外部加压的某型船用钢铁磁腔体力磁耦合实验研究

Experiment on Magneto-Mechanical Coupling of A Marine Steel Ferromagnetic Cavity with External Pressure

摘要

在深海资源磁探测领域， 主要通过传感器探测空间磁场异常并结合相关算法确定资源的空间坐标。然而， 铁磁材料构成的水下航行器的力磁耦合效应会导致空间磁随外壁受压而变化， 从而影响探测准确性。当前研究仅限于内部压力作用下的力磁耦合效应， 因此， 研究外部压力对铁磁腔体周围空间磁场的影响十分必要。该实验采用低磁钢包裹加压的方式， 研究了某型船用钢铁磁腔体在外部压力作用下的力磁耦合效应， 测得了铁磁腔体的固定磁场分布以及在背景磁场作用下的感应磁场分布， 得到了感应磁场以及空间磁场变化量与背景磁场方向之间的关系， 有效解决了实验施加外压困难的问题， 为研究铁磁腔体力磁耦合效应提供了新思路， 也为深海资源磁探测消磁电流的调节提供了一定参考。

Abstract

In the field of deep-sea resource magnetic detection， spatial magnetic field anomalies are detected by sensors and combined with relevant algorithms to determine the spatial coordinates of resources. However， the magneto-mechanical coupling effect of underwater vessels made of ferromagnetic materials leads to changes in the spatial magnetic field as the outer wall is subjected to pressure， thereby affecting detection accuracy. Current research is limited to the effects of internal pressure on magneto-mechanical coupling. Therefore， investigating the influence of external pressure on the spatial magnetic field around ferromagnetic chambers is essential. A method of applying pressure by wrapping with low-magnetic steel was adopted to investigate the magneto-mechanical coupling effect of a marine steel ferromagnetic chamber under external pressure. The distribution of the fixed magnetic field and the induced magnetic field under the action of the background magnetic field was measured， and the relationship between the induced magnetic field， spatial magnetic field variation， and the direction of the background magnetic field was determined. This study effectively addressed the challenge of applying external pressure in experiments， providing new insights into the study of magneto-mechanical coupling effects of ferromagnetic chambers and offering a reference for adjusting demagnetization currents in deep-sea resource magnetic detection.

Graphical abstract

关键词

铁磁腔体 / 力磁耦合 / 外压 / 固定磁场 / 感应磁场

Key words

ferromagnetic cavity / magneto-mechanical coupling / external pressure / fixed magnetic field / induced magnetic field

0 引　言

在深海资源磁探测领域， 主要通过传感器探测空间磁场异常， 并结合相关算法得到资源的空间坐标^［1‐3］。搭载传感器的水下航行器主要由铁磁体构成， 其力磁耦合效应会导致空间磁场随外壁受压的改变而改变， 从而影响深海资源磁探测的准确性。因此， 研究铁磁腔体的力磁耦合效应以获得外部压力对其周围空间磁场的影响是十分必要的。

目前， Jiles-Atherton理论被广泛用于描述铁磁材料中的力磁耦合效应^［4‐6］。关于力磁耦合效应的研究可以追溯到1945年， 当时发现磁化过程中存在不可逆成分^［7］。最初认为在弱磁场下可以忽略磁化的旋转， 并认为外部力与磁畴壁上施加的外部磁场等效。然而， 随后的实验发现， 应力对磁畴的影响是不连续的， 与早期理论相矛盾^［8‐11］。因此， 根据实验结果引入了接近原理^［12-13］。基于接近原理， Jiles-Atherton理论、 Smith均匀能量模型和Stoner-Wohlfarth模型相继提出， 并经研究人员进行改进， 以更准确地描述铁磁材料的力磁耦合效应^{［14‐20］}。然而， 当前对铁磁腔体力磁耦合效应的研究主要集中于仿真计算。在实验领域， 受加压条件的限制， 当前仅见对腔体外部磁场与内部压力关系的研究， 外部压力对铁磁腔体外部磁场的影响尚未被提及^［21］。由于铁磁腔体在内、 外压力作用下其外部磁场变化规律可能不同， 因此有必要对外部压力作用下的腔体外部磁场变化进行实验研究。

