張海波 翟晶晶 李 享 周昌劍

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所，國防科技工業(yè)弱磁一級計量站，湖北宜昌 443003)

1 引 言

環(huán)境磁干擾主要指由于車輛、電梯等磁性物體移動產(chǎn)生的低頻擾動磁場，以及電力線纜中50Hz/60Hz工頻及諧波電流產(chǎn)生的交流擾動磁場[1]。在梯度磁場復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)[2]中環(huán)境磁干擾是影響復(fù)現(xiàn)磁場準(zhǔn)確度及穩(wěn)定度的重要因素，在磁屏蔽系統(tǒng)中環(huán)境磁干擾是影響屏蔽室內(nèi)磁場噪聲功率譜的重要因素。

提出一種梯度磁場復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)和磁屏蔽裝置的環(huán)境磁干擾主動補償方法，綜合前饋/反饋復(fù)合控制技術(shù)，可同時對三個分量的環(huán)境磁干擾進(jìn)行分別閉環(huán)控制補償。采用的模擬控制器具有響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)可靠等特點。

該方法已在“(10～100)μT/m梯度磁場標(biāo)準(zhǔn)裝置”、“低剩磁低噪聲磁屏蔽室”等計量裝置中應(yīng)用，用于補償校準(zhǔn)現(xiàn)場的動態(tài)磁干擾。經(jīng)過補償后大大降低了環(huán)境磁場噪聲，為原子式磁強計梯度容差校準(zhǔn)、磁屏蔽系數(shù)現(xiàn)場校準(zhǔn)等提供穩(wěn)定的磁環(huán)境，降低了裝置的測量不確定度水平。

2 磁干擾主動補償系統(tǒng)設(shè)計

2.1 方案設(shè)計

補償原理如圖1所示，低噪矢量磁傳感器放置在三軸補償線圈磁場均勻區(qū)，將測量到的環(huán)境干擾磁場轉(zhuǎn)化為電壓信號輸入到補償控制器中，并與目標(biāo)磁場進(jìn)行比較，通過反饋控制模塊產(chǎn)生補償信號，與前饋控制模塊產(chǎn)生的補償信號相加后輸入到補償線圈相應(yīng)方向的繞組中，激勵補償線圈產(chǎn)生與波動磁場方向相反、大小相等的矢量磁場，抵消波動干擾，實現(xiàn)穩(wěn)定的磁環(huán)境。

圖1 動態(tài)磁干擾補償結(jié)構(gòu)框圖

補償過程中還可通過補償參數(shù)修正方法對補償電流中的直流偏置部分進(jìn)行修正，以達(dá)到只對干擾磁場進(jìn)行抵消，不影響復(fù)現(xiàn)磁場準(zhǔn)確度的目的。

2.2 補償系統(tǒng)建模

磁干擾主動補償系統(tǒng)主要由目標(biāo)磁場設(shè)置電路、磁場補償控制器、磁場線圈和磁通門傳感器構(gòu)成。其中，磁通門傳感器用于測量線圈磁場內(nèi)部環(huán)境磁場三分量、磁場補償控制器根據(jù)磁干擾信號實現(xiàn)產(chǎn)生相應(yīng)的補償電流，環(huán)境磁干擾主動補償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

為了對磁干擾補償控制器的控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以及對補償能力進(jìn)行分析，需要建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。實際的主動磁場補償系統(tǒng)均為非線性，為了簡化設(shè)計，各個補償環(huán)節(jié)均采用線性化技術(shù)建立線性模型[3]。

以X軸為例進(jìn)行建模，得到主動補償系統(tǒng)磁場補償控制器、磁場線圈、磁通門傳感器的傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 環(huán)境磁干擾主動補償系統(tǒng)傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)圖

影響該傳遞函數(shù)輸出的輸入量共有兩個，分別是目標(biāo)磁場信號Ur(s)和環(huán)境干擾磁場Bd(s)，根據(jù)線性系統(tǒng)疊加原理[4]，分別求出每一個分量單獨作用時的輸出，然后再計算得到X方向磁感應(yīng)強度。

