一种用于磁场复现和屏蔽的磁干扰主动补偿技术

张海波 翟晶晶 李 享 周昌剑

(中国船舶重工集团公司第七一〇研究所，国防科技工业弱磁一级计量站，湖北宜昌 443003)

1 引 言

环境磁干扰主要指由于车辆、电梯等磁性物体移动产生的低频扰动磁场，以及电力线缆中50Hz/60Hz工频及谐波电流产生的交流扰动磁场[1]。在梯度磁场复现系统[2]中环境磁干扰是影响复现磁场准确度及稳定度的重要因素，在磁屏蔽系统中环境磁干扰是影响屏蔽室内磁场噪声功率谱的重要因素。

提出一种梯度磁场复现系统和磁屏蔽装置的环境磁干扰主动补偿方法，综合前馈/反馈复合控制技术，可同时对三个分量的环境磁干扰进行分别闭环控制补偿。采用的模拟控制器具有响应速度快、结构可靠等特点。

该方法已在“(10～100)μT/m梯度磁场标准装置”、“低剩磁低噪声磁屏蔽室”等计量装置中应用，用于补偿校准现场的动态磁干扰。经过补偿后大大降低了环境磁场噪声，为原子式磁强计梯度容差校准、磁屏蔽系数现场校准等提供稳定的磁环境，降低了装置的测量不确定度水平。

2 磁干扰主动补偿系统设计

2.1 方案设计

补偿原理如图1所示，低噪矢量磁传感器放置在三轴补偿线圈磁场均匀区，将测量到的环境干扰磁场转化为电压信号输入到补偿控制器中，并与目标磁场进行比较，通过反馈控制模块产生补偿信号，与前馈控制模块产生的补偿信号相加后输入到补偿线圈相应方向的绕组中，激励补偿线圈产生与波动磁场方向相反、大小相等的矢量磁场，抵消波动干扰，实现稳定的磁环境。

图1 动态磁干扰补偿结构框图

补偿过程中还可通过补偿参数修正方法对补偿电流中的直流偏置部分进行修正，以达到只对干扰磁场进行抵消，不影响复现磁场准确度的目的。

2.2 补偿系统建模

磁干扰主动补偿系统主要由目标磁场设置电路、磁场补偿控制器、磁场线圈和磁通门传感器构成。其中，磁通门传感器用于测量线圈磁场内部环境磁场三分量、磁场补偿控制器根据磁干扰信号实现产生相应的补偿电流，环境磁干扰主动补偿系统结构如图2所示。

为了对磁干扰补偿控制器的控制参数进行优化设计，以及对补偿能力进行分析，需要建立控制系统数学模型。实际的主动磁场补偿系统均为非线性，为了简化设计，各个补偿环节均采用线性化技术建立线性模型[3]。

以X轴为例进行建模，得到主动补偿系统磁场补偿控制器、磁场线圈、磁通门传感器的传递函数结构图如图3所示。

图3 环境磁干扰主动补偿系统传递函数结构图

影响该传递函数输出的输入量共有两个，分别是目标磁场信号Ur(s)和环境干扰磁场Bd(s)，根据线性系统叠加原理[4]，分别求出每一个分量单独作用时的输出，然后再计算得到X方向磁感应强度。

2.3 补偿参数优化

1)主动磁场补偿系统稳定性

根据闭环系统稳定性判据，使主动补偿系统稳定的充要条件是使系统特征方程(1)中T1，T2，KP，KI等各参数满足式(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)主动补偿系统对低频干扰磁场补偿能力

干扰磁场Bd(s)到系统输出Bx(s)存在如下传递函数

(4)

采用频率特性分析法，其频率特性为

(5)

3)优化控制参数

根据系统稳定条件[5]设定PI控制器参数。比如：令KP=4.2，KI=-4200，代入其他参数值，可得

(6)

由式(6)可知，在角频率60rad/sec(9.55Hz)以下，对干扰衰减-40dB；在角频率6rad/sec(0.955Hz)，对干扰衰减-60dB，频率越低衰减倍数越大。

2.4 参考电压修正

考虑到在实际应用中，三轴补偿线圈的尺寸不一，当补偿线圈的尺寸较小时，补偿传感器安装位置处与工作区的线圈常数不一致，可能导致补偿电流存在直流偏置，影响补偿磁场准确度。

为了确保补偿动态干扰的同时，补偿绕组不产生额外的恒定磁场影响工作区的参考磁场，其充分条件是补偿绕组中补偿电流的恒定分量为零，需要对目标磁场及控制电路的参考电压进行修正。

(7)

