交變微弱磁場復(fù)現(xiàn)研究

【摘要】研究了交變微弱磁場的復(fù)現(xiàn)方法，該方法通過無矩線圈與交流磁屏蔽筒組合的方式，同時采用多檔標(biāo)準(zhǔn)電阻采集信號的測量方法可以復(fù)現(xiàn)0.01nT～10000nT，10Hz～10kHz的交變微弱磁場。該復(fù)現(xiàn)方法已在“交變微弱磁場標(biāo)準(zhǔn)裝置”（已申請國防最高標(biāo)準(zhǔn)）的研制中得到應(yīng)用。該標(biāo)準(zhǔn)裝置的建立可對交變磁場線圈進(jìn)行檢定/校準(zhǔn)，同時仍可為高靈敏度磁傳感器交流性能的測試、校準(zhǔn)提供準(zhǔn)確、可靠的計量保障。

【關(guān)鍵詞】交變微弱磁場；磁場測量；計量檢測；磁場復(fù)現(xiàn)

1.引言

磁場探測作為研究物質(zhì)特性、探測未知世界的一種有效手段，一直受到研究人員關(guān)注及重視。近年來隨著空間探測、地球物理研究、軍事應(yīng)用的需求不斷提高，推動了高靈敏度和微弱磁場探測的磁傳感器研究，并取得了豐碩的研究成果。磁傳感器的靈敏度越來越高，普遍達(dá)到了pT級，甚至更高，頻帶范圍越來越寬，DC～20kHz，理論值甚至可以達(dá)到兆赫茲的水平，但是缺乏有效的測量手段。因此，如何對此類傳感器進(jìn)行檢測、校準(zhǔn)成為了計量新的難題。

交變微弱磁場的復(fù)現(xiàn)研究即是為了解決這一問題，通過交變磁屏蔽筒與無矩磁感應(yīng)強(qiáng)度線圈的組合復(fù)現(xiàn)0.01nT～10000nT，10Hz～10kHz的交變微弱磁場。

2.工作原理

交變微弱磁場的復(fù)現(xiàn)采用的是交流信號源、功率放大器、無矩磁感應(yīng)強(qiáng)度線圈、交流屏蔽筒相組合的形式，通過負(fù)載分檔、采樣分檔實(shí)現(xiàn)對0.01nT～10000nT，10Hz～10kHz的交變微弱磁場的復(fù)現(xiàn)及測量。基本原理框圖如圖1所示：

工作過程中，信號源與功率放大器組合為交變磁場的復(fù)現(xiàn)提供一定功率的10Hz～10kHz的交流信號，經(jīng)過負(fù)載匹配后輸入無矩磁感應(yīng)強(qiáng)度線圈，無矩磁感應(yīng)強(qiáng)度線圈產(chǎn)生的磁場可由公式（1）得到。

2.1 無矩磁感應(yīng)強(qiáng)度線圈研究

無矩磁感應(yīng)強(qiáng)度線圈主要用來產(chǎn)生交變磁場。無矩磁感應(yīng)強(qiáng)度線圈由兩個同軸的螺線管反向串聯(lián)組成，線圈工作區(qū)內(nèi)的磁場強(qiáng)度為內(nèi)外兩個螺線管產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度的差值。內(nèi)、外兩螺線管反向串聯(lián)的方式使得線圈的磁矩非常小，幾乎接近于零，這明顯的降低了無矩磁感應(yīng)線圈與磁屏蔽筒之間的相互作用。

在該方案中無矩線圈選用的是內(nèi)外螺線管嵌套的結(jié)構(gòu)形式，兩螺線管各個參數(shù)之間的關(guān)系如下所示：

線圈常數(shù)可以根據(jù)內(nèi)、外螺線管線匝的直徑及繞線匝數(shù)計算得出理論值，但是實(shí)際制作過程中受加工精度、加工工差等因素的影響，實(shí)際線圈常數(shù)與理論計算值會有一定程度的偏差。因此，無矩磁感應(yīng)強(qiáng)度線圈加工制作完成后需要經(jīng)過專門的計量機(jī)構(gòu)對線圈常數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

設(shè)計磁場線圈無論是用以補(bǔ)償環(huán)境磁場建造零磁空間，還是用以復(fù)現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度，其必須考慮的最重要的一項指標(biāo)為工作區(qū)的均勻性，而且均勻區(qū)半徑與線圈半徑的比值越大越好。無矩線圈的均勻區(qū)半徑、均勻性的綜合性能比較突出，且磁矩小，本方案設(shè)計的無矩線圈在工作區(qū)內(nèi)的磁場非均勻性見圖2：

由上圖可知該無矩線圈在距離中心點(diǎn)0.05m處的磁場非均勻度為0.004%，在復(fù)現(xiàn)100nT磁場時在±0.05m的工作區(qū)內(nèi)由磁場非均勻性帶來的不確定度為4pT，可以滿足pT級磁傳感器的測試需求。

