交变微弱磁场复现研究

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【摘要】研究了交变微弱磁场的复现方法，该方法通过无矩线圈与交流磁屏蔽筒组合的方式，同时采用多档标准电阻采集信号的测量方法可以复现0.01nT～10000nT，10Hz～10kHz的交变微弱磁场。该复现方法已在“交变微弱磁场标准装置”（已申请国防最高标准）的研制中得到应用。该标准装置的建立可对交变磁场线圈进行检定/校准，同时仍可为高灵敏度磁传感器交流性能的测试、校准提供准确、可靠的计量保障。

【关键词】交变微弱磁场；磁场测量；计量检测；磁场复现

1.引言

磁场探测作为研究物质特性、探测未知世界的一种有效手段，一直受到研究人员关注及重视。近年来随着空间探测、地球物理研究、军事应用的需求不断提高，推动了高灵敏度和微弱磁场探测的磁传感器研究，并取得了丰硕的研究成果。磁传感器的灵敏度越来越高，普遍达到了pT级，甚至更高，频带范围越来越宽，DC～20kHz，理论值甚至可以达到兆赫兹的水平，但是缺乏有效的测量手段。因此，如何对此类传感器进行检测、校准成为了计量新的难题。

交变微弱磁场的复现研究即是为了解决这一问题，通过交变磁屏蔽筒与无矩磁感应强度线圈的组合复现0.01nT～10000nT，10Hz～10kHz的交变微弱磁场。

2.工作原理

交变微弱磁场的复现采用的是交流信号源、功率放大器、无矩磁感应强度线圈、交流屏蔽筒相组合的形式，通过负载分档、采样分档实现对0.01nT～10000nT，10Hz～10kHz的交变微弱磁场的复现及测量。基本原理框图如图1所示：

工作过程中，信号源与功率放大器组合为交变磁场的复现提供一定功率的10Hz～10kHz的交流信号，经过负载匹配后输入无矩磁感应强度线圈，无矩磁感应强度线圈产生的磁场可由公式（1）得到。

2.1 无矩磁感应强度线圈研究

无矩磁感应强度线圈主要用来产生交变磁场。无矩磁感应强度线圈由两个同轴的螺线管反向串联组成，线圈工作区内的磁场强度为内外两个螺线管产生的磁感应强度的差值。内、外两螺线管反向串联的方式使得线圈的磁矩非常小，几乎接近于零，这明显的降低了无矩磁感应线圈与磁屏蔽筒之间的相互作用。

在该方案中无矩线圈选用的是内外螺线管嵌套的结构形式，两螺线管各个参数之间的关系如下所示：

线圈常数可以根据内、外螺线管线匝的直径及绕线匝数计算得出理论值，但是实际制作过程中受加工精度、加工工差等因素的影响，实际线圈常数与理论计算值会有一定程度的偏差。因此，无矩磁感应强度线圈加工制作完成后需要经过专门的计量机构对线圈常数进行校准。

设计磁场线圈无论是用以补偿环境磁场建造零磁空间，还是用以复现磁感应强度，其必须考虑的最重要的一项指标为工作区的均匀性，而且均匀区半径与线圈半径的比值越大越好。无矩线圈的均匀区半径、均匀性的综合性能比较突出，且磁矩小，本方案设计的无矩线圈在工作区内的磁场非均匀性见图2：

由上图可知该无矩线圈在距离中心点0.05m处的磁场非均匀度为0.004%，在复现100nT磁场时在±0.05m的工作区内由磁场非均匀性带来的不确定度为4pT，可以满足pT级磁传感器的测试需求。

