低频微弱磁场测量仪校准装置研究

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1、2016年6月宇航计测技术J帅．，2016第36卷第5期JoumalofAstmnauticMetrolog)randMeasurementV01．36，No．5文章编号：1000—7202(2016)05—0019—05中图分类号：唧72文献标识码：A低频微弱磁场测量仪校准装置研究程华富(中国船舶重工集团公司第七一。研究所；国防科技工业弱磁一级计量站，宜昌443003)摘要本文介绍了低频微弱磁场测量仪校准装置的系统组成、工作原理及各主要组成部分，分析了校准装置的不确定度主要来源，给出了试验验证结果，并提出了后续研究的方向。关键词微弱磁场校准装

2、置磁屏蔽无矩线圈Research仰CalibrationDe订ceforLow·frequencyWeakMagmticMe淞uringh埘删ntCHENGHua．fu(No．710R＆DInstituteofCSIC；lstcl鹊sweaI【ma印eticmeterings切时onofNDM，Yich明g443003，CM触)Abs咖ctThisp印erdescribestllecomposition，workingprinciple锄dmaincompDnentsofthecali-brationdeviceforlow-f奴luencyw

3、eal【瑚印eticme嬲uringinstmment锄d锄aly搬thesourcesofuncenain。tyoftllecalibrationdevice．Anditpresentsthetesting锄dverificationresultsarIdproposestlIeresearchdi_rectioninf．uture．Keyw叫如Weakma弘etic6eldCalibrationdeviceMagn“cshieldingNon-眦Imentcoil1引言在弱磁计量测试领域，低频微弱磁场一般是指磁场不大于1心、频率不大于10k

4、Hz的交变磁场。测量该范围磁场的仪器统称低频微弱磁场测量仪，最典型的仪器是感应式磁强计(许多场合也称为感应线圈棒)。磁通门磁强计、磁阻磁强计等常用弱磁场测量仪器的测量下限也可部分覆盖低频微弱磁场的范围；另外，交流超导量子干涉仪(SQuID)、磁电效应磁强计等磁强计也可测量低频微弱磁场，但目前实际工程应用案例还很少【l，2J。以感应式磁力仪为代表的低频微弱磁场测量仪广泛应用于水下长波通讯、空间磁场探测、水中磁性目标探测、水下警戒与安全防护、地质勘探等领域。2'3J。在国防科技工业弱磁一级计量站开展低频微弱磁场测量仪校准装置研究前，国内存在测量范围

5、下限、磁场噪声、工作区空间、准确度等方面均无法满足低频微弱磁场测量仪校准的问题HJ。2低频微弱磁场测量仪校准装置2．1系统组成与工作原理低频微弱磁场测量仪校准装置主要由低频磁场收稿日期：2016—0r7—17。修回日期：2016—10一25作者筒介：程华富(1981．02一)，男，高级工程师，主要研究方向：磁学计量测试技术。宇航计测技术2016年屏蔽筒、无矩线圈、交变电流源及电流测量与控制系统等部分组成，如图l所示：图l系统原理框图图l中装置工作原理：磁屏蔽筒用于屏蔽外界干扰磁场，为低频微弱磁场测量仪校准提供低磁干扰的空间；无矩线圈用于复现10

6、Hz一10kHz、lnT—l一的交变磁场；信号发生器与功率放大器组成交流电流源，提供磁场激励电流；交直流分流器与交流电压表组成电流测量系统，用于测量通过无矩线圈的电流。将低频微弱磁场测量仪探头放置在低频磁屏蔽筒内，可直接进行噪声的校准；将无矩线圈放置在低频磁屏蔽筒内，可进行低频微弱磁场测量仪探头灵敏度、频响特性的校准。2．2低频磁屏蔽筒2．2．1屏蔽效能的理论计算单层直流屏蔽系数近似计算见公式(1)，磁屏蔽系数K与材料的导磁率灿、材料的厚度￡成正比，与屏蔽腔体积成反比一5

7、。K=等+1(1)式中：卜磁屏蔽系数；弘——材料导磁率；卜一材料厚度；卜

8、屏蔽腔体积。对于交变磁场，除了静态屏蔽效应外又有一个附加的涡流屏蔽，屏蔽系数随着磁场频率的增加而升高。壁厚f比球或圆筒的半径r小的多时，球形空间的交流屏蔽系数可近似为一6

9、：s：(1+等1告(2)C具有长度的量纲，由公式(3)给出：c=(黝丢㈥式中：p为壁的材料的电阻率；厂为环境场的频率。对球形来说，屏蔽系数与外场方向无关。近乎等尺寸的圆筒可能会和等价的球形屏蔽得到相似的效果。对于多层屏蔽，屏蔽效果的理论计算见公式(4)‘6

10、。K=K×％×【1一(导)】×玛×，一‘，(4)【·一㈡卜酗⋯等)-】式中：K。——第n层的屏蔽系数；r。——第n屏蔽层

11、的半径。根据经验，由于热处理工艺、焊接工艺、安装过程中的机械应力等影响，磁屏蔽筒的实际单层屏蔽效果一般不超过理论值的70％。因此，公式(1)、(2)、