一種用于磁場復現和屏蔽的磁干擾主動補償技術

張海波 翟晶晶 李 享 周昌劍

(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，湖北宜昌 443003)

1 引 言

環境磁干擾主要指由于車輛、電梯等磁性物體移動產生的低頻擾動磁場，以及電力線纜中50Hz/60Hz工頻及諧波電流產生的交流擾動磁場[1]。在梯度磁場復現系統[2]中環境磁干擾是影響復現磁場準確度及穩定度的重要因素，在磁屏蔽系統中環境磁干擾是影響屏蔽室內磁場噪聲功率譜的重要因素。

提出一種梯度磁場復現系統和磁屏蔽裝置的環境磁干擾主動補償方法，綜合前饋/反饋復合控制技術，可同時對三個分量的環境磁干擾進行分別閉環控制補償。采用的模擬控制器具有響應速度快、結構可靠等特點。

該方法已在“(10～100)μT/m梯度磁場標準裝置”、“低剩磁低噪聲磁屏蔽室”等計量裝置中應用，用于補償校準現場的動態磁干擾。經過補償后大大降低了環境磁場噪聲，為原子式磁強計梯度容差校準、磁屏蔽系數現場校準等提供穩定的磁環境，降低了裝置的測量不確定度水平。

2 磁干擾主動補償系統設計

2.1 方案設計

補償原理如圖1所示，低噪矢量磁傳感器放置在三軸補償線圈磁場均勻區，將測量到的環境干擾磁場轉化為電壓信號輸入到補償控制器中，并與目標磁場進行比較，通過反饋控制模塊產生補償信號，與前饋控制模塊產生的補償信號相加后輸入到補償線圈相應方向的繞組中，激勵補償線圈產生與波動磁場方向相反、大小相等的矢量磁場，抵消波動干擾，實現穩定的磁環境。

圖1 動態磁干擾補償結構框圖

補償過程中還可通過補償參數修正方法對補償電流中的直流偏置部分進行修正，以達到只對干擾磁場進行抵消，不影響復現磁場準確度的目的。

2.2 補償系統建模

磁干擾主動補償系統主要由目標磁場設置電路、磁場補償控制器、磁場線圈和磁通門傳感器構成。其中，磁通門傳感器用于測量線圈磁場內部環境磁場三分量、磁場補償控制器根據磁干擾信號實現產生相應的補償電流，環境磁干擾主動補償系統結構如圖2所示。

為了對磁干擾補償控制器的控制參數進行優化設計，以及對補償能力進行分析，需要建立控制系統數學模型。實際的主動磁場補償系統均為非線性，為了簡化設計，各個補償環節均采用線性化技術建立線性模型[3]。

以X軸為例進行建模，得到主動補償系統磁場補償控制器、磁場線圈、磁通門傳感器的傳遞函數結構圖如圖3所示。

圖3 環境磁干擾主動補償系統傳遞函數結構圖

影響該傳遞函數輸出的輸入量共有兩個，分別是目標磁場信號Ur(s)和環境干擾磁場Bd(s)，根據線性系統疊加原理[4]，分別求出每一個分量單獨作用時的輸出，然后再計算得到X方向磁感應強度。

2.3 補償參數優化

1)主動磁場補償系統穩定性

根據閉環系統穩定性判據，使主動補償系統穩定的充要條件是使系統特征方程(1)中T1，T2，KP，KI等各參數滿足式(2)和式(3)

T1T2s3+(T1+T2)s2+(K1K2KSWKP+1)s

+K1K2KSWKI=0

(1)

T1T2K1K2KSWKI-(T1+T2)(K1K2KSWKP+1)<0

(2)

K1K2KSWKI>0

(3)

2)主動補償系統對低頻干擾磁場補償能力

干擾磁場Bd(s)到系統輸出Bx(s)存在如下傳遞函數

(4)

采用頻率特性分析法，其頻率特性為

(5)

3)優化控制參數

根據系統穩定條件[5]設定PI控制器參數。比如：令KP=4.2，KI=-4200，代入其他參數值，可得

(6)

由式(6)可知，在角頻率60rad/sec(9.55Hz)以下，對干擾衰減-40dB；在角頻率6rad/sec(0.955Hz)，對干擾衰減-60dB，頻率越低衰減倍數越大。

2.4 參考電壓修正

考慮到在實際應用中，三軸補償線圈的尺寸不一，當補償線圈的尺寸較小時，補償傳感器安裝位置處與工作區的線圈常數不一致，可能導致補償電流存在直流偏置，影響補償磁場準確度。

為了確保補償動態干擾的同時，補償繞組不產生額外的恒定磁場影響工作區的參考磁場，其充分條件是補償繞組中補償電流的恒定分量為零，需要對目標磁場及控制電路的參考電壓進行修正。

(7)

