用于舰船磁性测试的磁场环境模拟技术

2019-06-28张修志宋新昌

数字海洋与水下攻防 2019年2期

张修志,宋新昌

(中国船舶重工集团有限公司第七一〇研究所,湖北宜昌443003)

0 引言

钢铁建造的舰船在地磁场的作用下被磁化，形成舰船磁性。舰船磁性有固定磁性和感应磁性2种，固定磁性在一定时期内是不变的，而感应磁性则随地磁场变化[1-3]。要区分舰船的固定磁性和感应磁性最好的办法就是在零磁空间中进行测量。零磁空间的实现有磁屏蔽和磁场线圈2种方法。磁屏蔽由于受软磁材料特性的限制，一方面，不可能实现绝对的零磁空间，另一方面，被测目标的固定磁性会扰乱磁屏蔽室的磁场分布情况，测出来的数据不能真实地反映出被测目标固定磁性的磁场分布。而磁场线圈可以解决上述2个弊端，因此在舰船、卫星磁测领域被广泛应用。

1 大型磁场线圈

磁空间技术是在设计的空间范围人造磁场[4]。现阶段，人为营造的均匀磁空间形状基本上都是球形区域或者正方体区域，例如[5-7]：1)北京卫星环境工程研究所建于怀柔地区的CM 1磁环境模拟试验设备，主线圈系统为木制立方体线圈结构，三轴四线圈系统威德里希线圈形式，最大线圈边长4m，均匀区直径 500 mm，稳定度优于1nT/h，可提供零磁场-50 000～50000nT的恒定磁场和航天器在轨飞行所经历的实时磁场，模拟误差小于10 nT。2)北京卫星环境工程研究所建于唐家岭地区的CM 2主线圈室，高18.8 m，半地下结构，地下室深6.8 m，全部采用无磁建材建造，为无磁建筑。CM 2磁环境模拟试验设备在x、y、z方向补偿地磁场，在线圈系统中心形成卫星磁试验所要求的零磁场环境和可控磁场环境，线圈系统为铝材质方型三轴四线圈系统，最大线圈边长16 m。CM 2主线圈系统中心2.5 nT磁场均匀区直径为2.5 m，磁场稳定度为±1.5 nT/h，直流磁场为0～60 000 nT，0.01～ 16 Hz的交流磁场为 0～60 000 nT。

舰船的长径比一般较大，假设营造的均匀磁空间是球形区域或者正方体区域，显然不太合适：一是增加建筑物的面积，二是增加建造成本。设计成大长径比的匀强磁场空间是比较经济的做法。现阶段，对大长径比匀强磁场空间的设计少有报道，本文主要阐述了此问题的研究方法及设计结果。

2 技术指标及线圈结构

2.1 技术指标

1)三维磁场，在Ф2 m×24 m的区域内非均匀性为±5%；

2)60 A产生±100μT的磁场；

3)均匀区中心线距地面1.2 m；

4)线圈位置避开门窗区域。

2.2 指标分析

在Ф2 m×24 m的区域内非均匀性要求为±5%，长径比达到12，如果采用正方形线圈或长方形线圈的形式，则线圈的几何尺寸比较大，并且在限定的线圈安装区域内，技术指标不能满足±5%的要求，因此必须采用组合线圈的形式。

2.3 线圈结构

图1 线圈示意图Fig.1 Schematic diagram of coils

综合考虑建筑的结构和对均匀区大小及均匀性的要求，通过优化设计，线圈的示意图如图1所示，结构参数及技术指标设计值如表1和表2所示。

表1 线圈结构参数Table 1 Structure parameters of coils

表2 技术指标设计值Table 2 Design values of technical indicators

由表2可知：线圈常数和均匀区中的非均匀性均满足技术指标的要求，并且留有足够的余量。

3 仿真分析

以技术指标设计值中非均匀性最大的垂向绕组为例，仿真分析整个均匀区内的非均匀性分布形状，结果如图2及图3所示。

图2 均匀区中心垂面非均匀性Fig.2 Heterogeneity of vertical plane in center of uniform area

图3 均匀区中心平面非均匀性Fig.3 Heterogeneity of parallel plane in center of uniform area

由图2和图3可知：对于垂向绕组，在整个Ф2 m×24 m的区域内非均匀性满足技术指标中的要求，最大值为3.27%，分布在圆柱体两底面的边缘点上。

4 测试方法

对安装后的绕组线圈进行测试，具体步骤如下：

1)用卷尺测量确定每个测量点的位置。

2)连接仪器，将标准磁强计(GSM-19)探头放置在被检磁场线圈均匀区中心。

3)记录标准磁强计在稳流源未输出时的示值B0。

4)稳流源输出时，记录标准磁强计的示值B+。

5)将稳流源输出的电流值大小保持不变，方向反向，记录标准磁强计的示值B-。

6)按公式(1)计算线圈常数

式中：KBx为被检磁场线圈的线圈常数，nT/A；B+为稳流源正向输出时标准磁强计的读数，nT；B-为稳流源反向输出时标准磁强计的读数，nT；B0为稳流源未输出电流时标准磁强计的读数，nT；I为电流值大小，A。

7)对于其他测量点重复4)、5)、6)测量。

8)按公式(2)计算每个测量点上的线圈常数值与均匀区中心点线圈常数的相对差值

式中：ΔKBi为被检磁场线圈第i点的线圈常数与均匀区中心点的相对差值；KBi为被检磁场线圈第i点的线圈常数，nT/A；KB1为被检磁场线圈均匀区中心点的线圈常数，nT/A。

9)取最大值为磁场均匀度。

10)电流源输出为最大时，看所产生的磁场能否满足技术指标中所规定的磁场强度。

5 测试结果

线圈的测量结果如下：

表3 线圈测试结果Table 3 Test results of coils

对比表2和表3可知：1)无论是线圈常数还是非均匀性，实测值均满足技术指标的要求，其中设计值和实测值有稍许偏差，这可能是由线圈桥架的安装误差或测试过程中传感器探头位置不固定等原因造成的；2)在线圈边长39 m的情况下，实现了24m的长度内非均匀性达到3.68%，均匀区长度和线圈边长的比值达到61.5%，与传统的亥姆霍兹线圈[8-9]相比(理论值非均匀性为3.7%的情况下，均匀区长度和线圈直径的比值为27%)大大提高了均匀区的范围。