計(jì)亞兵, 王浩安, 劉習(xí)凱, 文通

(北京航空航天大學(xué) 寧波創(chuàng)新研究院,浙江 寧波 315800,E-mail: 1032047379@qq.com)

高精度極弱磁場(chǎng)測(cè)量傳感器在高端醫(yī)療設(shè)備檢測(cè)、航空航天、資源能源勘探、國(guó)防和地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)等方面有著廣泛而重要的應(yīng)用[1-3]。尤其隨著國(guó)家大力發(fā)展零磁科學(xué),建設(shè)極弱磁場(chǎng)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施,未來(lái)零磁醫(yī)學(xué)、零磁生物學(xué)、零磁化學(xué)、零磁基礎(chǔ)物理和材料學(xué)將聚焦利用極弱磁測(cè)量技術(shù)[4-5],掌握極弱磁場(chǎng)測(cè)試裝置及其測(cè)試方法至關(guān)重要。

目前經(jīng)過(guò)磁屏蔽裝置屏蔽后,剩余磁場(chǎng)可達(dá)到10-12T量級(jí)(地球磁場(chǎng)為10-6T量級(jí))[6-7]。目前常見(jiàn)的位移測(cè)試裝置多采用金屬位移測(cè)試裝置,本身就帶有磁性,不具備對(duì)磁屏蔽艙空間內(nèi)剩磁大小進(jìn)行測(cè)試的先決條件,且量程有限,不具備對(duì)磁屏蔽艙內(nèi)剩余磁場(chǎng)大小測(cè)量以及均勻區(qū)的搜索。通過(guò)選用無(wú)磁材料位移測(cè)試裝置代替金屬材料位移裝置,并且科學(xué)設(shè)計(jì)無(wú)磁材料位移裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)能有效解決結(jié)構(gòu)本身有磁帶來(lái)的測(cè)試影響和由于結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的測(cè)試精度差技術(shù)難題[8]。

根據(jù)磁屏蔽艙空間剩磁大小處于nT項(xiàng)目指標(biāo)實(shí)際情況,本文設(shè)計(jì)了由無(wú)磁材料構(gòu)成且應(yīng)用于經(jīng)過(guò)主動(dòng)磁屏蔽和被動(dòng)磁屏蔽后的極弱磁場(chǎng)空間三軸位移測(cè)量裝置,通過(guò)ANSYS Workbench進(jìn)行數(shù)值分析,最后通過(guò)對(duì)磁屏蔽艙進(jìn)行初始剩磁測(cè)量、消磁后剩磁測(cè)量、主動(dòng)磁補(bǔ)償線圈剩磁測(cè)試、磁噪聲測(cè)試,證明了所設(shè)計(jì)的極弱磁測(cè)量裝置的可行性[9-11]。

1 極弱磁測(cè)量位移裝置結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

1.1 概述

如圖1所示,極弱磁測(cè)量位移裝置主要由第一軸無(wú)磁位移裝置、第二軸無(wú)磁位移裝置、第三軸無(wú)磁位移裝置、磁傳感器夾持裝置、連接板和加強(qiáng)筋組成。如圖2所示,第一軸、第二軸、第三軸無(wú)磁位移裝置可以實(shí)現(xiàn)磁傳感器在封閉磁屏蔽艙X、Y、Z三個(gè)方向任意移動(dòng)測(cè)量剩余磁場(chǎng)大小,從而確定磁屏蔽艙內(nèi)目標(biāo)搜索均勻區(qū)。

圖1 極弱磁位移測(cè)量裝置

圖2 極弱磁位移測(cè)量裝置工作效果圖

本裝置不僅能夠?yàn)榇郎y(cè)的高精度極弱磁場(chǎng)測(cè)量傳感器提供一種剩磁測(cè)量裝置,同時(shí)通過(guò)選用無(wú)磁材料和優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)有效解決了結(jié)構(gòu)本身有磁帶來(lái)的測(cè)量影響和由于結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的精度差技術(shù)難題,并且提供了一種在剩磁測(cè)試裝置下的剩磁測(cè)試方法,極弱磁測(cè)量裝置主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示[12-13]。

