計亞兵, 王浩安, 劉習凱, 文通

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

高精度極弱磁場測量傳感器在高端醫(yī)療設備檢測、航空航天、資源能源勘探、國防和地質災害監(jiān)測等方面有著廣泛而重要的應用[1-3]。尤其隨著國家大力發(fā)展零磁科學,建設極弱磁場重大科技基礎設施,未來零磁醫(yī)學、零磁生物學、零磁化學、零磁基礎物理和材料學將聚焦利用極弱磁測量技術[4-5],掌握極弱磁場測試裝置及其測試方法至關重要。

目前經過磁屏蔽裝置屏蔽后,剩余磁場可達到10-12T量級(地球磁場為10-6T量級)[6-7]。目前常見的位移測試裝置多采用金屬位移測試裝置,本身就帶有磁性,不具備對磁屏蔽艙空間內剩磁大小進行測試的先決條件,且量程有限,不具備對磁屏蔽艙內剩余磁場大小測量以及均勻區(qū)的搜索。通過選用無磁材料位移測試裝置代替金屬材料位移裝置,并且科學設計無磁材料位移裝置機械結構能有效解決結構本身有磁帶來的測試影響和由于結構變形產生的測試精度差技術難題[8]。

根據磁屏蔽艙空間剩磁大小處于nT項目指標實際情況,本文設計了由無磁材料構成且應用于經過主動磁屏蔽和被動磁屏蔽后的極弱磁場空間三軸位移測量裝置,通過ANSYS Workbench進行數值分析,最后通過對磁屏蔽艙進行初始剩磁測量、消磁后剩磁測量、主動磁補償線圈剩磁測試、磁噪聲測試,證明了所設計的極弱磁測量裝置的可行性[9-11]。

1 極弱磁測量位移裝置結構的特點

1.1 概述

如圖1所示,極弱磁測量位移裝置主要由第一軸無磁位移裝置、第二軸無磁位移裝置、第三軸無磁位移裝置、磁傳感器夾持裝置、連接板和加強筋組成。如圖2所示,第一軸、第二軸、第三軸無磁位移裝置可以實現磁傳感器在封閉磁屏蔽艙X、Y、Z三個方向任意移動測量剩余磁場大小,從而確定磁屏蔽艙內目標搜索均勻區(qū)。

圖1 極弱磁位移測量裝置

圖2 極弱磁位移測量裝置工作效果圖

本裝置不僅能夠為待測的高精度極弱磁場測量傳感器提供一種剩磁測量裝置,同時通過選用無磁材料和優(yōu)化機械結構有效解決了結構本身有磁帶來的測量影響和由于結構變形產生的精度差技術難題,并且提供了一種在剩磁測試裝置下的剩磁測試方法,極弱磁測量裝置主要設計參數如表1所示[12-13]。

表1 極弱磁測量裝置主要設計參數表/mm

1.2 第一軸無磁位移裝置

如圖3所示,設置在所述工作臺上的整體采用無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、兩根平行間隔設置的第一軸導軌、第一軸固定座、第一傳動絲桿和第一手輪,其中第一軸固定座采用工程塑料螺釘固定在工作臺上,第一軸導軌通過工程塑料螺釘固定在第一軸固定座上,第一軸安裝座活動連接在第一軸導軌上,并能沿第一軸導軌的長度方向來回往復移動。

圖3 極弱磁位移測量裝置結構示意圖

1.3 第二軸無磁位移裝置

如圖3所示,設置在第一軸安裝座上的整體采用無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、兩根平行間隔設置的第二軸導軌、第二軸固定座、第二傳動絲桿和第二手輪,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,第二軸安裝座活動連接在第二軸導軌上,并能沿第二軸導軌的長度方向來回往復移動。

1.4 第三軸無磁位移裝置

設置在第二軸安裝座上的整體采用無磁材料制成的第三軸位移裝置見圖3。第三軸位移裝置包括第三軸安裝座、第三軸導軌、第三軸固定座、第三傳動絲桿和第三手輪,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,第三軸安裝座活動連接在第三軸導軌上,并能沿第三軸導軌的長度方向來回往復精確移動,第三軸固定座通過與第二軸安裝座之間設有用于加強連接穩(wěn)固性的加強連接支撐板。

1.5 極弱磁測試裝置傳感器夾持裝置及剩磁測試方法

磁測量傳感器通過無磁材料制成的傳感器夾持裝置固定在第三軸安裝座上。以工作臺所在平面為基準平面建立標準坐標系,所述第一方向為標準坐標系的X方向,所述第二方向為標準坐標系的Y方向,所述第三方向為標準坐標系的Z方向。本裝置通過在磁屏蔽艙三個方向上產生位移,不斷搜索符合測試要求的目標均勻區(qū),其特征在于包括如下步驟:

