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1、弱磁感应强度检定系统周勋金海强( 中国地震局地球物理研究所)张奇( 中科九章公司)摘要弱磁感应强度检定系统建在中国地震局地球物理研究所的零磁空间实验室内。弱磁感应强度检定系统由磁屏蔽室、标准线圈和标准电流源构成。弱磁感应强度标准通过标准质子旋进磁力仪从磁感应强度的国家基准传递。标准传递的不确定度在0 0 3 “ - - 0 0 7 m Y 的范围内小于0 5 n T 。该检定系统可以用来对各种地磁场测量仪器( 包括空间和地面测量仪器) 进行标定和性能( 噪声、零偏、线性度、频率特性等) 测试。一、前言弱磁感应强度标准是由原子常数、即质子旋磁比丫。的测量值决定的。质子旋 磁比的测量一直受到各个国
2、家、特别是发达国家的重视，我国的国家计量院 测定的质子旋磁比的值与英国、美国等国家测定的值十分接近，已得到国际上的公认。1 9 9 7 年国际地磁与高空协会根据各国对质子旋磁比Y 。的测量值规定 了地磁测量应采用的质子旋磁比的标准值。现在，所有国家的地磁仪器标定 装置的研制和地磁仪器的生产都是以该标准为依据的。我国对磁感应强度己建立 了标准，即国家磁感应强度( 恒定弱磁场) 计量器具检定系统。( J J G 2 0 5 2 - - 9 0 ) 。 作为磁力仪检定系统，除了国家计量院的检定装置之外，目前国内还没有。 而国家计量院的检定装置因没有屏蔽故在实际标定时容易受地磁场的影响。我们 现在拥有
3、大型磁屏蔽设备在国内目前只此一家。在屏蔽室内进行磁力仪的标定具 有明显的优势。 零磁空间实验室具有通过磁屏蔽方法产生的近零磁场空间。这对建立磁感应 强度标准和弱磁仪器( 包括地磁仪器) 的检测和标定提供了很好的条件。零磁空间 实验室具有大型磁屏蔽室，通过磁屏蔽方法产生近零磁场空间，在8 立方米的球形工作区内，剩余磁场强度小于2 0 n T ，剩余磁场噪声低于1 p T 。现在，该实验 室除地震系统之外已经为航天部门、科学院和各高等院校进行磁力仪标定等服务。一弱磁感应强度检定系统包括：磁屏蔽装置：提供标准场的螺线管线圈；标准 质子旋进磁力仪；高稳定度恒流源；由标准电阻和高准确度数字电压表等组成的
4、 电流测量系统；磁通门零场检测仪。弱磁感应强度检定系统利用标准质子磁力仪 进行标准传递，测定标准线圈的线圈常数。二、检定系统的工作原理及构成 磁感应强度检定系统是在磁感应强度值近似为O 的零磁空间内放置能产生 均匀磁场的线圈，并使线圈通过稳定的电流，从而在线圈中心区域内产生稳定、 均匀的直流磁场，使用标准质子磁力仪测定该磁场的磁感应强度的值，将该测定 的值作为约定真值。在该约定真值下，使用替代法对被检定的磁力仪进行检定。 检定系统由磁屏蔽室、标准线圈、精密电流源、标准质子磁力仪和监测系统 构成，监测系统包括一个标准电阻和一台高精度数字电压表。( 图1 )图1检定系统构成的方框图1 磁屏蔽室a
5、、磁屏蔽室简介： 磁屏蔽室是零磁空间实验室现有的设备，磁感应强度检定系统的研制是在该 设备的基础上进行的。磁屏蔽室的作用是屏蔽地磁场，以便在线圈内产生不受地 磁场变化影响的稳定的磁场。磁屏蔽室的结构如图1 所示，是形状为正2 6 面体 的近似球形的结构。最内层和最外层是8 m m 厚的纯铝板，用作电屏蔽，中间有 2 层间距为1 5 0 m m 的组合磁屏蔽层，每组合层由4 层间距为2 4 m m 、厚度为l 一1 5 m m 的1 J 8 6 坡莫合金薄板组成。屏蔽室内部空间的长、宽、高尺寸约为2 2 6 m ，内部空间体积约为7 7 m 3 。 磁屏蔽室的主要性能指标如下：内部剩余磁场强度