本文基于搭建的某型船用钢铁磁腔体力磁耦合实验平台， 使用低磁钢包裹加压的方式， 解决了实验施加外压困难的问题。在腔体外部施加可控压力， 研究了恒定背景磁场改变外压的工况下， 某型船用钢腔体的力磁耦合效应， 为深海资源磁探测消磁电流的调节提供了一定参考。

1 铁磁腔体外部空间组成分析

当铁磁腔体置于背景磁场B₀中， 其外部空间磁场主要由3个部分组成： 铁磁腔体剩磁产生的固定磁场、 铁磁腔体受背景磁场作用产生的感应磁场以及背景磁场的直接作用， 即

B=B_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}}+B_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{d}}+B_{\mathrm{0}},（1）

式中： B为外部空间磁场； B_res为剩磁产生的固定磁场； B_ind为铁磁体受背景磁场作用产生的感应磁场。

铁磁体的剩磁是指在外部磁场作用下， 经历了磁化后， 即便移除外部磁场， 铁磁材料仍然保留有一定的磁化程度。剩磁的产生与铁磁体内部的微观结构——磁畴有关。在外部磁场作用下， 磁畴会发生偏转进而重新排列， 使得材料整体发生磁化， 即使外部磁场移除， 磁畴的排列状态也可能保持一定程度的稳定， 进而导致材料仍保持一定的磁化状态。铁磁体的感应磁场与铁磁体的性质、 背景磁场的大小与方向有关， 当背景磁场达到临界值时， 感应磁场饱和， 不会随背景磁场的增大而增大。

力的作用会导致铁磁体的磁畴发生变化， 从而改变空间磁场。当铁磁体、 背景磁场、 力三者共同作用时， 空间磁场可表示为

B=B_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}}+B_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{d}}+B_{\mathrm{0}}+\mathrm{\Delta }{B}_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}}+\mathrm{\Delta }{B}_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{d}},（2）

式中： \mathrm{\Delta }B_res为力的作用导致的固定磁场的改变量； \mathrm{\Delta }B_ind表示力的作用导致的感应磁场的改变量。

2 实验布置与流程

本文采用铁磁腔体力磁耦合实验平台， 使用低磁钢包裹加压的方式， 研究了恒定背景磁场改变外压的工况下， 某型船用钢腔体的力磁耦合效应。实验平台主要设备包括低磁钢腔体、 某型船用钢铁磁腔体、 补偿电流调节系统、 三相磁通门传感器阵列、 气泵， 辅助设备包括水箱、 电源系统、 气阀、 水阀等， 主要设备如图 1 所示， 低磁钢腔体侧面图如图 2 所示。

由图 1（a） 可知， 某型船用钢铁磁腔体置于低磁钢腔体内， 低磁钢腔体置于无磁轨道上， 低磁钢腔体可在无磁轨道上滑动， 以根据实验要求调节实验对象的位置。设定图 1（a） 中垂直纸面向外为x方向， x轴对应实验空间中腔体中心线所在的直线； 向下为y方向， 对应实验空间中指向地面的方向； 向右为z方向， 对应实验空间中从腔体指向传感器所在平面的方向。加压过程中， 先加水将低磁钢腔体与某型船用钢腔体之间的空间注满， 再打开气泵进行加压。某型船用钢腔体长度为1 470 mm， 内径为200 mm， 厚度为28 mm， 其设计压力为9.0 MPa， 工作压力为7.0 MPa。

如图 1（b） 所示， 一竖直平面上布置有60 个三相磁通门传感器， 传感器分5 行排列， 每行分布有12 个， 中间一行传感器所在的直线称为龙骨线， 竖直平面与某型船用钢铁磁腔体中心线之间的距离为750 mm。传感器行间的距离为30 mm， 每一行相邻传感器之间的距离也为30 mm。三相磁通门传感器的测量范围为±100 μT， 分辨率为1 nT， 正交度误差≤1°， 线性度误差≤0.01%， 标度误差≤±1%。图 1（b） 中的补偿电流线圈有三类， 分别与x、 y、 z轴交链， 通过调节三类补偿电流线圈中的电流， 可改变铁磁腔体所在实验空间背景磁场。7种特定背景磁场对应的x、 y、 z线圈电流的大小如表 1 所示。