步驟1:將磁測量傳感器安裝在傳感器夾持裝置上,將整個裝置設置在磁屏蔽艙內;

步驟2:以磁屏蔽艙的幾何中心點為中心,以n×n×n為單元格間距,通過移動第一軸位移裝置、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)域內共計n×n×n個測量點的剩余磁場強度,分別記為Pix+,其中n和N均為正整數,單位為cm,N為n的倍數,i=1,2,…,n×n×n;

步驟3:將磁測量傳感器在與X軸和Y軸所在平面平行的平面內進行180°翻轉,然后再通過移動第一軸位移裝置、第二軸位移裝置和第三軸位移裝置,分別獲取上述n×n×n個測量點的剩余磁場強度,分別記為Pix-;

步驟4、將磁測量傳感器在與X軸和Y軸所在平面平行的平面內再進行90°翻轉,然后再通過移動第一軸位移裝置、第二軸位移裝置和第三軸位移裝置,分別獲取上述n×n×n個測量點的剩余磁場強度,分別記為Piy+;

步驟5、將磁測量傳感器在與X軸和Y軸所在平面平行的平面內再進行180°翻轉,然后再通過移動第一軸位移裝置、第二軸位移裝置和第三軸位移裝置,分別獲取上述n×n×n個測量點的剩余磁場強度,分別記為Piy-;

步驟6、將磁測量傳感器在與X軸和Z軸所在平面平行的平面內再進行90°翻轉,然后再通過移動第一軸位移裝置、第二軸位移裝置和第三軸位移裝置,分別獲取上述n×n×n個測量點的剩余磁場強度,分別記為Piz+;

步驟7、將磁測量傳感器在與X軸和Z軸所在平面平行的平面內再進行180°翻轉,然后再通過移動第一軸位移裝置、第二軸位移裝置和第三軸位移裝置,分別獲取上述n×n×n個測量點的剩余磁場強度,分別記為Piz-;

步驟8、通過如下公式計算N×N×N正方體區(qū)域內共計n×n×n個測量點的實際剩余磁場Mi:

步驟9:根據步驟7的計算結果,如果n×n×n個測量點的實際剩余磁場Mi均在預設范圍內,則將N×N×N正方體區(qū)域輸出為目標均勻區(qū),如果n×n×n個測量點的實際剩余磁場Mi中有某一個點的實際剩余磁場不在預設范圍內,則降低n值,重復步驟2-8,直至所有n×n×n個測量點的實際剩余磁場Mi均在預設范圍內,然后將得到的N×N×N正方體區(qū)域輸出為目標均勻區(qū)。

2 有限元計算分析

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

圖4 極弱磁測量裝置有限元模型

2.1 材料屬性

極弱磁測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 計算載荷

極弱磁測試裝置按垂直自重整備質量載荷工況考慮進行計算。

2.3 計算結果分析

如圖5,圖6所示,在極限位置情況下,極弱磁測試裝置的最大變形量為0.12 mm,最大應力為0.25 MPa,完全滿足設計要求。

圖5 垂直重力變形量

圖6 垂直自重應力

3 極弱磁測量裝置試驗

3.1 地磁環(huán)境測試

測試伊始,首先對磁屏蔽艙安裝環(huán)境的地磁場信息進行測量,測試現場圖片如圖7所示,天地、東西、南北向的地磁數據分別為:19 682 nT,4 617 nT,33 642 nT。

圖7 地磁環(huán)境測試

3.2 初始剩磁測量

將極弱磁測量裝置放置于磁屏蔽艙內,利用性能更加穩(wěn)定和準確的單軸磁通門傳感器,測試中按照理論均勻區(qū)大小在天地方向設置間隔為15 cm的5個測試平面。每個平面上按圖8所示的測試點位對目標區(qū)域內的剩磁進行測量。

圖8 剩磁測量點位分布示意圖

受磁通門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,每次測試時,首先對單軸磁通門傳感器偏置進行測量。測試時需要在同一個測試點將其翻轉180°,分別測得B+和B-,根據式(1)計算得到偏置磁場的大小

通過偏置測量,可計算得到單軸磁通門傳感器的偏執(zhí)為12.5 nT。隨后按照圖8所示的測試點位,對磁屏蔽艙的初始剩磁進行測試與數據總結,測試現場圖片如圖9所示。