6、2 0 n T 噪声- - - 2 1 0 1 2 T 4 H z剩余磁场的稳定性 0 3 n T d 、时 屏蔽系数S = 2 0 0 - - 4 0 0 0 b 、工作区剩余磁场强度的测量： 对工作区( 6 c m 6 c m x 6 c m 的立方体) 的剩余磁场强度进行了测量，并根据测试结果选取标准线圈在零磁空间内部的位置，因为Y 方向( 标准线圈的线 圈轴方向) 的剩余磁场强度H y 会叠加在线圈电流产生的磁场H c 上，其余2 个 分量H x 和H z 因和线圈电流产生的磁场H c 正交，且其值很小，故不会影响测量结果，所以，标准线圈应放置在Y 方向的剩余磁场强度H y 的梯度最小
7、的位置上。标准质子磁力仪测量的是线圈电流产生的磁场H c 和剩余磁场强度H y 的代数和。 但是，因为该磁场是一个常量，所以对标准质子磁力仪的测量的不确定度也不会产生影响。2 标准线圈 a 、标准线圈的设计和加工 该检定系统使用标准质子磁力仪测定标准线圈内部的磁感应强度的值，质子 磁力仪要求被测磁场十分均匀，否则质子磁力仪的核磁共振信号衰减很快，不能 精确地测量其旋进频率。为了使质子磁力仪测量磁场的不确定度达到零点几n T的量级，线圈内部磁场的非均匀度必须小于】0 4 。为了满足这一条件，标准线圈 采用B r a n n b e k4 线圈系统。 标准线圈的4 个线圈的半径及线圈中一t l ,
8、 至线圈系统中心的距离分别为：r l = 2 2 9 1 6 m md 1 = 2 5 3 7 3 m mr 2 = 3 0 0 0 0 r a md 2 = 8 3 4 2 m mr 3 = 3 0 0 0 0 m md 3 = 8 3 4 2 r a mr 4 = 2 2 9 16 r a md 4 ：2 5 3 7 3 m mr 和d 的加工公差均小于0 1 m m 。每个线圈绕组使用o1 0 7 m m 的高强度无磁 漆包线绕制，共绕2 1 4 匝( 2 层，每层1 4 匝) ，线圈的半径r 和距离d 是按绕 组中心线计算的半径和距离。绕组和绕组之间开过线槽，线圈系统的一端有2 个接线
9、柱( 紧靠小线圈的地方) ，另一端有1 个接线柱( 紧贴小线圈) 。绕线从1 端的1 个接线柱开始，经小线圈、大线圈、小线圈，直到另1 端，然后返回来绕， 经小线圈、大线圈、小线圈，回到1 端的另一个接线柱。线圈骨架使用铝利整体铸造，铸件的磁化率小于2 1 0 c g s m ，浇铸后，需在模具内至少放置l 天，方可 取出，然后，在5 0 。C 的温度下放置2 天，在进行至少1 个星期的时效处理之后， 再进行机加工，以保证尺寸的稳定性。标准线圈的附件包括：支架：底座；底脚 调平螺丝，水平泡；连接杆( 3 根) ；高度调节器( 调节范围不小于2 c m ) ；工作 平台( 1 5 c m 1 5
10、 c m ) 。上述各附件的磁化率小于lx1 0 c g s m 。线圈骨架和附件均进行氧化处理。 b 、标准线圈的线圈常数及非均匀度的计算对标准线圈产生的轴向磁场强度H ，进行数值计算，并根据中一t l , 点的磁场强度 计算了标准线圈的线圈常数，与实测值比较，误差小于1 。C 、线圈内磁场梯度的测量将探头放置在线圈中。t l , 位置0 ，使线圈通过电流，产生5 0 0 0 0 n T 左右的磁场， 然后，使探头沿东西( E W ) 、南北( S 、) 、上下( U D ) 方向分别移动3 c m ，间隔l c m ，分别测量各点的磁场强度值。 测试结果表明：当线圈产生5 0 0 0 0
11、n T 的磁场时，线圈中一t l , 附近磁场梯度在直径 6 c m 范围内小于3 6 n T 。 3 高精度电流源该电流源是K Q 2 0 5 5 型精密可调恒定电流源。技术指标如下：最大输出电流l A最大负载电阻5 0 Q调节细度ll aA噪声， lpA稳定变l 1 0j d 、时纹波电哐1 0pV4 标准电阻 B Z 3 C 4 型1Q 直流标准电阻 精度0 0 0 2 标称功率0 5 w生产厂家上海电表厂 5 、7 位半数字电压表5 0 17 型数字多用表， 旦羊目里任分辩力2 4 小时稳定性 精度( 1 年稳定性) 温度系数生产厂家主要技术指标如下：3 0 0 m Y - - - 4
