不同類型螺線管無矩線圈的比較分析

中國船舶重工集團公司第七一○研究所 國防科技工業(yè)弱磁一級計量站 程華富 翟晶晶

1 引言

弱磁場傳感器及其測試技術，被廣泛應用于磁性目標探測、姿態(tài)測量、磁導航、彈道磁修正、艦船消磁等國防軍工領域和空間科學、地球物理、資源勘探、環(huán)境保護、生物醫(yī)療、航海、無損檢測等國民經(jīng)濟領域[1]，是目前最熱門的磁學測試技術研究領域。這些技術的研究和應用，一般都離不開弱磁場的復現(xiàn)。由于地磁場及環(huán)境干擾磁場的存在，目前一般采用在主動屏蔽（干擾磁場補償）或被動屏蔽（屏蔽室或屏蔽筒）的基礎上復現(xiàn)弱磁場[2]。其中最常用、最經(jīng)濟、最方便的方式就是在屏蔽筒內使用螺線管線圈復現(xiàn)弱磁場。

在使用普通螺線管線圈與屏蔽筒組合時，由于屏蔽層的高導磁性對普通磁場線圈的磁力線的改變，通常會帶來線圈常數(shù)的變化、磁場均勻區(qū)的變化、磁場的非線性、屏蔽筒的磁化等系列問題。為了降低和消磁這些因素的影響，國防科技工業(yè)弱磁一級計量站在國內最早開始研究和使用無矩線圈，其中目前推廣使用量最大的就是螺線管無矩線圈。

2 無矩線圈的原理

無矩線圈通過幾組子線圈按一定的幾何結構進行安裝，并通過改變各組子線圈的線圈匝數(shù)和電流方向，使組合線圈的總磁矩為零，線圈外部的磁場急速衰減[3]。

最常用的無矩線圈由兩個同軸螺線管線圈組成，兩個螺線管線圈的繞組相反串接，其工作空間內復現(xiàn)的磁場由外部和內部螺線管產(chǎn)生的磁場的差確定，線圈的磁矩接近為零[3]。

螺線管軸線上的磁場計算見公式（1）[4]。

式中，μ0為真空磁導率；W為繞組匝數(shù)密度；d為繞組外邊與中心點的距離，即螺線管半長；x為與中心點的距離；R為螺線管的半徑。通過兩個螺線管的組合，可以得到無矩線圈軸線上的磁場計算結果。

3 無矩線圈與普通螺線管線圈的比較

3.1 內部磁場非均勻性的比較

根據(jù)公式（1），以Φ180 mm×2.0 m普通螺線管線圈與同尺寸的無矩線圈為例，內部磁場均勻性比較表1。

表1 無矩線圈與普通線圈的內部磁場均勻性比較

表2 無矩線圈與普通螺線管的磁場衰減比較

從表1可以看出，在軸向50%區(qū)域內，無矩線圈的磁場非均勻性為0.01%，普通螺線管為0.6%；在軸向75%區(qū)域內，無矩線圈的磁場非均勻性為0.3%，普通螺線管為3.7%。在同等區(qū)域內，無矩線圈的磁場均勻度具有明顯的優(yōu)勢，意味著同樣均勻區(qū)和均勻度要求時，采用無矩線圈結構可以有效減少線圈的長度。

3.2 外部磁場衰減的比較

根據(jù)公式（1），還以Φ180 mm×2.0 m普通螺線管線圈與同尺寸的無矩線圈為例，外部磁場衰減比較表2。

從表2可以看出，無矩線圈在外部磁場衰減方面均明顯優(yōu)于同尺寸的普通螺線管，且距離端口越遠，相對優(yōu)勢越明顯。意味著相同尺寸時，無矩線圈可以大幅降低與屏蔽層間的相互作用。

4 不同類型螺線管無矩線圈的比較分析

4.1 不同長徑比無矩線圈的內部磁場非均勻性

假設無矩線圈的內徑為100 mm、外徑為150 mm（即內外徑之比固定為2:3），分別比較內螺線管長為150 mm、200 mm、300 mm、500 mm、1000 mm、1500 mm和2000 mm（對應長徑比分別為1.5、2、3、5、10、15和20）的無矩線圈內部磁場非均勻性和外部磁場衰減。