2.3 補償參數(shù)優(yōu)化

1)主動磁場補償系統(tǒng)穩(wěn)定性

根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)，使主動補償系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是使系統(tǒng)特征方程(1)中T1，T2，KP，KI等各參數(shù)滿足式(2)和式(3)

T1T2s3+(T1+T2)s2+(K1K2KSWKP+1)s

+K1K2KSWKI=0

(1)

T1T2K1K2KSWKI-(T1+T2)(K1K2KSWKP+1)<0

(2)

K1K2KSWKI>0

(3)

2)主動補償系統(tǒng)對低頻干擾磁場補償能力

干擾磁場Bd(s)到系統(tǒng)輸出Bx(s)存在如下傳遞函數(shù)

(4)

采用頻率特性分析法，其頻率特性為

(5)

3)優(yōu)化控制參數(shù)

根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定條件[5]設(shè)定PI控制器參數(shù)。比如：令KP=4.2，KI=-4200，代入其他參數(shù)值，可得

(6)

由式(6)可知，在角頻率60rad/sec(9.55Hz)以下，對干擾衰減-40dB；在角頻率6rad/sec(0.955Hz)，對干擾衰減-60dB，頻率越低衰減倍數(shù)越大。

2.4 參考電壓修正

考慮到在實際應(yīng)用中，三軸補償線圈的尺寸不一，當(dāng)補償線圈的尺寸較小時，補償傳感器安裝位置處與工作區(qū)的線圈常數(shù)不一致，可能導(dǎo)致補償電流存在直流偏置，影響補償磁場準(zhǔn)確度。

為了確保補償動態(tài)干擾的同時，補償繞組不產(chǎn)生額外的恒定磁場影響工作區(qū)的參考磁場，其充分條件是補償繞組中補償電流的恒定分量為零，需要對目標(biāo)磁場及控制電路的參考電壓進(jìn)行修正。

(7)

式中：Ur——控制電路參考電壓；k2——補償傳感器靈敏度(磁場電壓轉(zhuǎn)換系數(shù))；Br——目標(biāo)磁場值；U0——補償傳感器零偏；θ——復(fù)現(xiàn)繞組磁軸與補償傳感器磁敏感軸的夾角。

控制電路參考電壓修正模型如下

(8)

式中：ksw——補償磁傳感器處補償繞組沿磁軸方向的線圈常數(shù)；if——補償繞組中的實際電流；i0——補償?shù)卮艌龅钠秒娏?；k,U0——修正參數(shù)，這兩個參數(shù)既可以通過直接計算法獲得，也可以采用最小二乘參數(shù)估計的方法得到。

2.5 前饋/反饋復(fù)合補償

通過反饋控制模塊對車輛、電梯等磁性物體移動產(chǎn)生的磁干擾進(jìn)行補償；同時通過前饋控制模塊對50Hz/60Hz工頻及諧波磁場進(jìn)行補償，前饋控制模塊采用直接數(shù)字頻率合成電路[6]產(chǎn)生前饋磁場補償信號，該信號的通道數(shù)取決于所要補償?shù)墓ゎl諧波頻率個數(shù)。反饋控制信號和前饋控制信號在電壓電流轉(zhuǎn)換模塊中進(jìn)行疊加，產(chǎn)生相應(yīng)的電流激勵三軸補償線圈產(chǎn)生反饋補償磁場。

2.6 補償電流跟蹤

為了實現(xiàn)三軸補償線圈電流對補償電壓信號的實時跟蹤能力，在三軸補償線圈中串接標(biāo)準(zhǔn)采樣電阻，將采樣電阻兩端的差分電壓通過儀表放大器轉(zhuǎn)換單端信號，然后利用集成運放與補償信號做差值運算，通過模擬PID電路產(chǎn)生電流控制信號[7]，電流控制信號后加一級集成功率放大電路實現(xiàn)信號跟隨[8]，從而實現(xiàn)三軸補償線圈中電流對補償信號的實時跟蹤。

