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高精度矢量磁力仪地面测试定标系统大型磁屏蔽室仿真分析

李志宏 王劲东 吕尚 万任新

李志宏, 王劲东, 吕尚, 万任新. 高精度矢量磁力仪地面测试定标系统大型磁屏蔽室仿真分析[J]. 空间科学学报, 2023, 43(5): 963-972. doi: 10.11728/cjss2023.05.2022-0067
引用本文: 李志宏, 王劲东, 吕尚, 万任新. 高精度矢量磁力仪地面测试定标系统大型磁屏蔽室仿真分析[J]. 空间科学学报, 2023, 43(5): 963-972. doi: 10.11728/cjss2023.05.2022-0067
LI Zhihong, WANG Jingdong, LÜ Shang, WAN Renxin. Simulation of Large-scale Magnetic Shielding Room for High-precision Vector Magnetometer Ground Test and Calibration System (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2023, 43(5): 963-972 doi: 10.11728/cjss2023.05.2022-0067
Citation: LI Zhihong, WANG Jingdong, LÜ Shang, WAN Renxin. Simulation of Large-scale Magnetic Shielding Room for High-precision Vector Magnetometer Ground Test and Calibration System (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2023, 43(5): 963-972 doi: 10.11728/cjss2023.05.2022-0067

高精度矢量磁力仪地面测试定标系统大型磁屏蔽室仿真分析

doi: 10.11728/cjss2023.05.2022-0067 cstr: 32142.14.cjss2023.05.2022-0067
基金项目: 国家重点研发计划项目资助(2020YFE0202100)
详细信息
    作者简介:
  • 中图分类号: V524

Simulation of Large-scale Magnetic Shielding Room for High-precision Vector Magnetometer Ground Test and Calibration System

  • 摘要: 利用有限元分析方法开展大型磁屏蔽室的仿真分析,完成了高精度矢量磁力仪地面定标用大型磁屏蔽室的建模和性能仿真计算,从屏蔽效能、开口影响及内部磁场均匀度等方面对磁屏蔽室仿真计算和实测结果进行对比。结果表明,磁屏蔽空间内部中心区域的剩磁实测数值与仿真结果一致性较好,剩磁分布趋势基本一致,证明有限元分析方法在磁屏蔽室屏蔽性能定量分析的可行性。通过有限元分析方法,能够实现磁屏蔽室开口剩磁影响的定量计算,为磁屏蔽室门及通风孔设计提供依据;同时可以对内部磁场均匀区大小、残余梯度进行验证,有效避免工程实施后发现性能不满足设计要求的风险,有利于保障大空间磁屏蔽室的性能和建造效率。

     

  • 图  1  磁屏蔽条件下的磁旁路

    Figure  1.  Magnetic bypass on the condition of magnetic shielding

    图  2  磁屏蔽室仿真网格设定

    Figure  2.  Grid setting for magnetic shielding room

    图  3  磁屏蔽室磁场分布 (箭头方向表示外部地磁场方向,颜色代表强度数值)。(a)磁屏蔽室外磁场分布,(b)屏蔽室内部及外部磁场分布(屏蔽室隐藏显示),(c)屏蔽室垂直于z轴的平面磁场分布,(d)屏蔽室垂直于x轴的平面磁场分布

    Figure  3.  Magnetic shielding room magnetic field distribution (The direction of the arrow indicates the direction of the external geomagnetic field, and the color represents the intensity value). (a) Distribution of external magnetic field of the magnetic shielding room. (b) Distribution of both external and internal magnetic field of the magnetic shielding room (shielding room hidden display). (c) Magnetic field distribution in the plane of the shielded room perpendicular to the z-axis. (d) Magnetic field distribution in the plane of the shielded room perpendicular to the x-axis

    图  4  磁屏蔽室工作区 (2 m×2 m×2 m) 剩余磁场测试点分布

    Figure  4.  Distribution of test points from residual magnetic field in the working area (2 m×2 m×2 m) of the magnetic shielding room

    图  5  屏蔽室内部x轴向三段截面剩余磁场仿真数值分布

    Figure  5.  Simulation of the residual magnetic field distribution of the x axis three-section inside the shielding room

    图  6  磁屏蔽室开口处剩余磁场强度分布

    Figure  6.  Distribution of residual magnetic field intensity at the opening of the magnetic shielding room

    图  7  磁屏蔽室剩余磁场标量仿真数值分布

    Figure  7.  Numerical distribution diagram of scalar simulation of residual magnetic field in magnetic shielding room

    图  8  磁屏蔽室剩余磁场标量实测数值分布

    Figure  8.  Distribution of measured value of scalar residual magnetic field in magnetic shielding room

