磁暴監測系統相對測量組件設計與實現

賀永亮

（中電科儀器儀表（安徽）有限公司，安徽 蚌埠 233010）

0 引 言

磁暴是指太陽活動異常時，其拋射物質形成激波，當激波掃過地球時，磁層被突然壓縮，造成地球磁場異常變化。磁暴是一種全球性的地磁現象，是全球同時發生的強烈地磁干擾。磁暴能對空間各類飛行器、無線電通信、輸電網絡、導航、制導以及高鐵電氣系統等造成巨大的破壞性[1]。由于不同磁暴的類型、持續時間和強度存在較大差異，因此需要在對相當長時期的各種數據積累、分析的基礎上，采用系統辯識、人工神經網絡等非線性數學方法進行磁暴建模機理研究[2]。磁暴監測系統通過對地磁總場和三分量變化的連續監測，識別出當前磁暴的級別并預測磁暴的發展趨勢。地磁總場的測量可使用專門的絕對測量探頭（OVERHAUSER）。三分量的測量（相對測量）范圍較寬，且需要覆蓋地球磁場測量范圍，因此選用具有較高分辨率和較小體積且可測量直流和交變磁場的三分量磁通門作為相對測量組件的傳感器。

1 原理基礎

在鐵芯上纏繞一對線圈，激勵線圈和感應線圈。由法拉第電磁感應定律可知，感應線圈上將產生感應電勢，據此可推導出變壓器效應的數學模型。激勵磁場強度的變化會引起鐵心磁導率的變化，此時感應電勢中就會出現隨環境磁場強度而變的偶次諧波增量[3]。當鐵芯工作在周期性過飽和狀態時，感應的偶次諧波會明顯增強，這就是相對測量組件工作的基本原理。

測量地磁場H、D、Z這3個分量的原理類似。圖1是一個分量的測量原理。待測的磁場變化由傳感器檢測，經放大、解調后進行積分、濾波，得到與磁場大小成正比的直流電壓信號。考慮到溫度的變化會使測量結果產生飄移，增加了溫度補償功能。補償后的電壓信號由AD數字化后通過外部接口進行輸出。

2 相對測量組件設計

2.1 磁通門傳感器

磁芯是磁通門傳感器的關鍵部件，其直徑及厚度會對傳感器的噪聲性能產生影響，同時線圈匝數和單匝厚度與噪聲和感應電壓也存在密切關系[4]。磁通門傳感器由環形磁芯、激勵線圈和感應線圈組成。環形磁芯是在磁性很小的合金骨架上纏繞玻莫合金薄帶，然后經高溫退磁處理后形成，是傳感器的敏感元件。為了提高傳感器的信噪比，減小玻莫合金薄帶的匝數、寬度。考慮到熱脹冷縮的影響，骨架以及玻莫合金的熱膨脹系數應盡量一致。

圖1 相對測量組件原理

2.2 傳感器噪聲性能的驗證

周圍環境有磁場存在。為了測試傳感器的噪聲性能，需將傳感器放置在零磁空間的標準線圈中，使傳感器在零場下工作[5]。用短路電流的方法檢測傳感器輸出的所有偶次諧波。通過對記錄曲線的計算考察傳感器的峰峰值噪聲。測試樣品的峰峰值噪聲約為0.05 nT，能夠滿足需要的噪聲指標。

2.3 地磁基本場補償

地磁場H、Z分量的變化范圍可達±65 knT，項目分辨率指標要求優于0.01 nT。為了不降低靈敏度，必須對H、Z分量進行補償來抵消外磁場，使傳感器工作在零場附近[6]。地磁基本場補償是磁通門設計的一項關鍵技術。系統選用OVERHAUSER探頭測量地磁基本場，并反饋到補償電流源，對傳感器進行補償。相對測量組件探測經補償后的地磁場變化，送主控單元進行處理。傳感器檢測模塊采用兩個通道，以消除因換檔引起的誤差。如果相對測量通道出現飽和，則說明補償不夠，會使相對測量通道偏離零場。這時應再次檢測地磁基本場，重新對傳感器進行補償。