3 磁干擾主動補償系統(tǒng)驗證

3.1 磁場復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)補償試驗

為了驗證在磁場復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)中該磁干擾補償方法的補償效能開展測試，具體實施過程參照參考文獻(xiàn)[9]，系統(tǒng)連接如圖4所示。

圖4 磁干擾補償試驗系統(tǒng)連接圖

在該試驗中，使用磁干擾模擬線圈(螺線管線圈)和交流恒流源產(chǎn)生模擬干擾磁場，使用磁干擾補償線圈(圓形赫姆霍茲線圈)將補償電流轉(zhuǎn)換為補償磁場[10]；使用信號分析儀對磁場信號進(jìn)行采集分析。按式(9)計算補償效能，補償效果見表1。

(9)

以上試驗同樣在1μT/m，10μT/m，40μT/m的梯度磁場下進(jìn)行了驗證，試驗數(shù)據(jù)顯示補償效果沒有明顯變化，說明該補償方法同樣適用于梯度磁場下的動態(tài)磁干擾補償。

表1 0.5Hz～60Hz干擾磁場補償試驗Tab.1 0.5Hz～60Hz interference magnetic field compensation test頻率f/Hz干擾磁場補償前磁場幅值B/nT補償后磁場幅值B0/nT補償效能/dB0.51000.066411010.205721010.235351010.684381011.0939101011.3637201012.7431301014.1028401015.3825501016.9223601018.0522

3.2 磁場屏蔽裝置補償試驗

為了驗證在磁場屏蔽裝置中該磁干擾補償方法的補償能力開展了磁場補償效能，試驗系統(tǒng)如圖5所示，試驗方法與磁場復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)中磁場補償系統(tǒng)測試方法相似，考慮到磁屏蔽室的各向異性，同樣需要在三個方向各典型頻點開展試驗。

圖5 磁屏蔽裝置中的干擾磁場主動補償試驗系統(tǒng)

分別在屏蔽裝置中心位置的南北方向、東西方向和垂直方向分別開展了主動磁屏蔽效能驗證試驗，試驗數(shù)據(jù)見表2。

4 結(jié)束語

針對梯度磁場復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)和磁屏蔽裝置使用過程中環(huán)境干擾磁場對測量準(zhǔn)確度的影響，提出了一套干擾磁場補償系統(tǒng)方案，對總體方案構(gòu)架進(jìn)行了介紹，并較為詳細(xì)地論述了補償系統(tǒng)模型、補償參數(shù)優(yōu)化、參考電壓修正、前饋/反饋復(fù)合補償、補償電流跟蹤等技術(shù)。

基于該技術(shù)研制的主動磁場補償系統(tǒng)可對干擾磁場三個分量同步補償，試驗結(jié)果表明：梯度磁場復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)中，干擾磁場主動補償系統(tǒng)可顯著提高

表2 磁屏蔽裝置中主動補償試驗Tab.2 Active compensation test in magnetic shielding device測試點位置測試頻點屏蔽室南北向屏蔽效能/dB主動補償后南北向屏蔽效能/dB屏蔽室東西向屏蔽效能/dB主動補償后東西向屏蔽效能/dB屏蔽室垂直向屏蔽效能/dB主動補償后垂直向屏蔽效能/dB磁屏蔽室中心0.012184239125870.132632479276515184307433671069924078467520679245775580496789567764761006981647368801000737784938289

磁場穩(wěn)定性，降低了不確定度水平；在磁場屏蔽裝置中，極大提高低頻磁場屏蔽效能，抑制了低頻磁場噪聲。另外，該技術(shù)在動態(tài)磁環(huán)境模擬等領(lǐng)域也具有很好的應(yīng)用前景。