磁技術在水下密封和探測中的應用

【摘要】介紹了磁流體密封的原理和水下設備的磁密封。論述了水下磁探技術的原理、研究背景及意義。

【關鍵詞】磁技術；水下密封；水下磁探測

1.引言

隨著人類社會發展的需要和科學技術的進步，水下工程的規模越來越大，在水下資源的調查、石油探測、搶險救生、水下土木工程建設、核電站用的現場監察以及海洋軍事等領域迫切需要開發各種不同類型、不同功能的水下航行體。水下航行體研制的關鍵問題之一是軸的動密封，即軸伸出殼體處的密封。研究表明：水下航行體由于密封問題而發生的故障比由于電子器件等問題而發生的故障高；水下航行體的密封分為靜密封和動密封兩種，靜密封相對來說容易解決，動密封的問題比較難解決，軸在旋轉時，由于軸與機殼間存在間隙，就會產生泄漏，而且介質壓力越高、軸的轉速越高，越容易產生泄漏。當前人們已經發現了磁技術在水下密封應用中的優越性。本文介紹了磁技術在水下密封和探測中的應用。

2.磁流體密封原理

磁性流體（也稱磁性液體或鐵磁性液體）是由納米級的磁性顆粒，經過特殊的處理均勻分散到某種液體中而成的一種穩定的膠狀液體。磁流體密封的原理如圖1所示，由于磁流體在外加磁場的作用下會表現出很強的磁性，因此，在磁場的作用下它被固定在密封間隙內，形成液體○型密封環阻止泄漏。磁流體密封的主要特點是：

（1）密封性能好，可以實現零泄漏；

（2）結構簡單，體積小，安裝部位緊湊，裝卸方便，制造容易；

（3）具有自密封作用，不需要周期性調整；

（4）因為所用的密封介質本身有潤滑的作用，所以不需要再加潤滑裝置；

（5）傳輸效率高，磁流體密封裝置在旋轉狀態下，摩擦力極小，無機械磨損，發熱低，功率損耗極小，傳輸效率幾乎達100%；

（6）良好的修復性，磁流體密封裝置在使用過程中，如果因某些原因造成密封失效，只要內部元件功能正常，一般可在現場用較短的時間就能修復。

目前磁流體密封存在的主要問題表現在：

（1）密封能力小，現階段能用于實踐的裝置中，單級密封能力最大可為120～180KPa，整個密封能力很難超越11.5MPa，

（2）被密封介質是液體時擴散較嚴重，因而磁流體密封很難可靠地應用到液體密封的工況；

（3）溫度適應性差，一方面溫度升高增加了磁流體的蒸發；另一方面，溫度升高也會降低磁流體本身的性能，這都會降低密封能力，目前磁流體密封的最高使用溫度極限為80攝氏度。

磁流體轉軸動密封技術成功地應用于真空密封（氣體密封和防塵密封中，但用在液體密封方面，工業化實際應用較少見。關于磁流體液體動密封液體問題，國內外文獻和專利缺少相關報導。1990年前蘇聯發表了已經制備出可用于液體密封的磁流體報道，但是沒有具體介紹這種磁流體的組成和特點。為了將磁流體密封技術應用于液體密封，國內外研究較多的是采用兩個方法，一種是采用輔助手段將密封液體與磁流體分隔開來，但這些密封結構比較復雜’另一種是研制不受被密封液體侵害的磁流體。將磁流體密封用于艦船螺旋推進器的主軸密封，代替傳統的盤根密封，可使主軸功率損耗降低10%～40%，明顯提高船的航行速度。

3.水下設備的磁密封

2l世紀是人類開發和利用海洋資源的世紀。隨著國家海洋技術發展和國防建設的需要，使得海洋儀器設備的應用領域越來越廣泛。水下作業靈巧手作為一種重要的海洋作業工具日益得到人們的重視。當前，水下作業靈巧手是人們研究的熱點問題之一。

