某型一體化磁接收器批生產的計量保證方法研究

中國船舶重工集團公司第七一〇研究所 國防科技工業弱磁一級計量站 王 芬

1 概述

某型一體化磁接收器（以下簡稱磁接收器）是某型水雷裝備的核心部件之一，其主要組成是一個三分量磁通門傳感器，主要功能是接收目標磁場信號，并進行處理分析，以完成對目標打擊的綜合判斷。在產品技術要求中規定，主要參數包括靜態噪聲、零偏、靈敏度等。對磁接收器的最終檢驗，其核心就是參照磁通門傳感器的計量特性要求進行參數校準，并依據結果進行合格判定。

2 原有的檢測方法

磁接收器批生產、檢驗中使用的主要檢測設備包括三軸磁場線圈、穩壓電源、三自由度無磁安裝臺、磁屏蔽筒等。通過測量磁接收器在磁屏蔽筒中的示值得到零偏，并取其示值的最大波動得到靜態噪聲；通過比較磁接收器的電壓輸出與三軸磁場線圈產生的磁場，得到靈敏度，見公式（1）。

式中：k——磁接收器靈敏度；U——磁接收器的輸出電壓；KB——三軸磁場線圈的線圈常數；I——通過三軸磁場線圈的電流。

按產品技術要求，生產過程中的主要檢測項目包括磁芯的磁特性、探頭感應線圈的電阻等。其中磁芯的磁特性采用抽檢方式，參照GB/T 13012-2008《軟磁材料直流磁性能的測量方法》中的方法，對矯頑力、飽和磁感應強度、剩余磁感應強度、最大磁導率等參數進行檢測。探頭感應線圈的電阻采用全樣檢測，通過繞組電阻判定繞組匝數是否符合規定的要求。

3 存在的問題與原因分析

2007年底，生產部門按產品生產工藝生產出第一批磁接收器后，發現最終合格率不到40%。2008年初，生產部門邀請國防科技工業弱磁一級計量站（以下簡稱弱磁一級站）對其生產、檢測過程進行系統查找、分析，最終我們歸納出以下問題。

3.1 磁環境條件未按磁通門傳感器校準要求進行約束

磁接收器在研制過程中，曾作為磁通門傳感器送國防弱磁一級站進行校準，校準結果滿足產品技術條件要求。作為在地磁場范圍內工作的磁傳感器，對校準的磁環境條件有嚴格要求，一般要求工頻干擾磁場不大于10nT，低頻（10 Hz以下）干擾磁場根據不同準確度等級要求不大于0.1nT～10nT[1]。根據磁接收器的靈敏度等技術要求，低頻干擾磁場應不大于10nT。

磁接收器生產部門由于缺少磁環境監測設備，以及無磁實驗室，因此將檢測設備放置在市區的一普通實驗室內。通過對該實驗室的現場磁環境監測，發現其工頻干擾最大可達26nT，低頻干擾磁場最大可達22 nT，均超出磁接收器作為磁通門傳感器的校準要求。

3.2 檢測設備未經計量確認，配置不合理

靈敏度檢測用的三軸磁場線圈、穩壓源等設備，作為單臺儀器，雖均經計量技術機構檢定/校準，但在使用中，未實際要求進行計量確認。

a）以三軸磁場線圈的線圈常數校準結果不確定度替代了復現磁場的不確定度，未考慮電流、均勻區等其它不確定度來源。

b）穩壓源在本裝置中作為電流源使用，用電壓的穩定性替代了電流的穩定性。

通過對穩壓源輸出電流的測量，發現電流波動在3mA左右，對應三軸磁場線圈X軸的線圈常數105μT/A，其磁場噪聲可超過300nT，按地磁場50μT估算，磁場噪聲影響量已達0.6%，該影響量已不能忽略。

3.3 磁屏蔽筒未納入計量器具管理

由于目前缺少磁屏蔽筒的計量技術規范，加上對磁屏蔽的工作原理缺少深入理解，生產部門將磁屏蔽筒僅僅作為一種工裝處理，未納入計量器具管理，也未對其剩磁等參數進行校準。

按磁屏蔽筒的技術要求，在蓋上屏蔽蓋且進行消磁處理后，其內部剩磁不大于10nT。該屏蔽筒在研制完成后內部剩磁經驗收合格。但在實際使用中，多數時候未蓋上屏蔽蓋，每次使用也未進行消磁。經測試，磁屏蔽桶在未蓋屏蔽蓋時的剩磁可達30nT，若按磁接收器的靈敏度50μV/nT估算，可以產生1.5mV的零偏，按5 mV的判定標準，該影響量已不能忽略。

