无磁金属转台感应干扰磁场分析

无磁金属转台感应干扰磁场分析

张学斌

宜昌测试技术研究所，湖北 宜昌 443000

摘  要：通过对金属回转框体感应磁场产生原因及中心位置处磁场大小进行分析，得到无磁金属转台感应磁场与转动频率、材料、尺寸的关系。通过对金属转台样机进行测试，得到转台自身的干扰磁场、不同转动速率下转台几何中心处的感应磁场及同种转速下不同位置的磁场大小，为无磁金属转台的设计、测试和使用中干扰磁场控制提供了基础，有较大的研究价值。

关键词：无磁转台  金属框体  感应磁场 

0 引言

地磁场是地球的固有物理场，因其具有无源、隐蔽性好、无累积误差等优点得到较为广泛的应用，主要应用到地磁导航[1][2][3]、炮弹测姿[4]等方面。磁罗盘作为依靠地球磁场实现姿态测量的传感器，在地磁测姿定向系统中起着至关重要的作用，磁罗盘输出精度影响系统导航精度。

无磁转台作为校准磁性器件及传感器的专用设备，可提供高精度的角度基准，用于评判被校对象角度精度和修正角度误差。为满足无磁转台较高的结构强度和刚度，保证转台精度和力矩平衡要求，通常采用无磁金属（铜、铝等）作为转台的主体框架材料并形成闭合环形结构[5]。近年来，随着磁罗盘中加入陀螺等惯性器件，罗盘动态精度得到了极大提高，对于磁罗盘动态性能的测试要求越来越高。为满足使用的便利性，自动化转台更能满足被校对象在不同转动速度和加速度下的要求，由转台磁干扰引起的动态误差越来越凸显。由于转台在回转运动中，闭合金属结构切割磁力线造成干扰磁场的产生，进而影响测量的准确性。

本文对转台框体涡流磁场的产生进行研究，并分析无磁转台不同动态条件下干扰磁场数据，为后续无磁自动转台设计和使用提供研究基础。

1 感应磁场的产生模型

为控制无磁转台的磁性，对转台的制作材料及器件需严格筛选。转台框体材料通常为经过严格测试的无铁磁性杂质铜材或铝材制作而成，忽略无磁转台的硬磁干扰和软磁干扰影响。金属框体在地磁场空间中回转运动时，金属框体形成闭合回路，通过其包围面积的磁通量随着框体的运动而变化，在回路中产生涡旋电流，该电流反过来产生阻止这种变化的感应磁场，用磁感应强度矢量Be表示。

为了定量地研究无磁转台转动过程中产生的涡流磁场的影响，需要对转台模型合理简化，以对转台的无磁性能进行研究。如下图1所示为一个简化无磁转台的一个铝质框体结构，在其几何中心建立空间直角坐标系。

图1 框体回转运动时产生感应磁场的简化模型

设其为正方形框体，外边长为 a，内边长为b，框体厚度为h，旋转频率为f，外部地磁场磁感应强度为 B0 。

根据其实际物理过程，可将框体等效为 x 轴方向一系列边长为a，厚度为 dx 的薄片框的叠加，对于每一个薄片，又可以等效为按比例变化的一系列宽度为 dy 的矩形绕组。则整个框体对坐标原点处产生的磁场强度等效为一系列线圈产生的磁感应强度在坐标原点的矢量和。

图1中坐标(x, y)处的线圈微元上下两段不产生感应电动势，左右两段切割磁感线并产生感应电动势，取逆时针方向为正，则线圈微元转动的感应电动势为:

