賀永亮

（中電科儀器儀表（安徽）有限公司，安徽 蚌埠 233010）

0 引 言

磁暴是指太陽(yáng)活動(dòng)異常時(shí)，其拋射物質(zhì)形成激波，當(dāng)激波掃過(guò)地球時(shí)，磁層被突然壓縮，造成地球磁場(chǎng)異常變化。磁暴是一種全球性的地磁現(xiàn)象，是全球同時(shí)發(fā)生的強(qiáng)烈地磁干擾。磁暴能對(duì)空間各類(lèi)飛行器、無(wú)線電通信、輸電網(wǎng)絡(luò)、導(dǎo)航、制導(dǎo)以及高鐵電氣系統(tǒng)等造成巨大的破壞性[1]。由于不同磁暴的類(lèi)型、持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度存在較大差異，因此需要在對(duì)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期的各種數(shù)據(jù)積累、分析的基礎(chǔ)上，采用系統(tǒng)辯識(shí)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等非線性數(shù)學(xué)方法進(jìn)行磁暴建模機(jī)理研究[2]。磁暴監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)地磁總場(chǎng)和三分量變化的連續(xù)監(jiān)測(cè)，識(shí)別出當(dāng)前磁暴的級(jí)別并預(yù)測(cè)磁暴的發(fā)展趨勢(shì)。地磁總場(chǎng)的測(cè)量可使用專(zhuān)門(mén)的絕對(duì)測(cè)量探頭（OVERHAUSER）。三分量的測(cè)量（相對(duì)測(cè)量）范圍較寬，且需要覆蓋地球磁場(chǎng)測(cè)量范圍，因此選用具有較高分辨率和較小體積且可測(cè)量直流和交變磁場(chǎng)的三分量磁通門(mén)作為相對(duì)測(cè)量組件的傳感器。

1 原理基礎(chǔ)

在鐵芯上纏繞一對(duì)線圈，激勵(lì)線圈和感應(yīng)線圈。由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，感應(yīng)線圈上將產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，據(jù)此可推導(dǎo)出變壓器效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化會(huì)引起鐵心磁導(dǎo)率的變化，此時(shí)感應(yīng)電勢(shì)中就會(huì)出現(xiàn)隨環(huán)境磁場(chǎng)強(qiáng)度而變的偶次諧波增量[3]。當(dāng)鐵芯工作在周期性過(guò)飽和狀態(tài)時(shí)，感應(yīng)的偶次諧波會(huì)明顯增強(qiáng)，這就是相對(duì)測(cè)量組件工作的基本原理。

測(cè)量地磁場(chǎng)H、D、Z這3個(gè)分量的原理類(lèi)似。圖1是一個(gè)分量的測(cè)量原理。待測(cè)的磁場(chǎng)變化由傳感器檢測(cè)，經(jīng)放大、解調(diào)后進(jìn)行積分、濾波，得到與磁場(chǎng)大小成正比的直流電壓信號(hào)?？紤]到溫度的變化會(huì)使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生飄移，增加了溫度補(bǔ)償功能。補(bǔ)償后的電壓信號(hào)由AD數(shù)字化后通過(guò)外部接口進(jìn)行輸出。

2 相對(duì)測(cè)量組件設(shè)計(jì)

2.1 磁通門(mén)傳感器

磁芯是磁通門(mén)傳感器的關(guān)鍵部件，其直徑及厚度會(huì)對(duì)傳感器的噪聲性能產(chǎn)生影響，同時(shí)線圈匝數(shù)和單匝厚度與噪聲和感應(yīng)電壓也存在密切關(guān)系[4]。磁通門(mén)傳感器由環(huán)形磁芯、激勵(lì)線圈和感應(yīng)線圈組成。環(huán)形磁芯是在磁性很小的合金骨架上纏繞玻莫合金薄帶，然后經(jīng)高溫退磁處理后形成，是傳感器的敏感元件。為了提高傳感器的信噪比，減小玻莫合金薄帶的匝數(shù)、寬度。考慮到熱脹冷縮的影響，骨架以及玻莫合金的熱膨脹系數(shù)應(yīng)盡量一致。