表1 極弱磁測(cè)量裝置主要設(shè)計(jì)參數(shù)表/mm

1.2 第一軸無(wú)磁位移裝置

如圖3所示,設(shè)置在所述工作臺(tái)上的整體采用無(wú)磁材料制成的第一軸位移裝置,第一軸位移裝置包括第一軸安裝座、兩根平行間隔設(shè)置的第一軸導(dǎo)軌、第一軸固定座、第一傳動(dòng)絲桿和第一手輪,其中第一軸固定座采用工程塑料螺釘固定在工作臺(tái)上,第一軸導(dǎo)軌通過(guò)工程塑料螺釘固定在第一軸固定座上,第一軸安裝座活動(dòng)連接在第一軸導(dǎo)軌上,并能沿第一軸導(dǎo)軌的長(zhǎng)度方向來(lái)回往復(fù)移動(dòng)。

圖3 極弱磁位移測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 第二軸無(wú)磁位移裝置

如圖3所示,設(shè)置在第一軸安裝座上的整體采用無(wú)磁材料制成的第二軸位移裝置,第二軸位移裝置包括第二軸安裝座、兩根平行間隔設(shè)置的第二軸導(dǎo)軌、第二軸固定座、第二傳動(dòng)絲桿和第二手輪,其中第二軸固定座采用工程塑料螺釘固定在第一軸安裝座上,第二軸安裝座活動(dòng)連接在第二軸導(dǎo)軌上,并能沿第二軸導(dǎo)軌的長(zhǎng)度方向來(lái)回往復(fù)移動(dòng)。

1.4 第三軸無(wú)磁位移裝置

設(shè)置在第二軸安裝座上的整體采用無(wú)磁材料制成的第三軸位移裝置見(jiàn)圖3。第三軸位移裝置包括第三軸安裝座、第三軸導(dǎo)軌、第三軸固定座、第三傳動(dòng)絲桿和第三手輪,其中第三軸固定座采用工程塑料螺釘固定在第二軸安裝座上,第三軸安裝座活動(dòng)連接在第三軸導(dǎo)軌上,并能沿第三軸導(dǎo)軌的長(zhǎng)度方向來(lái)回往復(fù)精確移動(dòng),第三軸固定座通過(guò)與第二軸安裝座之間設(shè)有用于加強(qiáng)連接穩(wěn)固性的加強(qiáng)連接支撐板。

1.5 極弱磁測(cè)試裝置傳感器夾持裝置及剩磁測(cè)試方法

磁測(cè)量傳感器通過(guò)無(wú)磁材料制成的傳感器夾持裝置固定在第三軸安裝座上。以工作臺(tái)所在平面為基準(zhǔn)平面建立標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系,所述第一方向?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系的X方向,所述第二方向?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系的Y方向,所述第三方向?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系的Z方向。本裝置通過(guò)在磁屏蔽艙三個(gè)方向上產(chǎn)生位移,不斷搜索符合測(cè)試要求的目標(biāo)均勻區(qū),其特征在于包括如下步驟:

步驟1:將磁測(cè)量傳感器安裝在傳感器夾持裝置上,將整個(gè)裝置設(shè)置在磁屏蔽艙內(nèi);

步驟2:以磁屏蔽艙的幾何中心點(diǎn)為中心,以n×n×n為單元格間距,通過(guò)移動(dòng)第一軸位移裝置、第二軸位移裝置和第三軸位移裝置,分別獲取N×N×N正方體區(qū)域內(nèi)共計(jì)n×n×n個(gè)測(cè)量點(diǎn)的剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度,分別記為Pix+,其中n和N均為正整數(shù),單位為cm,N為n的倍數(shù),i=1,2,…,n×n×n;

步驟3:將磁測(cè)量傳感器在與X軸和Y軸所在平面平行的平面內(nèi)進(jìn)行180°翻轉(zhuǎn),然后再通過(guò)移動(dòng)第一軸位移裝置、第二軸位移裝置和第三軸位移裝置,分別獲取上述n×n×n個(gè)測(cè)量點(diǎn)的剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度,分別記為Pix-;