水下作業靈巧手研制的關鍵問題之一是驅動器問題。它涉及到一個突出的問題——密封問題，而且是隨著下潛深度的加深，密封性能要求更高，這也是衡量水下裝備的重要指標。

水下作業靈巧手研制中一個關鍵、突出的問題就是密封問題，主要是關節驅動器的動密封、靜密封；作業靈巧手的深海工作環境對密封性能要求尤其嚴格，這是因為作業手所處的深水作業環境，既要考慮水下壓力，又要考慮海水電離腐蝕性強等對密封器件的制約。因此，密封問題是水下作業靈巧手研制的一個制約性問題和需要突破的關鍵技術之一。

磁力傳動密封技術是磁力傳動技術和密封技術的結合，它利用磁力線穿越非磁性密封隔套及磁力線扭斜產生力矩特性。將原動機能量傳遞給負載，完成磁力傳動和密封的雙重功能。磁密封傳動是近年來，隨著磁學快速發展的新型實用工程技術。

磁密封傳動是一種非接觸式密封（即動件和靜件沒有直接接觸），它以旋轉動密封為主，即使用旋轉密封裝置把旋轉運動傳遞到被密封的容器內。該裝置通常由軸承、磁極、永久磁鐵、導磁密封軸等組成；其工作原理是：由環狀永磁鐵、磁極和導磁轉軸構成閉合磁回路。利用永磁體中的磁能，在密封軸與磁極齒端的間隙內產生強磁場，從而實現密封。本課題在確定電機轉矩等相關參數后，根據密封要求設計合適的磁密封聯軸器進行傳動。磁密封傳動在此非常合適，巧妙的將動密封轉化為靜密封，在水下驅動器密封傳動方面有著十分廣闊的應用前景。

4.磁探測技術

電磁波在水中衰減嚴重，而聲波能傳播幾百公里卻沒有明顯的吸收損失，故目前水下探測、通訊、定位和導航主要用水聲設備。隨著水下探測定位技術的不斷發展，聲學定位系統的缺點也日益暴露出來。地磁異常探測（MAD）是目前比較新的一種技術方法，它利用天然的地球磁場特性，達到我們試驗的目的。早在二戰時期就將磁傳感器安裝在巡航機上用于檢測水下潛艇的存在，美軍等制式裝備均包含MAD部分。磁場探測具有定位精度高、執行時間短、不受淺海復雜環境影響等特點。目前MAD技術廣泛應用于地震監測與地質災害預報中。因此利用MAD進行水下目標跟蹤是一個嶄新的研究課題。

4.1 研究背景及意義

磁探測是一種既古老又年輕的科學技術。隨著各種磁現象的相繼發現以及人類科學技術的長足發展，利用磁現象的新技術不斷出現，目標磁探測技術就是其中之一。它是通過磁場探測，實現對固定或移動的目標的非接觸測量，將得到的磁場信號物理量經過一定的數據處理方法獲取正確的目標信息。

眾所周知，我們生活的地球是一個巨大的磁場，利用地球天然的磁場特性進行探測，具有重要的研究意義。由于地球的天然磁性，無論任何裝置、儀器、交通工具以及軍事武器均要受到地磁場的影響，各種鐵磁性的物質也會相應的影響地磁場的分布從而引起地磁異常，因此利用這種磁異現象可以對目標進行定位和跟蹤，這就是基于磁異信號的目標磁探測技術—MAD（Magnetic Anomaly Detection）。在水下，可以通過檢測金屬目標的快速移動引起這點的地磁異常，即檢測多個傳感器位置上地磁在各個方向的磁通變化，判定目標的方位，實現目標跟蹤。基于MAD的目標探測定位技術在軍事上有重要的意義和作用，它彌補了傳統聲納探測的有源性以及隱蔽性能不好等缺點。

在海洋反潛戰爭中，精確位置的獲取是進行軍事打擊的重要前提。由于各種武器裝備均或多或少的含有鐵磁性物質，以地磁場為背景，基于MAD的目標磁探測技術就是偵察與監視以及獲取敵方位置信息的一種極其重要的途徑，具有無源被動探測、隱蔽性能好、抗干擾能力強和保密性高等特點。