2.4 激磁電路設計

激磁電路對磁通門傳感器的性能有很大影響，因此在設計時要給予特別的考慮。首先，頻率穩定性。激磁電源頻率的變化不僅引起磁通門探頭靈敏度的變化，而且使探頭信號頻率偏離各濾波環節的中心頻率，從而引起增益的變化。其次，電壓幅值穩定性。激磁電源電壓幅值的變化將導致探頭激磁磁場強度幅值的變化，因而靈敏度將隨之變化[7]。最后，波形穩定性。激勵電源電壓波形無論是正弦波、方波還是三角波，波形不穩定都將引起鐵心飽和角發生變化。由磁通門探頭數學模型可知，它會導致探頭靈敏度發生變化。基于上述要求，為了得到一個穩定的、比較純凈的正弦波，使用晶體主振電源電路，并采用正弦波激磁。頻率源由晶體振蕩器和計數器組成。激磁頻率的選擇是很重要的一項工作，不僅關系鐵芯達到飽和的難易，而且關系到鐵損的大小。從計數器出來的信號還需經濾波處理，設計中采用的是帶通濾波電路。一般情況下，用一階濾波很難得到理想的波形，因此采用二階帶通有源濾波器。從濾波器出來的正弦信號不足以使激磁線圈達到飽和，因此還需經過功率放大。功率放大電路是激磁電源電路的關鍵組成部分。為防止輸出包含直流成分，采用軌至軌運算放大器作為驅動級的推挽式互補型功率放大電路。為使激勵線圈流過一波形較好的正弦波電壓，引入了負反饋電路，同時該電路也起到穩定工作點、放大倍數和減小失真的作用。這樣可在輸出端獲得一正弦信號，來驅動磁通門傳感器的激勵線圈。

3 測試結果與分析

磁暴監測系統相對測量組件是測試地磁場的變化。測試其性能時，不能受到外界磁場的干擾[8]。因此，磁暴監測系統相對測量組件的測試需在零磁空間環境下進行。所需的儀器設備主要包括零磁屏蔽裝置、高精度恒流源、信號發生器以及六位半數字電壓表等，測試框如圖2所示。

圖2 磁暴監測系統相對測量組件測試框圖

3.1 噪聲水平

噪聲水平是反映相對測量組件在外磁場為零時探頭本身的固有噪聲。磁暴監測系統要求噪聲水平小于0.1 nT（RMS）。

測試步驟如下：（1）按要求連接測試系統，打開系統電源；（2）標準線圈不加電流（此時零磁空間內部剩余磁場應小于20 nT）；（3）連續讀取100 s的秒數據，分成10組。

計算每一組數據的RMS值，再計算算術平均值，結果即噪聲水平。測試數據及處理結果見表1。

從表1可以計算出RMS平均值即噪聲水平為0.04 nT，滿足磁暴監測系統項目要求的0.1 nT的要求。

3.2 非線性度

非線性度是相對測量組件探頭對輸入磁場響應的偏離程度。測試選取13個檢定點，分別為0 nT、±400 nT、±800 nT、±1 200 nT、±1 600 nT、±2 000 nT、±2 400 nT。磁暴監測系統項目要求非線性度小于5‰。

測試步驟如下：

（1）按要求連接測試系統，打開主機電源；

（2）標準線圈通電，加約50 knT的磁場；

（3）調整探頭的方向和所加磁場方向一致；

（4）按上述的檢定點加標準磁場，記錄探頭的讀數。

測試數據及處理結果見表2，所用標準線圈的常數K=152.364 7 nT/mA。

表2中，磁場單位均為nT，電流單位為mA。標準磁場是線圈常數和線圈電流的乘積；讀數誤差是探頭讀數減去標準磁場，再扣除零點誤差。非線性度為讀數誤差/標準磁場×1 000‰。可以看出，在全部檢定點，非線性度均優于5‰的要求。

4 結 論

根據磁通門傳感器的工作原理，完成了磁暴監測系統相對測量組件的設計。按照二次諧波檢測方法設計了相關的檢測電路。為了縮小相對測量組件的尺寸，提高性能指標，給出了噪聲與退磁系數的關系、感應電壓與磁芯幾何尺寸的關系以及磁芯匝數和單匝磁芯的厚度參數。設計完成后，在零磁空間實驗室對其各項指標進行測試。測試結果表明，采用所提方法設計的磁暴監測系統相對測量組件完全能夠滿足項目要求。

表1 噪聲水平測試數據（單位：nT）

表2 非線性度測試數據