双磁芯磁通门式测磁仪测量精度检测方法设计*

隗燕琳 王彦东 刘志伟 杨 立 陈李健 俞宁昊

（92957部队 舟山 316001）

1 引言

双磁芯磁通门式测磁仪主要用于测量地磁场及磁性物体的磁场［1-2］，该测磁仪的测量精度将直接影响磁场测量值的真实性。为了获取磁场的准确数据，应使测磁仪长期处于良好的工作状态。双磁芯磁通门式测磁仪属于精密计量仪器，需要严格按照规程使用和维护，并定期进行检查和调校，每年必须由测磁仪制造单位的专业技术人员使用中国计量科学研究院标定的专用设备在现场进行定标。但该测磁仪使用较为频繁，每年都需专业技术人员现场定标的规定显然与实际工作需要不符，并且，测磁仪是否满足消磁勤务的工作要求是由其测量精度是否符合要求决定，而不是由其使用时间决定。为了方便快捷地检测双磁芯磁通门式测磁仪的测量精度，解决机动消磁保障中测磁仪测量精度检测困难的问题，提出了一种便携式智能化双磁芯磁通门式测磁仪测量精度的检测方法。

2 双磁芯磁通门式传感器工作原理

双磁芯磁通门式传感器使用两根磁芯［3］，上面绕有激励线圈Wj和测量线圈Wout。激励线圈Wj反接，测量线圈Wout在两根铁芯外缠绕，如图1 所示。这种磁传感器的两根磁芯互相平行放置，通常采用带状磁芯。在理想情况下，两根磁芯材质特性完全一致，由于激励线圈Wj串连反接［4～5］，无外磁场作用情况下，当在激励线圈Wj上施加一定频率f 的激励电流时，左右两磁芯的磁感应强度B 对称反向，均只有奇次谐波，两根铁芯中的总磁感应强度为零，因此测量线圈Wout的输出电压为零［3］。当有外磁场Hε作用时，一个磁芯的合成磁场为Hε+Hj，另一个磁芯则为Hε-Hj（其中Hj=Hmcosωt，为磁芯中由激励电流产生的磁场强度）。两根磁芯磁感应强度B 随时间变化曲线的正负半周均不对称［6～8］（如图2，其中Hs为磁芯的饱和磁场强度），除基波及其它奇次谐波外，出现了偶次谐波，主要是二次谐波。外磁场Hε越大，磁感应强度B 正负半周不对称程度增加，二次谐波的幅值也相应增加。此时两根铁芯中的总磁感应强度不再为零，而是随时间而变化，通过测量线圈Wout的总磁通量的变化率不为零，故有感应电压输出。两根铁芯中磁感应强度B的奇次谐波幅值相同，相位相反，偶次谐波（以二次谐波为主）相位相同，故总磁通为二次谐波磁通，输出电压为二次谐波电压，其幅值随Hε值增加而增加，其相位则随外磁场Hε反向而反向，因此利用测量线圈Wout输出的二次谐波电压即可测量磁性物体的磁场［9～11］。

图1 磁传感器结构图

图2 磁芯磁感应强度曲线图

3 测磁仪测量精度检测方法设计

根据比奥-萨伐尔定理，恒定的电流产生恒定的磁场。双磁芯磁通门式传感器中绕有激励线圈及测量线圈［12］，若在测磁仪出厂计量后通过标准电流源向测量线圈输入标准电流，则在测量线圈绕制的磁芯内将产生标准恒定磁场。该磁场与环境磁场叠加，使得测量线圈经测磁仪的数据处理电路后的测量值也随着所施加的标准电流变化而变化。测量线圈产生的磁场测量值随着标准电流发生的这种变化可以标定为测磁仪对磁场的测量精度检测曲线。双磁芯磁通门式测磁仪在出厂计量后同时存储测量精度检测曲线，即可极大方便日后对双磁芯磁通门式测磁仪的精度检测工作。具体设计方法如下［13］：

针对双磁芯磁通门式测磁仪的测量原理及精度检测的实际需要设计了双磁芯磁通门式测磁仪精度检测装置，该装置包括检测开关、标准可调恒流源、电流控制芯片、A/D 转换模块、电流采集模块、信号处理芯片、显示板。

该装置需在原测磁仪上增设“精度检测”端口，测磁仪测量精度检测装置以外接设备形式与测磁仪对接。

可调标准恒流源由控制芯片控制其电流输出，使其可定量输出电流，也可呈线性离散变化输出电流，此时各个电流离散值之间存在稳定的时间间隙，该时间间隙能确保标准恒流源的输出电流在测量线圈中产生该时间间隙内的稳定磁场。

双磁芯磁通门式测磁仪精度检测装置的使用关键在于：测磁仪首次正式使用前必须通过测磁仪精度检测装置测量并存储磁场检测曲线，该曲线即为后续双磁芯磁通门式测磁仪磁场测量精度的检测标准。具体步骤如下（设计原理图如图3）。

图3 双磁芯磁通门式测磁仪测量精度检测装置原理设计图

S1：测磁仪首次经过参数调整及系统调试运行正常后，由“精度检测”端口接入双磁芯磁通门式测磁仪测量精度检测装置。

S2：启动“检测开关”后，该装置将由电流控制芯片根据测磁仪的磁场测量值经电流采集模块的反馈信号控制可调标准电流源，在测量线圈上施加补偿电流，使得该测磁仪的磁场测量值为0μT。

S3：电流控制芯片通过电流给定信号控制可调标准电流源的输出，在此补偿电流的基础上呈线性变化，使测量线圈的磁场测量值符合实际所需测量磁场值的闭区间。此时电流给定值及对应的磁场测量值存储在电流控制芯片中，形成磁场控制曲线。

S4：线性电流值由标准可调恒流源输出，经A/D 转换模块实时送入信号处理芯片中形成电流的实际输出值，该电流值与测量线圈的实时磁场测量值确定磁场检测曲线，存储在信号处理芯片中，该曲线作为后续双磁芯磁通门式测磁仪磁场测量精度的检测标准。

在测磁仪首次使用后进行测磁仪测量精度检测的步骤如下：

S1：启动“检测开关”后，精度检测装置将由电流控制芯片根据测磁仪磁场测量值的反馈信号（由电流采集模块获得测磁仪测量电路的磁场测量值）控制可调标准电流源，在测量线圈上施加补偿电流，使得该测磁仪的磁场测量值为0μT。

S2：电流控制芯片控制可调标准电流源的输出按照磁场控制曲线中电流离散值变化，电流输出值实时经A/D转换模块送入信号处理芯片中。

S3：测磁仪测量线圈的磁场测量值通过电流采集模块也同时输入到信号处理芯片中。

S4：信号处理芯片将输入的电流值与磁场值形成磁场测量曲线。

S5：信号处理芯片将磁场测量曲线与磁场检测曲线进行比对，以误差形式显示在显示板上。

若测磁仪测量精度检测装置显示测量线圈的测量误差较大，可能是需要按照测磁仪的使用说明书进行测磁仪参数调整，若参数调整后，用该检测装置重新检测测量精度，仍显示误差较大，则说明测量线圈需要重新定标或更换。

4 结语

本文提出的双磁芯磁通门式测磁仪测量精度的检测方法能根据实际使用需要方便快捷的检测测磁仪的磁场测量精度，无需每年进行专业检测，使双磁芯磁通门式测磁仪的测量精度能全时域受控，从而使机动测磁工作能高效率、高质量的完成，节省大量的人力物力。