圖1 相對(duì)測(cè)量組件原理

2.2 傳感器噪聲性能的驗(yàn)證

周?chē)h(huán)境有磁場(chǎng)存在。為了測(cè)試傳感器的噪聲性能，需將傳感器放置在零磁空間的標(biāo)準(zhǔn)線圈中，使傳感器在零場(chǎng)下工作[5]。用短路電流的方法檢測(cè)傳感器輸出的所有偶次諧波。通過(guò)對(duì)記錄曲線的計(jì)算考察傳感器的峰峰值噪聲。測(cè)試樣品的峰峰值噪聲約為0.05 nT，能夠滿(mǎn)足需要的噪聲指標(biāo)。

2.3 地磁基本場(chǎng)補(bǔ)償

地磁場(chǎng)H、Z分量的變化范圍可達(dá)±65 knT，項(xiàng)目分辨率指標(biāo)要求優(yōu)于0.01 nT。為了不降低靈敏度，必須對(duì)H、Z分量進(jìn)行補(bǔ)償來(lái)抵消外磁場(chǎng)，使傳感器工作在零場(chǎng)附近[6]。地磁基本場(chǎng)補(bǔ)償是磁通門(mén)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。系統(tǒng)選用OVERHAUSER探頭測(cè)量地磁基本場(chǎng)，并反饋到補(bǔ)償電流源，對(duì)傳感器進(jìn)行補(bǔ)償。相對(duì)測(cè)量組件探測(cè)經(jīng)補(bǔ)償后的地磁場(chǎng)變化，送主控單元進(jìn)行處理。傳感器檢測(cè)模塊采用兩個(gè)通道，以消除因換檔引起的誤差。如果相對(duì)測(cè)量通道出現(xiàn)飽和，則說(shuō)明補(bǔ)償不夠，會(huì)使相對(duì)測(cè)量通道偏離零場(chǎng)。這時(shí)應(yīng)再次檢測(cè)地磁基本場(chǎng)，重新對(duì)傳感器進(jìn)行補(bǔ)償。

2.4 激磁電路設(shè)計(jì)

激磁電路對(duì)磁通門(mén)傳感器的性能有很大影響，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要給予特別的考慮。首先，頻率穩(wěn)定性。激磁電源頻率的變化不僅引起磁通門(mén)探頭靈敏度的變化，而且使探頭信號(hào)頻率偏離各濾波環(huán)節(jié)的中心頻率，從而引起增益的變化。其次，電壓幅值穩(wěn)定性。激磁電源電壓幅值的變化將導(dǎo)致探頭激磁磁場(chǎng)強(qiáng)度幅值的變化，因而靈敏度將隨之變化[7]。最后，波形穩(wěn)定性。激勵(lì)電源電壓波形無(wú)論是正弦波、方波還是三角波，波形不穩(wěn)定都將引起鐵心飽和角發(fā)生變化。由磁通門(mén)探頭數(shù)學(xué)模型可知，它會(huì)導(dǎo)致探頭靈敏度發(fā)生變化?；谏鲜鲆?，為了得到一個(gè)穩(wěn)定的、比較純凈的正弦波，使用晶體主振電源電路，并采用正弦波激磁。頻率源由晶體振蕩器和計(jì)數(shù)器組成。激磁頻率的選擇是很重要的一項(xiàng)工作，不僅關(guān)系鐵芯達(dá)到飽和的難易，而且關(guān)系到鐵損的大小。從計(jì)數(shù)器出來(lái)的信號(hào)還需經(jīng)濾波處理，設(shè)計(jì)中采用的是帶通濾波電路。一般情況下，用一階濾波很難得到理想的波形，因此采用二階帶通有源濾波器。從濾波器出來(lái)的正弦信號(hào)不足以使激磁線圈達(dá)到飽和，因此還需經(jīng)過(guò)功率放大。功率放大電路是激磁電源電路的關(guān)鍵組成部分。為防止輸出包含直流成分，采用軌至軌運(yùn)算放大器作為驅(qū)動(dòng)級(jí)的推挽式互補(bǔ)型功率放大電路。為使激勵(lì)線圈流過(guò)一波形較好的正弦波電壓，引入了負(fù)反饋電路，同時(shí)該電路也起到穩(wěn)定工作點(diǎn)、放大倍數(shù)和減小失真的作用。這樣可在輸出端獲得一正弦信號(hào)，來(lái)驅(qū)動(dòng)磁通門(mén)傳感器的激勵(lì)線圈。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