為了方便比較，與中心和端口的距離采用相對量，即分別以內螺旋管的半長和半徑作為參考。

表3 不同長徑比無矩線圈的內部磁場非均勻性

從表3可以看出，隨著長徑比的增加，無矩線圈內部磁場非均勻性逐步減少。隨著與中心點距離的增加，無矩線圈內部磁場非均勻性隨長徑比增加的相對減少速度優(yōu)勢雖然呈下降趨勢，但在90%l內部空間之內依然比較明顯，如長徑比為20時的非均勻性僅為長徑比為1.5時的二十分之一左右。隨著長徑比的增加，無矩線圈端口處的磁場越來越接近中心點的50%，向普通螺線管線圈趨近。

4.2 不同長徑比無矩線圈的外部磁場衰減

假設采用與4.1中相同結構尺寸的無矩線圈，以內螺線管半徑做參考時，相同直徑、不同長度的無矩線圈外部磁場衰減仿真計算結果，見表4。

從表4可以看出，如以內部螺線管半徑作為參考，無矩線圈外部磁場衰減速度的絕對值隨著長徑比的增加變化較小，且隨著距離端口的增加，衰減量的差異在逐步減小。

距離為1.0R時，無矩線圈長徑比在1.5～20之間外部磁場相對中心點的衰減差異為4%，當距離為2.0R時衰減差異減小為1%，距離3.0R時衰減差異減小為0.3%，距離5.0R時衰減差異減小為0.05%，距離7.0R時衰減差異減小為0.01%，距離10R時衰減差異盡為0.002%。

表4 不同長徑比的無矩線圈外部磁場衰減比較

4.3 不同內外徑比無矩線圈的內部磁場均勻性

以長徑比為10的無矩線圈來研究不同內外徑比無矩線圈的內部磁場非均勻性，取內外徑比分別為0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4六種情況進行仿真計算。不同內外徑比無矩線圈的內部磁場非均勻性仿真計算結果見表5。

表5 不同內外徑比無矩線圈的內部磁場非均勻性比較

從表5可以看出，不同內外徑比的無矩線圈，隨著內外徑比的增加，內部磁場非均勻性逐步減少。以50%l內部空間為例，內外徑比為0.4時內部磁場非均勻性為0.042%，內外徑比增加到0.5時非均勻性減少為0.028%，內外徑增加0.6時非均勻性減少為0.020%，內外徑比增加到0.7時非均勻性減少為0.015%，內外徑比增加到0.8時非均勻性減少為0.011%，內外徑比增加到0.9時非均勻性減小為0.009%。

隨著內部空間比例的增加，不同內外徑比引起的無矩線圈內部磁場非均勻性差異呈減小的趨勢，0.4l空間時內外徑比0.9與0.4的相對差異約為6倍，0.6l空間時相對差異減少為4.5倍，0.8l空間時相對差異減少為3倍，0.9l空間時相對差異減少為2倍，1.0l空間時相對差異已不到3%。

4.4 不同內外徑比無矩線圈的外部磁場衰減

同樣以長徑比為10的無矩線圈來研究不同內外徑比無矩線圈的外部磁場衰減，取內外徑比分別為0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4六種情況進行仿真計算。不同內外徑比無矩線圈的外部磁場衰減仿真計算結果見表6。

表6 不同內外徑比無矩線圈的外部磁場衰減比較

從表6可以看出，不同內外徑比的無矩線圈，隨著內外徑比的增加，外部磁場衰減逐步加快。以5R距離為例，內外徑比為0.4時外部磁場衰減為0.21%，內外徑比增加到0.5時外部磁場衰減為0.15%，內外徑增加0.6時外部磁場衰減為0.11%，內外徑比增加到0.7時外部磁場衰減為0.083%，內外徑比增加到0.8時外部磁場衰減為0.065%，內外徑比增加到0.9時外部磁場衰減為0.052%。

隨著與端口距離的增加，內外徑比增加引起的外部磁場衰減的相對速度也在增加。距離1.0R時內外徑比0.9與0.4的衰減比例為1.6倍，距離2.0R時衰減比例增加到2.7倍，距離5.0R時衰減比例增加到4.1倍，距離10.0R時衰減比例增加到4.7倍。

5 結束語

從以上分析可以看出，無矩線圈的內部磁場更均勻，外部磁場衰減非?？?。在屏蔽筒內使用時，可以將磁屏蔽層與線圈復現(xiàn)磁場之間相互影響降低至可忽略的程度。

國防科技工業(yè)弱磁一級計量站自開發(fā)成功無矩線圈后，近五年為中科院、高校、航天、航空、船舶、兵器、地質、海洋等行業(yè)的二十多家單位提供了數(shù)十套無矩線圈系統(tǒng)，這些無矩線圈在武器裝備科研生產(chǎn)和國民經(jīng)濟建設等軍民融合領域發(fā)揮了很好的計量保障作用。