2.2 交流屏蔽筒研究

交流屏蔽筒的主要作用是用于屏蔽宽频带的工业干扰。环境中的磁干扰主要由自然干扰、工业干扰组成。自然干扰由恒定分量（约50000nT）和地磁波动（通常不超过50nT）组成。工业干扰可以达到3000nT～5000nT，甚至更高，且同自然干扰不同的是它有极大的频谱不均匀度。为了确保测量结果的准确可靠必须降低此类干扰，可以选择的办法有几种。一种是把实验室建设在郊区，远离工业企业、电气化铁路等工业干扰源，同时需要对地磁干扰进行补偿。此种方法在工业干扰很小的情况下对地磁干扰进行了补偿，有效的降低了磁干扰，但此种方法仅在有限的频率范围内有效，仅适用于恒定磁场及低频交变磁场，而且其结构复杂、对环境磁场要求高，不适合广泛推广。

另一种简单可靠的方法是制作交流磁屏蔽筒，使用坡莫合金等高导磁率材料，制作闭合的金属壳体。此方法能够在很宽的频率范围内产生屏蔽效应，不需要辅助装置，测量时也不需要其它的补充准备工作，交流磁屏蔽筒的尺寸、外形、工作空间等都可以根据需要进行设计。单层屏蔽的屏蔽系数可由公式（4）得：

由公式（4）得知，屏蔽系数与屏蔽材料的电导系数、相对导磁率、屏蔽材料的厚度等有关系。通常情况下单层屏蔽的效果并不能满足高灵敏度磁传感器的测试需求，因此一般采用多层屏蔽，多层屏蔽筒总的屏蔽系数如公式（5）所示：

2.3 磁场测量研究

无矩磁感应强度线圈中的电流可通过由标准采样电阻与电压测量单元组成的电流测试系统获得。

为了保证电压测量的准确性，提高复现磁场的准确度，将需要复现的交变磁场分为了两个大档，六个小档。两个大档为：0.01nT～10nT、10nT～10000nT；六个小档为：0.01nT～0.1nT、0.1nT～1nT、1nT～10nT、10nT～100nT、100nT～1000nT、1000nT～10000nT。

由原理图可知两大档之间的比例关系为：

R1/R2=1000。由于在复现0.01nT～10nT的磁场时，线圈通过的电流非常小（0.3μA～300μA），直接采集标准电阻上的电压非常困难，因此在该系统意设计了R1/R2=1000的分流系统，使的流过磁场线圈的电流值与流过R2的电流值的比值为1：1000，通过这样的设计将采样电压放大了1000倍，大大的提高了电流的测量精度，同时也极大的提高了微弱磁场的测量准确度。

磁场线圈复现的磁场与磁场线圈通过的电流之间存在如下对应关系：

式中：B——磁场线圈复现的磁场；U——标准采用电阻上的采样电压；R——标准采样电阻的阻值。

由上式可知，在磁场线圈常数已知的情况下，设计标准采样电阻的阻值与磁场线圈常数之间的关系为K/R=1/x，（x为1、10、100、……、10n等），则采样电压与磁场复现的磁场之间的关系则为简单的10n的关系，通过采集标准电阻的电压就可十分直观、简单的了解复现磁场的强度。

在本系统中n=7，由于本系统复现的磁感应强度的范围为0.01nT～10nT、10nT～100000nT，通过这样的设计标准采样电阻的采样电压范围为：0.1V～1V，可以保证测量的精度与准确度。

分档复现、分档测量、标准采样电阻阻值与线圈常数成一定比例的设计思想不仅提高了复现磁场、测量磁场的准确度，同时也提高了复现磁场、测量磁场的效率，简化了测量信号的处理过程。

3.结论

通过对无矩磁感应强度线圈、交流磁屏蔽筒及磁场测量方式的研究，实现了0.01nT ～10000nT，10Hz～10kHz的标准交变微弱磁场的复现与测量。其中无矩线圈均匀区内的磁场非均匀性小于0.01%、交流磁屏蔽筒内的剩磁指不大于0.3pT，满足磁传感器DC～10kHz频率范围内的线性度、灵敏度、噪声、漂移等性能进行测试。

参考文献

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[2]李树燕.电路基础[M]，高等教育出版社，1988，4：345-357.

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