步驟4、將磁測(cè)量傳感器在與X軸和Y軸所在平面平行的平面內(nèi)再進(jìn)行90°翻轉(zhuǎn),然后再通過(guò)移動(dòng)第一軸位移裝置、第二軸位移裝置和第三軸位移裝置,分別獲取上述n×n×n個(gè)測(cè)量點(diǎn)的剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度,分別記為Piy+;

步驟5、將磁測(cè)量傳感器在與X軸和Y軸所在平面平行的平面內(nèi)再進(jìn)行180°翻轉(zhuǎn),然后再通過(guò)移動(dòng)第一軸位移裝置、第二軸位移裝置和第三軸位移裝置,分別獲取上述n×n×n個(gè)測(cè)量點(diǎn)的剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度,分別記為Piy-;

步驟6、將磁測(cè)量傳感器在與X軸和Z軸所在平面平行的平面內(nèi)再進(jìn)行90°翻轉(zhuǎn),然后再通過(guò)移動(dòng)第一軸位移裝置、第二軸位移裝置和第三軸位移裝置,分別獲取上述n×n×n個(gè)測(cè)量點(diǎn)的剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度,分別記為Piz+;

步驟7、將磁測(cè)量傳感器在與X軸和Z軸所在平面平行的平面內(nèi)再進(jìn)行180°翻轉(zhuǎn),然后再通過(guò)移動(dòng)第一軸位移裝置、第二軸位移裝置和第三軸位移裝置,分別獲取上述n×n×n個(gè)測(cè)量點(diǎn)的剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度,分別記為Piz-;

步驟8、通過(guò)如下公式計(jì)算N×N×N正方體區(qū)域內(nèi)共計(jì)n×n×n個(gè)測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際剩余磁場(chǎng)Mi:

步驟9:根據(jù)步驟7的計(jì)算結(jié)果,如果n×n×n個(gè)測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際剩余磁場(chǎng)Mi均在預(yù)設(shè)范圍內(nèi),則將N×N×N正方體區(qū)域輸出為目標(biāo)均勻區(qū),如果n×n×n個(gè)測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際剩余磁場(chǎng)Mi中有某一個(gè)點(diǎn)的實(shí)際剩余磁場(chǎng)不在預(yù)設(shè)范圍內(nèi),則降低n值,重復(fù)步驟2-8,直至所有n×n×n個(gè)測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際剩余磁場(chǎng)Mi均在預(yù)設(shè)范圍內(nèi),然后將得到的N×N×N正方體區(qū)域輸出為目標(biāo)均勻區(qū)。

2 有限元計(jì)算分析

極弱磁測(cè)試裝置整體主要采用POM熱塑性工程材料,是一種高密度、高結(jié)晶且具有良好的物理、機(jī)械和化學(xué)性能,尤其是具有優(yōu)異的耐摩擦性能[14]。如圖4所示,為極弱磁測(cè)試裝置位移極限位置,依此作為有限元分析對(duì)象。

圖4 極弱磁測(cè)量裝置有限元模型

2.1 材料屬性

極弱磁測(cè)量裝置材料的物理屬性如表2所示。

表2 材料的物理屬性

2.2 計(jì)算載荷

極弱磁測(cè)試裝置按垂直自重整備質(zhì)量載荷工況考慮進(jìn)行計(jì)算。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

如圖5,圖6所示,在極限位置情況下,極弱磁測(cè)試裝置的最大變形量為0.12 mm,最大應(yīng)力為0.25 MPa,完全滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 垂直重力變形量

圖6 垂直自重應(yīng)力

3 極弱磁測(cè)量裝置試驗(yàn)

3.1 地磁環(huán)境測(cè)試

測(cè)試伊始,首先對(duì)磁屏蔽艙安裝環(huán)境的地磁場(chǎng)信息進(jìn)行測(cè)量,測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖片如圖7所示,天地、東西、南北向的地磁數(shù)據(jù)分別為:19 682 nT,4 617 nT,33 642 nT。

圖7 地磁環(huán)境測(cè)試

3.2 初始剩磁測(cè)量

將極弱磁測(cè)量裝置放置于磁屏蔽艙內(nèi),利用性能更加穩(wěn)定和準(zhǔn)確的單軸磁通門(mén)傳感器,測(cè)試中按照理論均勻區(qū)大小在天地方向設(shè)置間隔為15 cm的5個(gè)測(cè)試平面。每個(gè)平面上按圖8所示的測(cè)試點(diǎn)位對(duì)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的剩磁進(jìn)行測(cè)量。