式中：Ur——控制电路参考电压；k2——补偿传感器灵敏度(磁场电压转换系数)；Br——目标磁场值；U0——补偿传感器零偏；θ——复现绕组磁轴与补偿传感器磁敏感轴的夹角。

控制电路参考电压修正模型如下

(8)

式中：ksw——补偿磁传感器处补偿绕组沿磁轴方向的线圈常数；if——补偿绕组中的实际电流；i0——补偿地磁场的偏置电流；k,U0——修正参数，这两个参数既可以通过直接计算法获得，也可以采用最小二乘参数估计的方法得到。

2.5 前馈/反馈复合补偿

通过反馈控制模块对车辆、电梯等磁性物体移动产生的磁干扰进行补偿；同时通过前馈控制模块对50Hz/60Hz工频及谐波磁场进行补偿，前馈控制模块采用直接数字频率合成电路[6]产生前馈磁场补偿信号，该信号的通道数取决于所要补偿的工频谐波频率个数。反馈控制信号和前馈控制信号在电压电流转换模块中进行叠加，产生相应的电流激励三轴补偿线圈产生反馈补偿磁场。

2.6 补偿电流跟踪

为了实现三轴补偿线圈电流对补偿电压信号的实时跟踪能力，在三轴补偿线圈中串接标准采样电阻，将采样电阻两端的差分电压通过仪表放大器转换单端信号，然后利用集成运放与补偿信号做差值运算，通过模拟PID电路产生电流控制信号[7]，电流控制信号后加一级集成功率放大电路实现信号跟随[8]，从而实现三轴补偿线圈中电流对补偿信号的实时跟踪。

3 磁干扰主动补偿系统验证

3.1 磁场复现系统补偿试验

为了验证在磁场复现系统中该磁干扰补偿方法的补偿效能开展测试，具体实施过程参照参考文献[9]，系统连接如图4所示。

图4 磁干扰补偿试验系统连接图

在该试验中，使用磁干扰模拟线圈(螺线管线圈)和交流恒流源产生模拟干扰磁场，使用磁干扰补偿线圈(圆形赫姆霍兹线圈)将补偿电流转换为补偿磁场[10]；使用信号分析仪对磁场信号进行采集分析。按式(9)计算补偿效能，补偿效果见表1。

(9)

以上试验同样在1μT/m，10μT/m，40μT/m的梯度磁场下进行了验证，试验数据显示补偿效果没有明显变化，说明该补偿方法同样适用于梯度磁场下的动态磁干扰补偿。

表1 0.5Hz～60Hz干扰磁场补偿试验Tab.1 0.5Hz～60Hz interference magnetic field compensation test频率f/Hz干扰磁场补偿前磁场幅值B/nT补偿后磁场幅值B0/nT补偿效能/dB0.51000.066411010.205721010.235351010.684381011.0939101011.3637201012.7431301014.1028401015.3825501016.9223601018.0522

3.2 磁场屏蔽装置补偿试验

为了验证在磁场屏蔽装置中该磁干扰补偿方法的补偿能力开展了磁场补偿效能，试验系统如图5所示，试验方法与磁场复现系统中磁场补偿系统测试方法相似，考虑到磁屏蔽室的各向异性，同样需要在三个方向各典型频点开展试验。

图5 磁屏蔽装置中的干扰磁场主动补偿试验系统

分别在屏蔽装置中心位置的南北方向、东西方向和垂直方向分别开展了主动磁屏蔽效能验证试验，试验数据见表2。

4 结束语

针对梯度磁场复现系统和磁屏蔽装置使用过程中环境干扰磁场对测量准确度的影响，提出了一套干扰磁场补偿系统方案，对总体方案构架进行了介绍，并较为详细地论述了补偿系统模型、补偿参数优化、参考电压修正、前馈/反馈复合补偿、补偿电流跟踪等技术。

基于该技术研制的主动磁场补偿系统可对干扰磁场三个分量同步补偿，试验结果表明：梯度磁场复现系统中，干扰磁场主动补偿系统可显著提高

表2 磁屏蔽装置中主动补偿试验Tab.2 Active compensation test in magnetic shielding device测试点位置测试频点屏蔽室南北向屏蔽效能/dB主动补偿后南北向屏蔽效能/dB屏蔽室东西向屏蔽效能/dB主动补偿后东西向屏蔽效能/dB屏蔽室垂直向屏蔽效能/dB主动补偿后垂直向屏蔽效能/dB磁屏蔽室中心0.012184239125870.132632479276515184307433671069924078467520679245775580496789567764761006981647368801000737784938289

磁场稳定性，降低了不确定度水平；在磁场屏蔽装置中，极大提高低频磁场屏蔽效能，抑制了低频磁场噪声。另外，该技术在动态磁环境模拟等领域也具有很好的应用前景。