用于艦船磁性測試的磁場環境模擬技術

張修志,宋新昌

(中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所,湖北宜昌443003)

0 引言

鋼鐵建造的艦船在地磁場的作用下被磁化，形成艦船磁性。艦船磁性有固定磁性和感應磁性2種，固定磁性在一定時期內是不變的，而感應磁性則隨地磁場變化[1-3]。要區分艦船的固定磁性和感應磁性最好的辦法就是在零磁空間中進行測量。零磁空間的實現有磁屏蔽和磁場線圈2種方法。磁屏蔽由于受軟磁材料特性的限制，一方面，不可能實現絕對的零磁空間，另一方面，被測目標的固定磁性會擾亂磁屏蔽室的磁場分布情況，測出來的數據不能真實地反映出被測目標固定磁性的磁場分布。而磁場線圈可以解決上述2個弊端，因此在艦船、衛星磁測領域被廣泛應用。

1 大型磁場線圈

磁空間技術是在設計的空間范圍人造磁場[4]。現階段，人為營造的均勻磁空間形狀基本上都是球形區域或者正方體區域，例如[5-7]：1)北京衛星環境工程研究所建于懷柔地區的CM 1磁環境模擬試驗設備，主線圈系統為木制立方體線圈結構，三軸四線圈系統威德里希線圈形式，最大線圈邊長4m，均勻區直徑 500 mm，穩定度優于1nT/h，可提供零磁場-50 000～50000nT的恒定磁場和航天器在軌飛行所經歷的實時磁場，模擬誤差小于10 nT。2)北京衛星環境工程研究所建于唐家嶺地區的CM 2主線圈室，高18.8 m，半地下結構，地下室深6.8 m，全部采用無磁建材建造，為無磁建筑。CM 2磁環境模擬試驗設備在x、y、z方向補償地磁場，在線圈系統中心形成衛星磁試驗所要求的零磁場環境和可控磁場環境，線圈系統為鋁材質方型三軸四線圈系統，最大線圈邊長16 m。CM 2主線圈系統中心2.5 nT磁場均勻區直徑為2.5 m，磁場穩定度為±1.5 nT/h，直流磁場為0～60 000 nT，0.01～ 16 Hz的交流磁場為 0～60 000 nT。

艦船的長徑比一般較大，假設營造的均勻磁空間是球形區域或者正方體區域，顯然不太合適：一是增加建筑物的面積，二是增加建造成本。設計成大長徑比的勻強磁場空間是比較經濟的做法。現階段，對大長徑比勻強磁場空間的設計少有報道，本文主要闡述了此問題的研究方法及設計結果。

2 技術指標及線圈結構

2.1 技術指標

1)三維磁場，在Ф2 m×24 m的區域內非均勻性為±5%；

2)60 A產生±100μT的磁場；

3)均勻區中心線距地面1.2 m；

4)線圈位置避開門窗區域。

2.2 指標分析

在Ф2 m×24 m的區域內非均勻性要求為±5%，長徑比達到12，如果采用正方形線圈或長方形線圈的形式，則線圈的幾何尺寸比較大，并且在限定的線圈安裝區域內，技術指標不能滿足±5%的要求，因此必須采用組合線圈的形式。

2.3 線圈結構

圖1 線圈示意圖Fig.1 Schematic diagram of coils

綜合考慮建筑的結構和對均勻區大小及均勻性的要求，通過優化設計，線圈的示意圖如圖1所示，結構參數及技術指標設計值如表1和表2所示。

表1 線圈結構參數Table 1 Structure parameters of coils

表2 技術指標設計值Table 2 Design values of technical indicators

由表2可知：線圈常數和均勻區中的非均勻性均滿足技術指標的要求，并且留有足夠的余量。

3 仿真分析

以技術指標設計值中非均勻性最大的垂向繞組為例，仿真分析整個均勻區內的非均勻性分布形狀，結果如圖2及圖3所示。

圖2 均勻區中心垂面非均勻性Fig.2 Heterogeneity of vertical plane in center of uniform area

圖3 均勻區中心平面非均勻性Fig.3 Heterogeneity of parallel plane in center of uniform area

由圖2和圖3可知：對于垂向繞組，在整個Ф2 m×24 m的區域內非均勻性滿足技術指標中的要求，最大值為3.27%，分布在圓柱體兩底面的邊緣點上。

4 測試方法

對安裝后的繞組線圈進行測試，具體步驟如下：

1)用卷尺測量確定每個測量點的位置。

2)連接儀器，將標準磁強計(GSM-19)探頭放置在被檢磁場線圈均勻區中心。

3)記錄標準磁強計在穩流源未輸出時的示值B0。

4)穩流源輸出時，記錄標準磁強計的示值B+。

5)將穩流源輸出的電流值大小保持不變，方向反向，記錄標準磁強計的示值B-。

6)按公式(1)計算線圈常數

式中：KBx為被檢磁場線圈的線圈常數，nT/A；B+為穩流源正向輸出時標準磁強計的讀數，nT；B-為穩流源反向輸出時標準磁強計的讀數，nT；B0為穩流源未輸出電流時標準磁強計的讀數，nT；I為電流值大小，A。

7)對于其他測量點重復4)、5)、6)測量。

8)按公式(2)計算每個測量點上的線圈常數值與均勻區中心點線圈常數的相對差值

式中：ΔKBi為被檢磁場線圈第i點的線圈常數與均勻區中心點的相對差值；KBi為被檢磁場線圈第i點的線圈常數，nT/A；KB1為被檢磁場線圈均勻區中心點的線圈常數，nT/A。

9)取最大值為磁場均勻度。

10)電流源輸出為最大時，看所產生的磁場能否滿足技術指標中所規定的磁場強度。

5 測試結果

線圈的測量結果如下：

表3 線圈測試結果Table 3 Test results of coils

對比表2和表3可知：1)無論是線圈常數還是非均勻性，實測值均滿足技術指標的要求，其中設計值和實測值有稍許偏差，這可能是由線圈橋架的安裝誤差或測試過程中傳感器探頭位置不固定等原因造成的；2)在線圈邊長39 m的情況下，實現了24m的長度內非均勻性達到3.68%，均勻區長度和線圈邊長的比值達到61.5%，與傳統的亥姆霍茲線圈[8-9]相比(理論值非均勻性為3.7%的情況下，均勻區長度和線圈直徑的比值為27%)大大提高了均勻區的范圍。

6 結束語

本文結合艦船磁性測試的特點，使線圈位置避開建筑物門窗，優化設計了大長徑比的零磁空間磁場線圈，實測結果表明：在Ф2m×24m的區域內磁場強度達到±100 000 nT、非均勻性為3.7%，節約了制造成本，對大長徑比零磁空間的設計過程具有一定的指導意義。