

通過(guò)對(duì)穩(wěn)壓源輸出電流的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)電流波動(dòng)在3mA左右，對(duì)應(yīng)三軸磁場(chǎng)線圈X軸的線圈常數(shù)105μT/A，其磁場(chǎng)噪聲可超過(guò)300nT，按地磁場(chǎng)50μT估算，磁場(chǎng)噪聲影響量已達(dá)0.6%，該影響量已不能忽略。

3.3 磁屏蔽筒未納入計(jì)量器具管理

由于目前缺少磁屏蔽筒的計(jì)量技術(shù)規(guī)范，加上對(duì)磁屏蔽的工作原理缺少深入理解，生產(chǎn)部門(mén)將磁屏蔽筒僅僅作為一種工裝處理，未納入計(jì)量器具管理，也未對(duì)其剩磁等參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

按磁屏蔽筒的技術(shù)要求，在蓋上屏蔽蓋且進(jìn)行消磁處理后，其內(nèi)部剩磁不大于10nT。該屏蔽筒在研制完成后內(nèi)部剩磁經(jīng)驗(yàn)收合格。但在實(shí)際使用中，多數(shù)時(shí)候未蓋上屏蔽蓋，每次使用也未進(jìn)行消磁。經(jīng)測(cè)試，磁屏蔽桶在未蓋屏蔽蓋時(shí)的剩磁可達(dá)30nT，若按磁接收器的靈敏度50μV/nT估算，可以產(chǎn)生1.5mV的零偏，按5 mV的判定標(biāo)準(zhǔn)，該影響量已不能忽略。

3.4 磁芯的檢測(cè)方法存在缺陷

磁接受器的磁芯選用高磁導(dǎo)率、高矩形比、低飽和磁感強(qiáng)度、低矯頑力、低磁滯伸縮的非晶態(tài)磁性材料細(xì)絲。根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)，使用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行測(cè)試需要制樣，是一種破壞性測(cè)試，因此只能進(jìn)行抽樣檢測(cè)。該產(chǎn)品使用前經(jīng)抽樣檢測(cè)合格。但由于熱處理過(guò)程不均勻可能導(dǎo)致磁芯磁特性不一致，以及裁剪成使用長(zhǎng)度時(shí)的外力影響，可能出現(xiàn)抽樣檢測(cè)合格、實(shí)際使用的材料部分不合格。

通過(guò)將一批裁剪后的單根磁芯逐個(gè)放入同一線圈內(nèi)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)有35%左右的磁芯的靜態(tài)噪聲偏差超出規(guī)定范圍。

3.5 過(guò)程檢測(cè)設(shè)置不合理

通過(guò)對(duì)產(chǎn)品檢測(cè)流程的清理，發(fā)了檢測(cè)流程有不合理的地方：按原有檢測(cè)流程，按先安裝柱、后線圈、最后磁芯的順序進(jìn)行。由于安裝柱的檢測(cè)需要在灌膠固定之后（內(nèi)部有磁芯）才能進(jìn)行，如果后續(xù)發(fā)現(xiàn)磁芯不合格，就需要將整改安裝柱（連同磁芯）一起更換。如前所述，磁芯的不合格率較高，將磁芯放在最后一步檢測(cè)，就會(huì)造成最終合格檢測(cè)合格率偏低。

4 解決措施

4.1 優(yōu)化檢測(cè)流程，增加磁芯、線圈等過(guò)程檢測(cè)

針對(duì)過(guò)程檢測(cè)流程設(shè)置不合理，根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，將“先安裝柱、后線圈、最后磁芯”的檢測(cè)順序，調(diào)整為“先磁芯、后線圈、最后安裝柱”。調(diào)整前后的檢測(cè)流程比較見(jiàn)圖1。

圖1 調(diào)整前后的檢測(cè)流程比較

4.2 用穩(wěn)流源替代穩(wěn)壓源

針對(duì)穩(wěn)壓源電流噪聲較大的問(wèn)題，用具有穩(wěn)流模式輸出的電流源替代穩(wěn)壓源。更換后的電流源的電流噪聲在0.5mA左右。對(duì)應(yīng)三軸磁場(chǎng)線圈X軸的線圈常數(shù)105μT/A，其磁場(chǎng)噪聲在50 nT左右。若按地磁場(chǎng)50μT估算，磁場(chǎng)噪聲影響量為0.1%，該影響量可以忽略不計(jì)。