2.2 交流屏蔽筒研究

交流屏蔽筒的主要作用是用于屏蔽寬頻帶的工業(yè)干擾。環(huán)境中的磁干擾主要由自然干擾、工業(yè)干擾組成。自然干擾由恒定分量（約50000nT）和地磁波動（通常不超過50nT）組成。工業(yè)干擾可以達(dá)到3000nT～5000nT，甚至更高，且同自然干擾不同的是它有極大的頻譜不均勻度。為了確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確可靠必須降低此類干擾，可以選擇的辦法有幾種。一種是把實(shí)驗室建設(shè)在郊區(qū)，遠(yuǎn)離工業(yè)企業(yè)、電氣化鐵路等工業(yè)干擾源，同時需要對地磁干擾進(jìn)行補(bǔ)償。此種方法在工業(yè)干擾很小的情況下對地磁干擾進(jìn)行了補(bǔ)償，有效的降低了磁干擾，但此種方法僅在有限的頻率范圍內(nèi)有效，僅適用于恒定磁場及低頻交變磁場，而且其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對環(huán)境磁場要求高，不適合廣泛推廣。

另一種簡單可靠的方法是制作交流磁屏蔽筒，使用坡莫合金等高導(dǎo)磁率材料，制作閉合的金屬殼體。此方法能夠在很寬的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)，不需要輔助裝置，測量時也不需要其它的補(bǔ)充準(zhǔn)備工作，交流磁屏蔽筒的尺寸、外形、工作空間等都可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計。單層屏蔽的屏蔽系數(shù)可由公式（4）得：

由公式（4）得知，屏蔽系數(shù)與屏蔽材料的電導(dǎo)系數(shù)、相對導(dǎo)磁率、屏蔽材料的厚度等有關(guān)系。通常情況下單層屏蔽的效果并不能滿足高靈敏度磁傳感器的測試需求，因此一般采用多層屏蔽，多層屏蔽筒總的屏蔽系數(shù)如公式（5）所示：

2.3 磁場測量研究

無矩磁感應(yīng)強(qiáng)度線圈中的電流可通過由標(biāo)準(zhǔn)采樣電阻與電壓測量單元組成的電流測試系統(tǒng)獲得。

為了保證電壓測量的準(zhǔn)確性，提高復(fù)現(xiàn)磁場的準(zhǔn)確度，將需要復(fù)現(xiàn)的交變磁場分為了兩個大檔，六個小檔。兩個大檔為：0.01nT～10nT、10nT～10000nT；六個小檔為：0.01nT～0.1nT、0.1nT～1nT、1nT～10nT、10nT～100nT、100nT～1000nT、1000nT～10000nT。

由原理圖可知兩大檔之間的比例關(guān)系為：

R1/R2=1000。由于在復(fù)現(xiàn)0.01nT～10nT的磁場時，線圈通過的電流非常小（0.3μA～300μA），直接采集標(biāo)準(zhǔn)電阻上的電壓非常困難，因此在該系統(tǒng)中特意設(shè)計了R1/R2=1000的分流系統(tǒng)，使的流過磁場線圈的電流值與流過R2的電流值的比值為1：1000，通過這樣的設(shè)計將采樣電壓放大了1000倍，大大的提高了電流的測量精度，同時也極大的提高了微弱磁場的測量準(zhǔn)確度。

磁場線圈復(fù)現(xiàn)的磁場與磁場線圈通過的電流之間存在如下對應(yīng)關(guān)系：

式中：B——磁場線圈復(fù)現(xiàn)的磁場；U——標(biāo)準(zhǔn)采用電阻上的采樣電壓；R——標(biāo)準(zhǔn)采樣電阻的阻值。

由上式可知，在磁場線圈常數(shù)已知的情況下，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)采樣電阻的阻值與磁場線圈常數(shù)之間的關(guān)系為K/R=1/x，（x為1、10、100、……、10n等），則采樣電壓與磁場復(fù)現(xiàn)的磁場之間的關(guān)系則為簡單的10n的關(guān)系，通過采集標(biāo)準(zhǔn)電阻的電壓就可十分直觀、簡單的了解復(fù)現(xiàn)磁場的強(qiáng)度。

在本系統(tǒng)中n=7，由于本系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的范圍為0.01nT～10nT、10nT～100000nT，通過這樣的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)采樣電阻的采樣電壓范圍為：0.1V～1V，可以保證測量的精度與準(zhǔn)確度。

分檔復(fù)現(xiàn)、分檔測量、標(biāo)準(zhǔn)采樣電阻阻值與線圈常數(shù)成一定比例的設(shè)計思想不僅提高了復(fù)現(xiàn)磁場、測量磁場的準(zhǔn)確度，同時也提高了復(fù)現(xiàn)磁場、測量磁場的效率，簡化了測量信號的處理過程。

3.結(jié)論

通過對無矩磁感應(yīng)強(qiáng)度線圈、交流磁屏蔽筒及磁場測量方式的研究，實(shí)現(xiàn)了0.01nT ～10000nT，10Hz～10kHz的標(biāo)準(zhǔn)交變微弱磁場的復(fù)現(xiàn)與測量。其中無矩線圈均勻區(qū)內(nèi)的磁場非均勻性小于0.01%、交流磁屏蔽筒內(nèi)的剩磁指不大于0.3pT，滿足磁傳感器DC～10kHz頻率范圍內(nèi)的線性度、靈敏度、噪聲、漂移等性能進(jìn)行測試。

參考文獻(xiàn)

[1]交變?nèi)醮鸥袘?yīng)強(qiáng)度一級工作標(biāo)準(zhǔn)工作報告[R].

[2]李樹燕.電路基礎(chǔ)[M]，高等教育出版社，1988，4：345-357.

[3]趙凱華，陳熙謀.電磁學(xué)（下）[M].高等教育出版社，1985，6： 741-749.

[4]櫻井良文（日）.現(xiàn)代工程磁學(xué)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1981： 100-112.