12、 - 1 0 0 0 VlI lV( 2 0 m s l O O m s ：3 0 1 m V )l O O n V ( 0 2 s 1 S ：3 0 1 m V )l O n V ( 2 s “ - - l O O s ：3 0 1 m V ) ( 0 0 0 0 4 读数+ 0 0 0 0 2 F S ) ( 3 V ：2 3 l ) ( 0 0 0 2 读数+ 0 0 0 2 F S ) ( 3 V ：2 3 5 )4 - ( 0 0 0 0 4 读数+ 0 0 0 0 2 F S ) ( 3 V ：0 1 0 4 0 “ - - - - 5 0 ) 德国P R t - M A 公司6
13、、标准质子磁力仪 a 、标准质子磁力仪 标准质子磁力仪采用( ；8 5 6 S 型标准质子磁力仪，G 8 5 6 S 型标准质子磁力仪是在 ( ；8 5 6 的基础上改制形成的。原( ；8 5 6 质子磁力仪的主机因石英晶体的原因而具有 大约0 0 3 n T 的温度系数。改制后的G 8 5 6 S 的温度系数大约是0 0 1n T 。( ；8 5 6 S 型标准质子磁力仪主要技术指标如下：量程2 0 0 0 0 n T 7 0 0 0 0 n T分辩力0 1r l T 重复性误差0 2 n 1 温度系数0 0 1 n T 探头转向差0 1 n T b 、( ；8 5 6 S 标准质子磁力仪的
14、性能测试 主机温度特性的测试：将主机放入温度试验箱内，标准频率源放置在试验箱的 外面，向主机输入标准频率源信号，信号频率为2 4 4 1 4 0 6 2 5 t t z ，该标准频率源使 用V e c t r o nC o 一2 3 1 T 一4 Y 型的晶体振荡器。在室温下读取质子磁力仪的读数F ，将主机放入低温试验箱内，使低温试验箱的降低至一8 、- 1 2 和一1 5 ，分别读 取质子磁力仪的读数F 。待主机的温度回到室温后，再将其放入高温试验箱内， 使高温试验箱的温度升高至3 4 、3 8 、4 4 ，分别读取质子磁力仪的读数F 。 测试结果见附录3 ，由附录3 的测试结果可知质子磁力
15、仪主机的温度系数约为0 0 0 3 n T 。探头转向差的测试：将探头放置在线圈中心位置0 ，使线圈通过电流，产生 5 0 0 0 0 n T 左右的磁场，读取一组数据，并求出该组数据的平均值1 。使探头转动 1 8 0 度，读取第二组数据，并求出该组数据的平均值 ，。则探头转向差H 为 At t = ! t - t t 根据测试结果得到探头转向差为0 0 8 n Tf 5 0 0 0 0 n T ) 。检定系统性能的测试l 、检定系统不确定度的测试 按照图1 将检定系统的各个部分连接起来，标准电阻值为lQ ，测试时实验 室的温度是1 6 。将标准质子磁力仪的探头放置在标准线圈的中心位置，使探
16、 头的方向( 箭头) 与线圈内部轴向磁场的方向大致平行。接通高精度电流源的电 源，使标准线圈通过3 0 0 m h 左右的电流，预热1 小时后再进行测试。调整电流源的输出电流，使标准线圈内部产生约2 5 0 0 0 n T 的磁场，使用手动 测量，连续读取l O 个标准质子磁力仪的数据，求得该l O 个数据的标准偏差。该 标准偏差值就是检定系统的该磁场强度值的不确定度。 按照上述步骤分别测定磁场强度分别为2 5 0 0 0 n T 、4 0 0 0 0 n T 、5 0 0 0 0 n l 、 6 0 0 0 0 n T 、7 0 0 0 0 n T 时的不确定度，根据测试数据，得到各测值下检定系统的不确定度：。0 1 8 n T2 5 0 0 0 n T0 2 4 n T3 0 0 0 0 n T0 1 6 n T4 0 0 0 0