4.3 將磁屏蔽筒納入計(jì)量器具管理，并改進(jìn)零偏測(cè)試方法

將磁屏蔽筒納入計(jì)量器具管理，定期測(cè)量其內(nèi)部剩磁。針對(duì)內(nèi)部剩磁不能忽略的問(wèn)題，將零偏的測(cè)試方法由直接測(cè)量改為正方兩次測(cè)量取平均的方式，以減少內(nèi)部剩磁的影響。即將磁接受器的探頭放入磁屏蔽筒內(nèi)，記錄為正向零點(diǎn)輸出，然后將磁接收器的探頭旋轉(zhuǎn)180°，記錄為方向零點(diǎn)輸出，按公式（2）計(jì)算零偏[1]。

式中：δU——磁接收器的零偏；U+——磁接收器在磁屏蔽筒內(nèi)的正向零點(diǎn)輸出；U－——磁接收器在磁屏蔽筒內(nèi)的正向零點(diǎn)輸出。

通過(guò)該方法，可以將磁屏蔽筒內(nèi)部剩磁的絕大部分抵消，其對(duì)測(cè)量結(jié)果的主要影響降至磁屏蔽筒剩磁的梯度部分。在開(kāi)蓋的情況下，磁屏蔽筒工作區(qū)剩磁的梯度不大于3nT，按磁接收器的靈敏度50μV/nT估算，噪聲不大于0.15mV。按5mV的判定標(biāo)準(zhǔn)，該影響可忽略不計(jì)。

4.4 完善磁芯檢測(cè)/篩選方法

將磁芯的檢測(cè)分兩個(gè)步驟進(jìn)行，在已有磁芯磁性參數(shù)的抽樣檢測(cè)基礎(chǔ)上，增加裁剪后的磁芯檢測(cè)步驟。即做作一個(gè)不含磁芯的標(biāo)準(zhǔn)磁通門(mén)傳感器，將所需磁芯逐個(gè)放入標(biāo)準(zhǔn)磁通門(mén)傳感器的線圈內(nèi)，測(cè)量其在磁屏蔽筒內(nèi)的噪聲。其中不含磁芯的標(biāo)準(zhǔn)磁通門(mén)傳感器自噪聲為0.03mV；所用磁屏蔽筒的磁場(chǎng)噪聲不大于0.1nT，按磁接收器的靈敏度50μV/nT估算，噪聲不大于0.005mV。按5mV的判定標(biāo)準(zhǔn)，兩者的自噪聲完全可忽略不計(jì)。

通過(guò)該方法，根據(jù)多年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，剔除了35%左右的不合格磁芯。

4.5 更換檢測(cè)單位和檢測(cè)環(huán)境

針對(duì)生產(chǎn)部門(mén)自身磁場(chǎng)磁環(huán)境不滿(mǎn)足要求的現(xiàn)狀，經(jīng)協(xié)商，磁接收器與磁學(xué)相關(guān)的所有檢測(cè)工作委托弱磁一級(jí)站進(jìn)行。弱磁一級(jí)站的儀器設(shè)備及環(huán)境條件完全可以滿(mǎn)足磁接收器檢測(cè)的要求。其中無(wú)磁實(shí)驗(yàn)室內(nèi)：

a）工頻干擾磁場(chǎng)不超過(guò)5 nT；

b）補(bǔ)償前的低頻干擾磁場(chǎng)不超過(guò)2 nT；

c）補(bǔ)償后的低頻干擾磁場(chǎng)不超過(guò)0.1nT。

5 實(shí)際效果

按照新優(yōu)化后的磁接收器批生產(chǎn)計(jì)量保證方案實(shí)施，從2008年至今，弱磁一級(jí)站共協(xié)作生產(chǎn)部門(mén)完成了20多批次的磁接收器的生產(chǎn)、檢測(cè)，其過(guò)程合格率達(dá)到80%以上，最終交付產(chǎn)品合格率達(dá)到100%。

根據(jù)磁接收器計(jì)量保證中缺少部分方法標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀，我們還編制了兩份技術(shù)規(guī)范，并于2010年以企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的形式發(fā)布實(shí)施，分別是Q/710J 0602-2010《直流磁屏蔽裝置屏蔽性能測(cè)試方法》、Q/710J 0604-2010《環(huán)境磁場(chǎng)測(cè)量方法》。

[1]程華富.JJF1519-2015磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)量出版社,2015.