目前各國都非常重視利用磁異信號的探測與定位技術的研究與應用。美國海軍研究所成功研制了磁異信號導航系統，能夠對魚雷水雷等隱蔽性目標進行自動搜索和二維水平面坐標定位。美國海岸系統局已建立起一套相對完整的針對磁性目標探測、定位和識別的磁異信號感測方法。加拿大海軍軍方高度重視水雷和海岸線武器對海軍構成的威脅，建立了專門的研究機構負責水下相應的探測和定位裝置研究。而我國在軍事方面對基于MAD的目標探測與定位技術的應用尚處于起步階段，遠遠落后于西方發達國家。重視磁異信號目標探測與定位技術的研究，提高我軍武器裝備的現代化水平和世界軍事競爭力，是目前我國軍事研究的首要任務。隨著傳感器的發展和信息革命的到來，基于MAD目標探測技術的無線傳感器網絡的節點定位以及跟蹤技術將會得到更大的發展。我們可以利用磁異信號目標磁探測法得到的磁信號矢量，實現對快速移動的目標的跟蹤定位。

4.2 基于MAD的目標探測技術

基于磁異信號的目標磁探測技術--MAD （Magnetic Anomaly Detection）是磁探測與識別技術的一個重要分支，主要應用于軍事研究領域，是近年來隨著磁傳感器測量精度的提高與測量范圍的擴大以及軍事高技術武器開發的需求而發展起來的。MAD的定義以地磁場中的鐵磁性物體引起的磁異物理現象為基礎。磁異現象是指處在空間某一位置的鐵磁性目標會改變所在地點的地磁場（在很廣闊的區域內近似均勻強度磁場）的分布從而引起地磁場的異常分布的現象。

磁探測是研究與磁現象有關的物理過程的重要手段，其內容涉及許多領域，如地球物理、天體物理、高能物理以及生物科學、醫學和軍事應用領域等方面。它通過非接觸的測量固定或移動目標的磁場參量，并將測量得到的信號經過一定的處理方法正確的給出相關信息。

4.3 鐵磁體磁場表示

任何處在地磁場環境中的鐵磁體都不可避免的被磁化，磁化程度的強弱取決于背景場的大小、鐵磁體的材質以及磁化時間的長短。鐵磁體被磁化后產生磁矩，磁矩是一個既有大小又有方向的矢量，鐵磁體單位體積內的磁矩矢量和就是磁化強度，是衡量磁化程度的標準。在國際單位制中以4/m表示磁化強度，以4/m2表示磁矩。地磁場是一個非常微弱的磁場，因為磁場隨距離衰減很快的緣故。水下鐵磁體被地磁背景場磁化的結果是形成一個沿磁化方向的磁矩，這樣水下鐵磁體就相當于一個獨立的磁源，由其產生的附加磁場疊加在地磁背景場之上，導致平緩的地磁背景場畸變。

4.4 測磁傳感器的選擇

最早檢測磁場的人通過測量地球磁場的方向在茫茫無際的大海上航行。隨著科技的發展，多種磁傳感器被用來測量磁場的存在、強度和方向，這個磁場不僅僅是地磁場，還可以是永磁體、磁化的軟磁體、車輛的擾動、腦電波以及電流產生的磁場。磁傳感器可以非接觸的測量這些物理參量，成為許多工業和導航控制系統的眼睛。

5.結束語

人類使用磁傳感器已有兩千多年的歷史。早期的應用僅為定向和導航。目前磁傳感器仍然是解決導航問題的基本方法之一，但更多的用途已被開發出來。同時人類一直朝著提高靈敏度、縮小體積、和電子系統兼容的方向努力。

使用磁傳感器的一個特點是所測量的磁場通常不是人們的初衷，第二級的參量才是所需要的。如輪速、磁性油墨的存在、車輛的檢測和方向的判定等。這些參量不能被直接測量，但可以從磁場的變化或畸變中提取出來。傳統的傳感器如溫度、壓力、應變、或光傳感器可以直接將所需的參量轉化為成比例的輸出電壓或電流。區分不同的磁傳感器的方法之一是按照它們所感測的磁場范圍的不同來區分的。可分為三類：低磁場、中磁場和高磁場。

另一方面使用磁傳感器只能對方向、存在、旋轉、角度或電流進行間接的檢測。輸入量必須創造或改變一個磁場。一旦磁傳感器檢測到磁場的變化，需要信號處理電路將傳感器的輸出信號轉化成所需的參量值。