圖8 剩磁測(cè)量點(diǎn)位分布示意圖

受磁通門(mén)傳感器工作原理以及所處環(huán)境的影響,傳感器存在一定的偏置,每次測(cè)試時(shí),首先對(duì)單軸磁通門(mén)傳感器偏置進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試時(shí)需要在同一個(gè)測(cè)試點(diǎn)將其翻轉(zhuǎn)180°,分別測(cè)得B+和B-,根據(jù)式(1)計(jì)算得到偏置磁場(chǎng)的大小

通過(guò)偏置測(cè)量,可計(jì)算得到單軸磁通門(mén)傳感器的偏執(zhí)為12.5 nT。隨后按照?qǐng)D8所示的測(cè)試點(diǎn)位,對(duì)磁屏蔽艙的初始剩磁進(jìn)行測(cè)試與數(shù)據(jù)總結(jié),測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖片如圖9所示。

圖9 磁屏蔽艙初始狀態(tài)測(cè)量

初始狀態(tài)下,在邊長(zhǎng)0.6 m的立方體均勻區(qū)內(nèi),剩磁最大為37 nT,高于項(xiàng)目設(shè)定25 nT指標(biāo)。以過(guò)中心點(diǎn)的三個(gè)軸線上剩磁數(shù)據(jù)為例,其變化趨勢(shì)如圖10所示,三個(gè)方向,磁場(chǎng)并未呈現(xiàn)近似線性的梯度變化。天地方向(X)在15 cm后受影響較大。東西方向(Z)隨著遠(yuǎn)離門(mén)體梯度逐漸減小。南北方向(Y)則隨著靠近門(mén)體邊緣梯度受影響最大,成無(wú)規(guī)律變化。

圖10 過(guò)中心點(diǎn)三軸向磁場(chǎng)變化

3.3 消磁后剩磁測(cè)試

利用頻率為10 Hz,幅值振蕩衰減正弦信號(hào)輸入至7 796功率放大器,連接分布式消磁線圈后產(chǎn)生消磁電流。消磁線圈的阻抗在10 Hz頻率處經(jīng)LCR表測(cè)試為0.6,消磁時(shí)峰值電流大于100 A,保證產(chǎn)生的磁場(chǎng)大于坡莫合金的飽和磁場(chǎng)。受輸入正弦信號(hào)偏置等的影響,實(shí)際消磁測(cè)試時(shí)針對(duì)線圈正接和反接分別進(jìn)行消磁,以抵消偏置電流的影響。消磁時(shí)采用內(nèi)層坡莫合金-外層坡莫合金-內(nèi)層坡莫合金的順序?qū)Υ牌帘闻撨M(jìn)行消磁。消磁后,均勻區(qū)內(nèi)剩磁最大值為6.2 nT,優(yōu)于項(xiàng)目設(shè)定的25 nT指標(biāo)。以過(guò)中心點(diǎn)的三個(gè)軸線上剩磁數(shù)據(jù)為例,其變化趨勢(shì)如圖11所示,天地方向(X)和南北方向(Y)則隨著靠坐標(biāo)位置變化在1 nT的測(cè)量精度內(nèi),可認(rèn)為存在線性梯度變化。東西方向(Z)隨著遠(yuǎn)離門(mén)體梯度逐漸減小。

圖11 消磁后過(guò)中心點(diǎn)三軸向磁場(chǎng)變化

3.4 主動(dòng)磁補(bǔ)償線圈剩磁測(cè)試

在此基礎(chǔ)上,利用三臺(tái)直流補(bǔ)償電源(艾德克斯-IT6132B)結(jié)合緊貼在磁屏蔽艙外部的磁補(bǔ)償線圈開(kāi)展磁補(bǔ)償性能測(cè)試,補(bǔ)償線圈如圖9中多匝紅色密繞線圈所示。天地方向線圈為30匝;東西方向?yàn)?5匝;南北方向?yàn)?7匝。調(diào)節(jié)時(shí),以中心點(diǎn)三個(gè)方向的剩磁為依據(jù),逐步增大補(bǔ)償電流,直至三方向磁場(chǎng)均小于1 nT,主要受限于磁通門(mén)傳感器偏置的測(cè)量精度。測(cè)試中首先對(duì)線圈常數(shù)進(jìn)行測(cè)量,逐步增大直流電流值,同時(shí)測(cè)量該方向中心點(diǎn)以及+30 cm處的磁場(chǎng)變化,結(jié)果如圖12所示。