    图  9  磁场强度总值对比

    Figure  9.  Comparison of total magnetic field intensity

    图  10  大空间磁屏蔽室内部实物

    Figure  10.  Internal physical picture of large space magnetic shielding room

    表  1  主要大型磁屏蔽室情况对比

    Table  1.   Comparison of major large space magnetic shielding rooms

    序号名称屏蔽材料及构成结构尺寸
    1 美国伊利诺大学零磁屏蔽室MSR 1层4.8 mm的铝和2层1.5 mm的坡莫合金共同构成 内部空间为2.23 m×2.23 m× 2.23 m
    2 美国麻省理工大学零磁屏蔽室 由2层纯铝和3层高磁导率材料薄板构成 26面类球体,最内层直径2.5 m,最外层直径4 m
    3 韩国标准计量与科学研究院零磁室 内部尺寸:2 m×2 m×2.5 m
    4 德国国家物理技术研究院PTB零磁屏蔽室(BMSR-2) 由1层射频屏蔽、1层铝和7层坡莫合金以及主动补偿线圈共同构成 内部尺寸:2.9 m×2.9 m×2.9 m
    建筑尺寸:15 m×15 m×15 m
    5 哈佛大学联合生物医学中心MSR 共3层,每层均由高导磁和高电导材料构成 内部尺寸:4.0 m ×3.0 m×2.4 m
    外部尺寸:5.3 m ×4.3 m×4.1 m
    6 日本超导实验室COSMOS 由1层铝和4层高导磁材料共同构成 外形似足球,内层直径约4 m,外层直径约6.1 m
    7 中国地震局与钢铁研究院联合建造的零磁空间实验室 采用高导磁率的坡莫合金构成 外形为类球体,内部直径约2 m
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    表  2  对应图5(a)剩磁强度仿真数值

    Table  2.   Simulation value of residual magnetic field in Figure 5(a)

    NamexyzB (×10–2) /μT
    m10.000–1000.0001000.0009.378
    m20.0000.0001000.0007.847
    m30.0001000.0001000.0007.266
    m40.000–1000.0000.0009.543
    m50.0000.0000.0007.794
    m60.0001000.0000.0007.004
    m70.000–1000.000–1000.0009.107
    m80.000000.000–1000.0006.806
    m90.0001000.000–1000.0006.027
     B 为剩余磁场标量仿真值。
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    表  3  对应图5(b)剩磁强度仿真数值

    Table  3.   Simulation value of residual magnetic field in Figure 5(b)

    NamexyzB (×10–2) /μT
    m11000.000–1000.0001000.0009.356
    m21000.0000.0001000.0007.916
    m31000.0001000.0001000.0007.247
    m41000.000–1000.0000.0009.431
    m51000.0000.0000.0007.766
    m61000.0001000.0000.0006.911
    m71000.000–1000.000–1000.0009.120
    m81000.000000.000–1000.0007.087
    m91000.0001000.000–1000.0005.997
     B 为剩余磁场标量仿真值。
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    表  4  对应图5(c)剩磁强度仿真数值

    Table  4.   Simulation value of residual magnetic field in Figure 5(c)

    NamexyzB (×10–2) /μT
    m1–1000.000–1000.0001000.0009.338
    m2–1000.0000.0001000.0007.930
    m3–1000.0001000.0001000.0007.087
    m4–1000.000–1000.0000.0009.407
    m5–1000.0000.0000.0007.758
    m6–1000.0001000.0000.0006.871
    m7–1000.000–1000.000–1000.0008.986
    m8–1000.000000.000–1000.0007.140
    m9–1000.0001000.000–1000.0005.975
     B 为剩余磁场标量仿真值。
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    表  5  磁屏蔽室剩余磁场标量强度仿真数值与实际测试数值情况及对比(单位nT)

    Table  5.   Comparison of simulation and measured data of residual magnetic field scalar intensity in magnetic shielding room (Unit nT)

    高度测试点序号
    及状态
    123
    仿真实测差值仿真实测差值仿真实测差值
    屏蔽室工作中心高度 A 68.71 160.8 92.09 77.58 129.0 51.42 94.07 98.1 4.03
    B 70.04 177.8 107.76 77.94 118.8 40.86 95.43 112.8 17.37
    C 69.11 169.9 100.79 77.66 149.9 72.24 94.31 136.3 41.99
    屏蔽室工作中心高度以下1 m A 59.75 150.1 90.35 71.40 131.5 60.10 89.86 77.0 –12.86
    B 60.27 163.8 103.53 68.06 104.9 36.84 91.07 76.5 –14.57
    C 59.97 158.4 98.43 70.87 133.0 62.13 97.20 101.1 9.90
    屏蔽室工作中心高度以上1 m A 70.87 171.6 100.73 79.30 151.6 72.30 93.38 127.5 34.12
    B 72.66 177.2 104.54 78.47 159.0 80.53 93.78 145.4 51.62
    C 72.47 178.4 105.93 79.16 170.4 91.24 93.56 165.4 71.84
     表中点位剩磁测量值实测为矢量数值,为与仿真值有效比对,换算成标量值。
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-11-13
  • 录用日期:  2023-06-25
  • 修回日期:  2023-06-20
  • 网络出版日期:  2023-06-25

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