磁暴監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相對(duì)測(cè)量組件是測(cè)試地磁場(chǎng)的變化。測(cè)試其性能時(shí)，不能受到外界磁場(chǎng)的干擾[8]。因此，磁暴監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相對(duì)測(cè)量組件的測(cè)試需在零磁空間環(huán)境下進(jìn)行。所需的儀器設(shè)備主要包括零磁屏蔽裝置、高精度恒流源、信號(hào)發(fā)生器以及六位半數(shù)字電壓表等，測(cè)試框如圖2所示。

圖2 磁暴監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相對(duì)測(cè)量組件測(cè)試框圖

3.1 噪聲水平

噪聲水平是反映相對(duì)測(cè)量組件在外磁場(chǎng)為零時(shí)探頭本身的固有噪聲。磁暴監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求噪聲水平小于0.1 nT（RMS）。

測(cè)試步驟如下：（1）按要求連接測(cè)試系統(tǒng)，打開(kāi)系統(tǒng)電源；（2）標(biāo)準(zhǔn)線圈不加電流（此時(shí)零磁空間內(nèi)部剩余磁場(chǎng)應(yīng)小于20 nT）；（3）連續(xù)讀取100 s的秒數(shù)據(jù)，分成10組。

計(jì)算每一組數(shù)據(jù)的RMS值，再計(jì)算算術(shù)平均值，結(jié)果即噪聲水平。測(cè)試數(shù)據(jù)及處理結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1可以計(jì)算出RMS平均值即噪聲水平為0.04 nT，滿(mǎn)足磁暴監(jiān)測(cè)系統(tǒng)項(xiàng)目要求的0.1 nT的要求。

3.2 非線性度

非線性度是相對(duì)測(cè)量組件探頭對(duì)輸入磁場(chǎng)響應(yīng)的偏離程度。測(cè)試選取13個(gè)檢定點(diǎn)，分別為0 nT、±400 nT、±800 nT、±1 200 nT、±1 600 nT、±2 000 nT、±2 400 nT。磁暴監(jiān)測(cè)系統(tǒng)項(xiàng)目要求非線性度小于5‰。

測(cè)試步驟如下：

（1）按要求連接測(cè)試系統(tǒng)，打開(kāi)主機(jī)電源；

（2）標(biāo)準(zhǔn)線圈通電，加約50 knT的磁場(chǎng)；

（3）調(diào)整探頭的方向和所加磁場(chǎng)方向一致；

（4）按上述的檢定點(diǎn)加標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)，記錄探頭的讀數(shù)。

測(cè)試數(shù)據(jù)及處理結(jié)果見(jiàn)表2，所用標(biāo)準(zhǔn)線圈的常數(shù)K=152.364 7 nT/mA。

表2中，磁場(chǎng)單位均為nT，電流單位為mA。標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)是線圈常數(shù)和線圈電流的乘積；讀數(shù)誤差是探頭讀數(shù)減去標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)，再扣除零點(diǎn)誤差。非線性度為讀數(shù)誤差/標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)×1 000‰。可以看出，在全部檢定點(diǎn)，非線性度均優(yōu)于5‰的要求。

4 結(jié) 論

根據(jù)磁通門(mén)傳感器的工作原理，完成了磁暴監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相對(duì)測(cè)量組件的設(shè)計(jì)。按照二次諧波檢測(cè)方法設(shè)計(jì)了相關(guān)的檢測(cè)電路。為了縮小相對(duì)測(cè)量組件的尺寸，提高性能指標(biāo)，給出了噪聲與退磁系數(shù)的關(guān)系、感應(yīng)電壓與磁芯幾何尺寸的關(guān)系以及磁芯匝數(shù)和單匝磁芯的厚度參數(shù)。設(shè)計(jì)完成后，在零磁空間實(shí)驗(yàn)室對(duì)其各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，采用所提方法設(shè)計(jì)的磁暴監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相對(duì)測(cè)量組件完全能夠滿(mǎn)足項(xiàng)目要求。

表1 噪聲水平測(cè)試數(shù)據(jù)（單位：nT）

表2 非線性度測(cè)試數(shù)據(jù)