式中：Ur——控制電路參考電壓；k2——補償傳感器靈敏度(磁場電壓轉換系數)；Br——目標磁場值；U0——補償傳感器零偏；θ——復現繞組磁軸與補償傳感器磁敏感軸的夾角。

控制電路參考電壓修正模型如下

(8)

式中：ksw——補償磁傳感器處補償繞組沿磁軸方向的線圈常數；if——補償繞組中的實際電流；i0——補償地磁場的偏置電流；k,U0——修正參數，這兩個參數既可以通過直接計算法獲得，也可以采用最小二乘參數估計的方法得到。

2.5 前饋/反饋復合補償

通過反饋控制模塊對車輛、電梯等磁性物體移動產生的磁干擾進行補償；同時通過前饋控制模塊對50Hz/60Hz工頻及諧波磁場進行補償，前饋控制模塊采用直接數字頻率合成電路[6]產生前饋磁場補償信號，該信號的通道數取決于所要補償的工頻諧波頻率個數。反饋控制信號和前饋控制信號在電壓電流轉換模塊中進行疊加，產生相應的電流激勵三軸補償線圈產生反饋補償磁場。

2.6 補償電流跟蹤

為了實現三軸補償線圈電流對補償電壓信號的實時跟蹤能力，在三軸補償線圈中串接標準采樣電阻，將采樣電阻兩端的差分電壓通過儀表放大器轉換單端信號，然后利用集成運放與補償信號做差值運算，通過模擬PID電路產生電流控制信號[7]，電流控制信號后加一級集成功率放大電路實現信號跟隨[8]，從而實現三軸補償線圈中電流對補償信號的實時跟蹤。

3 磁干擾主動補償系統驗證

3.1 磁場復現系統補償試驗

為了驗證在磁場復現系統中該磁干擾補償方法的補償效能開展測試，具體實施過程參照參考文獻[9]，系統連接如圖4所示。

圖4 磁干擾補償試驗系統連接圖

在該試驗中，使用磁干擾模擬線圈(螺線管線圈)和交流恒流源產生模擬干擾磁場，使用磁干擾補償線圈(圓形赫姆霍茲線圈)將補償電流轉換為補償磁場[10]；使用信號分析儀對磁場信號進行采集分析。按式(9)計算補償效能，補償效果見表1。

(9)

以上試驗同樣在1μT/m，10μT/m，40μT/m的梯度磁場下進行了驗證，試驗數據顯示補償效果沒有明顯變化，說明該補償方法同樣適用于梯度磁場下的動態磁干擾補償。

表1 0.5Hz～60Hz干擾磁場補償試驗Tab.1 0.5Hz～60Hz interference magnetic field compensation test頻率f/Hz干擾磁場補償前磁場幅值B/nT補償后磁場幅值B0/nT補償效能/dB0.51000.066411010.205721010.235351010.684381011.0939101011.3637201012.7431301014.1028401015.3825501016.9223601018.0522

3.2 磁場屏蔽裝置補償試驗

為了驗證在磁場屏蔽裝置中該磁干擾補償方法的補償能力開展了磁場補償效能，試驗系統如圖5所示，試驗方法與磁場復現系統中磁場補償系統測試方法相似，考慮到磁屏蔽室的各向異性，同樣需要在三個方向各典型頻點開展試驗。

圖5 磁屏蔽裝置中的干擾磁場主動補償試驗系統

分別在屏蔽裝置中心位置的南北方向、東西方向和垂直方向分別開展了主動磁屏蔽效能驗證試驗，試驗數據見表2。

4 結束語

針對梯度磁場復現系統和磁屏蔽裝置使用過程中環境干擾磁場對測量準確度的影響，提出了一套干擾磁場補償系統方案，對總體方案構架進行了介紹，并較為詳細地論述了補償系統模型、補償參數優化、參考電壓修正、前饋/反饋復合補償、補償電流跟蹤等技術。

基于該技術研制的主動磁場補償系統可對干擾磁場三個分量同步補償，試驗結果表明：梯度磁場復現系統中，干擾磁場主動補償系統可顯著提高

表2 磁屏蔽裝置中主動補償試驗Tab.2 Active compensation test in magnetic shielding device測試點位置測試頻點屏蔽室南北向屏蔽效能/dB主動補償后南北向屏蔽效能/dB屏蔽室東西向屏蔽效能/dB主動補償后東西向屏蔽效能/dB屏蔽室垂直向屏蔽效能/dB主動補償后垂直向屏蔽效能/dB磁屏蔽室中心0.012184239125870.132632479276515184307433671069924078467520679245775580496789567764761006981647368801000737784938289

磁場穩定性，降低了不確定度水平；在磁場屏蔽裝置中，極大提高低頻磁場屏蔽效能，抑制了低頻磁場噪聲。另外，該技術在動態磁環境模擬等領域也具有很好的應用前景。