                     （1）

线圈微元电阻为：

                           （2）

其中，为材料电阻率。

这一感应电动势产生的感应电流为：

                      （3）

电流方向沿x轴逆向看为顺时针。

根据毕奥—萨伐尔定律，处电流元Idl 在空间 r 处产生的磁感应强度

                              （4）

将其应用到本文模型，并根据对称性，求得这一系列线圈微元在坐标原点产生磁感应强度矢量和为：

                  （5）

将I 表达式代入式 (5) ，求得：

            （6）

2 转台感应磁场测试平台

无磁转台样机为U-O-T结构，转台底座为转台固定结构，转台外框为U型结构，由驱动轴驱动实现速率要求，中框为闭合O型结构，内框为T型结构。为满足不同速率测试要求，将O型中框放置到水平位置，测试转台结构如图2所示。固定工装用于安装磁通门传感器，刚性固连于转台外部，转台连续回转时与磁通门传感器不产生干涉，磁传感器姿态不发生不改变。传感器探头水平方向安装于中框几何中心位置，以转台回转中心为原点，向上为正调整传感器探头位置，开展测试。

图2  转台磁场测试图

3 测试结果

通过对转台样机在低转动速率状态（1°/S）下进行测试，忽略转台在无感应磁场干扰下的磁场，模拟无磁转台自身的磁干扰。如下图3所示，当转台转动一周，几何中心处磁通门传感器X轴磁场、Y轴磁场、Z轴磁场、总场均发生变化，说明无磁转台自身存在剩磁等原因形成了磁干扰，当转台转动180°时，转台自身存在的硬磁干扰达到28nT。

图3 转台低速状态（1°/S）下几何中心的磁场变化

测试转台在不同运动速率下，转台干扰磁场的变化，如下图4(a)所示为不同转动速率下转台几何中心处干扰磁场峰值，由峰值变化可得，当转台速率越高，磁场干扰越大，减去低速状态下硬磁干扰量即为转台的感应磁场,如图4(b)所示，感应磁场基本线性，与公式（6）计算得到的感应磁场与频率成正比的规律一致，验证了转台感应磁场与转台转动速率的对应关系。

(a)不同转速下的干扰磁场        (b) 不同转速下的感应干扰磁场

图4 不同转动速率下磁场干扰

    为研究转台不同空间位置处的感应磁场，对同一转动速率（50°/S）下进行测试，记录传感器离转台回转中心线上不同位置处的磁场干扰，如下图5所示。同一转动速率下，转台几何中心位置干扰磁场最大，传感器探头离中心位置越远，干扰磁场越小，当探头离中心50cm时，转台的磁干扰已经较小，可以忽略，在该位置下可进行磁罗盘等器件的动态测试。

图5 不同位置处磁场干扰

4 结论  

本文通过对无磁金属转台框体感应磁场产生原因进行分析，并计算回转金属框体几何中心处的感应磁场强度。通过金属转台样机测试，得到转台在低转动速率状态（1°/S）下的自身干扰磁场、不同转动速率(1°/S、5°/S、10°/S、15°/S、30°/S、50°/S)下转台几何中心处的感应磁场及同种感应磁场下不同位置的磁场大小。证明金属转台样机存在自身磁场干扰达到  28nT，验证了感应磁场随转台转动频率的增加不断增加，同时也测试出了转台干扰磁场较小位置，为后期金属无磁转台的设计、测试和使用提供了研究基础。

参考文献

[1] 张宁,邵松世,叶慧娟.运动载体涡流磁场数值计算和特征分析[J].海军工程大学学报,2015.4,27(2):69-73.

[2] 李季,陈棣湘,潘孟春,罗飞路.导航载体涡流磁场特性仿真研究[J].计算机仿真,2013.4,30(4):266-269.

[3] 李驰,杨宾峰,樊博宇,胥俊敏,孙,欢.地磁导航中载体涡流干扰场特性的仿真分析[J].空军工程大学学报,2018.8,19(4):72-78。

[4] 向超,卜雄洙,祁克玉,于靖.高旋弹丸背景涡流磁场建模与补偿[J].哈尔滨工程大学学报,2014.4,35(4):457-462。

[5] 王旭永,代勇,陶建峰,曾军高,李付军.三轴无磁转台磁特性分析与结构设计[J].机械工程学报,2017.7,48(13):127-131.