圖9 磁屏蔽艙初始狀態(tài)測量

初始狀態(tài)下,在邊長0.6 m的立方體均勻區(qū)內,剩磁最大為37 nT,高于項目設定25 nT指標。以過中心點的三個軸線上剩磁數據為例,其變化趨勢如圖10所示,三個方向,磁場并未呈現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)隨著遠離門體梯度逐漸減小。南北方向(Y)則隨著靠近門體邊緣梯度受影響最大,成無規(guī)律變化。

圖10 過中心點三軸向磁場變化

3.3 消磁后剩磁測試

利用頻率為10 Hz,幅值振蕩衰減正弦信號輸入至7 796功率放大器,連接分布式消磁線圈后產生消磁電流。消磁線圈的阻抗在10 Hz頻率處經LCR表測試為0.6,消磁時峰值電流大于100 A,保證產生的磁場大于坡莫合金的飽和磁場。受輸入正弦信號偏置等的影響,實際消磁測試時針對線圈正接和反接分別進行消磁,以抵消偏置電流的影響。消磁時采用內層坡莫合金-外層坡莫合金-內層坡莫合金的順序對磁屏蔽艙進行消磁。消磁后,均勻區(qū)內剩磁最大值為6.2 nT,優(yōu)于項目設定的25 nT指標。以過中心點的三個軸線上剩磁數據為例,其變化趨勢如圖11所示,天地方向(X)和南北方向(Y)則隨著靠坐標位置變化在1 nT的測量精度內,可認為存在線性梯度變化。東西方向(Z)隨著遠離門體梯度逐漸減小。

圖11 消磁后過中心點三軸向磁場變化

3.4 主動磁補償線圈剩磁測試

在此基礎上,利用三臺直流補償電源(艾德克斯-IT6132B)結合緊貼在磁屏蔽艙外部的磁補償線圈開展磁補償性能測試,補償線圈如圖9中多匝紅色密繞線圈所示。天地方向線圈為30匝;東西方向為25匝;南北方向為27匝。調節(jié)時,以中心點三個方向的剩磁為依據,逐步增大補償電流,直至三方向磁場均小于1 nT,主要受限于磁通門傳感器偏置的測量精度。測試中首先對線圈常數進行測量,逐步增大直流電流值,同時測量該方向中心點以及+30 cm處的磁場變化,結果如圖12所示。

圖12 磁補償線圈常數測試

最終天地方向施加的補償電流為180 mA,東西方向施加的補償電流為80mA,南北方向施加的電流為120 mA。增加直流補償電流后均勻區(qū)內剩磁最大值為13.6 nT,集中于門體左側區(qū)域,受門體閉合完整性影響,此處磁場產生異常,其他區(qū)域補償效果明顯。以過中心點的三個軸線上剩磁數據為例,其變化趨勢如圖13所示,磁補償后,過中心點的三方向磁場變化近似關于中心點對稱。

圖13 磁補償后過中心點三軸向磁場變化

3.5 磁噪聲測試

針對磁補償前后磁屏蔽艙的磁噪聲進行測量,采用Quspin磁強計置于中心位置處記錄數據并作功率譜密度分析,磁補償前后磁噪聲變化不大,磁噪聲如圖14所示。補償前后,磁屏蔽艙的噪聲在20 Hz～100 Hz頻帶內達到15 fT/Hz1/2,達到Quspin傳感器的本底噪聲水平,同時施加磁補償后,未明顯提高磁屏蔽艙的低頻段磁噪聲。需要注意的是,磁噪聲測試中存在23 Hz以及27 Hz的異常峰,可能與環(huán)境振動、磁屏蔽艙共振等相關[15]。

圖14 磁補償前磁噪聲

4 結論

該研究主要針對為測量磁屏蔽艙內剩余磁場大小設計了極弱磁測量裝置,并且給出了具體的測量方法,最后進行了磁屏蔽艙內極弱磁測試。現得到如下結論:

(1) 基于磁屏蔽艙空間內極弱磁場工作環(huán)境的特點,通過整體選用無磁材料,設計了一種無磁三軸極弱磁測量位移裝置,通過優(yōu)化機械結構并同時對極弱磁三軸位移裝置極限位置進行變形量、應力分析,有效解決了結構本身有磁帶來的測量影響和由于結構變形產生的精度差技術難題,能使高精度磁場測量傳感器在極弱磁場工作環(huán)境下依然準確測量剩余磁場。并詳細介紹了其結構、功能作用,給出了位移測試方法,保證了測量的準確度。

(2) 通過三軸極弱磁位移裝置對磁屏蔽艙內空間剩磁大小進行測試,分別對初始剩磁測量、消磁后剩磁測量、主動磁補償線圈剩磁測試、磁噪聲測試,證明了所設計的極弱磁測量裝置的可行性。