圖12 磁補(bǔ)償線圈常數(shù)測(cè)試

最終天地方向施加的補(bǔ)償電流為180 mA,東西方向施加的補(bǔ)償電流為80mA,南北方向施加的電流為120 mA。增加直流補(bǔ)償電流后均勻區(qū)內(nèi)剩磁最大值為13.6 nT,集中于門(mén)體左側(cè)區(qū)域,受門(mén)體閉合完整性影響,此處磁場(chǎng)產(chǎn)生異常,其他區(qū)域補(bǔ)償效果明顯。以過(guò)中心點(diǎn)的三個(gè)軸線上剩磁數(shù)據(jù)為例,其變化趨勢(shì)如圖13所示,磁補(bǔ)償后,過(guò)中心點(diǎn)的三方向磁場(chǎng)變化近似關(guān)于中心點(diǎn)對(duì)稱(chēng)。

圖13 磁補(bǔ)償后過(guò)中心點(diǎn)三軸向磁場(chǎng)變化

3.5 磁噪聲測(cè)試

針對(duì)磁補(bǔ)償前后磁屏蔽艙的磁噪聲進(jìn)行測(cè)量,采用Quspin磁強(qiáng)計(jì)置于中心位置處記錄數(shù)據(jù)并作功率譜密度分析,磁補(bǔ)償前后磁噪聲變化不大,磁噪聲如圖14所示。補(bǔ)償前后,磁屏蔽艙的噪聲在20 Hz～100 Hz頻帶內(nèi)達(dá)到15 fT/Hz1/2,達(dá)到Quspin傳感器的本底噪聲水平,同時(shí)施加磁補(bǔ)償后,未明顯提高磁屏蔽艙的低頻段磁噪聲。需要注意的是,磁噪聲測(cè)試中存在23 Hz以及27 Hz的異常峰,可能與環(huán)境振動(dòng)、磁屏蔽艙共振等相關(guān)[15]。

圖14 磁補(bǔ)償前磁噪聲

4 結(jié)論

該研究主要針對(duì)為測(cè)量磁屏蔽艙內(nèi)剩余磁場(chǎng)大小設(shè)計(jì)了極弱磁測(cè)量裝置,并且給出了具體的測(cè)量方法,最后進(jìn)行了磁屏蔽艙內(nèi)極弱磁測(cè)試?，F(xiàn)得到如下結(jié)論:

(1) 基于磁屏蔽艙空間內(nèi)極弱磁場(chǎng)工作環(huán)境的特點(diǎn),通過(guò)整體選用無(wú)磁材料,設(shè)計(jì)了一種無(wú)磁三軸極弱磁測(cè)量位移裝置,通過(guò)優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)并同時(shí)對(duì)極弱磁三軸位移裝置極限位置進(jìn)行變形量、應(yīng)力分析,有效解決了結(jié)構(gòu)本身有磁帶來(lái)的測(cè)量影響和由于結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的精度差技術(shù)難題,能使高精度磁場(chǎng)測(cè)量傳感器在極弱磁場(chǎng)工作環(huán)境下依然準(zhǔn)確測(cè)量剩余磁場(chǎng)。并詳細(xì)介紹了其結(jié)構(gòu)、功能作用,給出了位移測(cè)試方法,保證了測(cè)量的準(zhǔn)確度。

(2) 通過(guò)三軸極弱磁位移裝置對(duì)磁屏蔽艙內(nèi)空間剩磁大小進(jìn)行測(cè)試,分別對(duì)初始剩磁測(cè)量、消磁后剩磁測(cè)量、主動(dòng)磁補(bǔ)償線圈剩磁測(cè)試、磁噪聲測(cè)試,證明了所設(shè)計(jì)的極弱磁測(cè)量裝置的可行性。