3.4 磁芯的檢測方法存在缺陷

磁接受器的磁芯選用高磁導率、高矩形比、低飽和磁感強度、低矯頑力、低磁滯伸縮的非晶態磁性材料細絲。根據產品特點，使用振動樣品磁強計進行測試需要制樣，是一種破壞性測試，因此只能進行抽樣檢測。該產品使用前經抽樣檢測合格。但由于熱處理過程不均勻可能導致磁芯磁特性不一致，以及裁剪成使用長度時的外力影響，可能出現抽樣檢測合格、實際使用的材料部分不合格。

通過將一批裁剪后的單根磁芯逐個放入同一線圈內測試，發現有35%左右的磁芯的靜態噪聲偏差超出規定范圍。

3.5 過程檢測設置不合理

通過對產品檢測流程的清理，發了檢測流程有不合理的地方：按原有檢測流程，按先安裝柱、后線圈、最后磁芯的順序進行。由于安裝柱的檢測需要在灌膠固定之后（內部有磁芯）才能進行，如果后續發現磁芯不合格，就需要將整改安裝柱（連同磁芯）一起更換。如前所述，磁芯的不合格率較高，將磁芯放在最后一步檢測，就會造成最終合格檢測合格率偏低。

4 解決措施

4.1 優化檢測流程，增加磁芯、線圈等過程檢測

針對過程檢測流程設置不合理，根據實際情況，對其進行優化調整，將“先安裝柱、后線圈、最后磁芯”的檢測順序，調整為“先磁芯、后線圈、最后安裝柱”。調整前后的檢測流程比較見圖1。

圖1 調整前后的檢測流程比較

4.2 用穩流源替代穩壓源

針對穩壓源電流噪聲較大的問題，用具有穩流模式輸出的電流源替代穩壓源。更換后的電流源的電流噪聲在0.5mA左右。對應三軸磁場線圈X軸的線圈常數105μT/A，其磁場噪聲在50 nT左右。若按地磁場50μT估算，磁場噪聲影響量為0.1%，該影響量可以忽略不計。

4.3 將磁屏蔽筒納入計量器具管理，并改進零偏測試方法

將磁屏蔽筒納入計量器具管理，定期測量其內部剩磁。針對內部剩磁不能忽略的問題，將零偏的測試方法由直接測量改為正方兩次測量取平均的方式，以減少內部剩磁的影響。即將磁接受器的探頭放入磁屏蔽筒內，記錄為正向零點輸出，然后將磁接收器的探頭旋轉180°，記錄為方向零點輸出，按公式（2）計算零偏[1]。

式中：δU——磁接收器的零偏；U+——磁接收器在磁屏蔽筒內的正向零點輸出；U－——磁接收器在磁屏蔽筒內的正向零點輸出。

通過該方法，可以將磁屏蔽筒內部剩磁的絕大部分抵消，其對測量結果的主要影響降至磁屏蔽筒剩磁的梯度部分。在開蓋的情況下，磁屏蔽筒工作區剩磁的梯度不大于3nT，按磁接收器的靈敏度50μV/nT估算，噪聲不大于0.15mV。按5mV的判定標準，該影響可忽略不計。

4.4 完善磁芯檢測/篩選方法

將磁芯的檢測分兩個步驟進行，在已有磁芯磁性參數的抽樣檢測基礎上，增加裁剪后的磁芯檢測步驟。即做作一個不含磁芯的標準磁通門傳感器，將所需磁芯逐個放入標準磁通門傳感器的線圈內，測量其在磁屏蔽筒內的噪聲。其中不含磁芯的標準磁通門傳感器自噪聲為0.03mV；所用磁屏蔽筒的磁場噪聲不大于0.1nT，按磁接收器的靈敏度50μV/nT估算，噪聲不大于0.005mV。按5mV的判定標準，兩者的自噪聲完全可忽略不計。

通過該方法，根據多年的數據統計，剔除了35%左右的不合格磁芯。

4.5 更換檢測單位和檢測環境

針對生產部門自身磁場磁環境不滿足要求的現狀，經協商，磁接收器與磁學相關的所有檢測工作委托弱磁一級站進行。弱磁一級站的儀器設備及環境條件完全可以滿足磁接收器檢測的要求。其中無磁實驗室內：

a）工頻干擾磁場不超過5 nT；

b）補償前的低頻干擾磁場不超過2 nT；

c）補償后的低頻干擾磁場不超過0.1nT。

5 實際效果

按照新優化后的磁接收器批生產計量保證方案實施，從2008年至今，弱磁一級站共協作生產部門完成了20多批次的磁接收器的生產、檢測，其過程合格率達到80%以上，最終交付產品合格率達到100%。

根據磁接收器計量保證中缺少部分方法標準的現狀，我們還編制了兩份技術規范，并于2010年以企業標準的形式發布實施，分別是Q/710J 0602-2010《直流磁屏蔽裝置屏蔽性能測試方法》、Q/710J 0604-2010《環境磁場測量方法》。

[1]程華富.JJF1519-2015磁通門磁強計校準規范[S].北京:中國計量出版社,2015.