如图 2 所示， 低磁钢腔体一侧装有螺栓， 使其几何呈对称性。置于低磁钢中的某型船用钢铁磁腔体几何形状与低磁钢腔体相似， 且在同侧装有螺栓。龙骨线上共有12个传感器， 序号为1~12， 规定从靠近螺栓一侧至远离螺栓一侧， 传感器序号逐渐增大。

实验采用低磁钢包裹加压的方式对内部某型船用钢铁磁腔体的力磁耦合效应进行研究， 故在研究前需测量低磁钢腔体单独作用以及低磁钢-某型船用钢铁磁腔体共同作用下的空间磁场， 并通过作差的方式排除低磁钢腔体以及低磁钢腔体上的螺栓等铁磁体对测量结果的干扰， 以得到某型船用钢铁磁腔体的力磁耦合特性。实验流程示意图如图 3 所示。

3 实验结果与分析

经实验测量与数据处理， 得到某型船用钢铁磁腔体在龙骨线上的固定磁场分布， 如图 4 所示。

由图 4 可知， 龙骨线的固定磁场x分量分布关于x轴近似为偶函数， z分量分布关于x轴近似呈具有正向偏置的奇函数， 偏置约为正向4 000 nT， y分量恒定为正， 且螺栓近端高于螺栓远端。某型船用钢铁磁腔体固定磁场的量级为10⁴~10⁵ nT级。

在x方向施加大小为45 000 nT的背景磁场， 结合式（1）， 可得此时某型船用钢铁磁腔体在龙骨线上产生的感应磁场， 如图 5 所示。由图 5 可知， 某型船用钢铁磁腔体感应磁场的量级为10⁴~10⁵ nT级， 龙骨线上的感应磁场x分量分布关于x轴近似为偶函数， z分量分布关于x轴近似呈具有反向偏置的奇函数， 偏置约为反向2 000 nT， y分量恒定为负， 且未出现类似固定磁场的不对称性， 说明螺栓的感应磁场较小。对比图 4 和图 5 可以发现， 固定磁场与感应磁场正好反向， 说明该铁磁体长期处于一个方向为x轴反向的背景磁场中， 实验过程中施加的正向背景磁场使该铁磁体磁畴发生反向偏转， 从而产生了与固定磁场反向的感应磁场。

实验研究了x方向不同背景磁场大小的作用下某型船用钢铁磁腔体的力磁耦合效应。当背景磁场分别为B_x =15 000 nT以及B_x =45 000 nT时， 测量并记录腔体所受压力为4 MPa以及7 MPa时龙骨线上的空间磁场变化， 如图 6 所示。

由图 6 可知， 当背景磁场在x方向上时， 腔体所受压力越大， 空间磁场变化越明显， 量级为10¹~10² nT级。当背景磁场为B_x =15 000 nT且压力为4 MPa时， z分量变化最为明显， 6号传感器的变化量达到124.12 nT， 压力增至7 MPa时， 6号传感器的z分量变化量达到236.19 nT； 当背景磁场为B_x =45 000 nT且压力为4 MPa时， z分量变化最为明显， 6号传感器的变化量达到110.89 nT， 压力增至7 MPa时， 6号传感器的z分量变化量达到210.96 nT。变化量的x分量近似奇函数分布， y分量近似为0， z分量近似偶函数分布， 且在螺栓所在处有明显的极值出现， 这是螺栓的力磁耦合效应比某型船用钢铁磁腔体更显著导致的。对比图 6（a） 与图 6（b） 可知， x方向背景磁场的大小并不会显著影响某型船用钢铁磁腔体的力磁耦合效应， 又已知某型船用钢铁磁腔体长期置于与x轴平行的背景磁场中， 故可推知若实验施加的背景磁场与铁磁体原本所处的背景磁场同轴， 则实验施加的背景磁场的大小几乎不会影响铁磁体的力磁耦合效应。

实验研究了背景磁场的大小对某型船用钢铁磁腔体力磁耦合效应的影响。在零磁、 B_x =15 000 nT、 B_y =15 000 nT以及B_z =10 000 nT的背景磁场下， 实验测量了压力为1 MPa以及7 MPa时空间磁场的变化量， 其中龙骨线上的变化量如图 7 所示。

由图 7 可知， 空间磁场的变化量随腔体所受压力的增大而增大， 且当压力逐渐增大时， 磁场变化最明显的空间点向螺栓侧偏移（即图 7 中的红色柱状条向左偏移）， 其原因在于螺栓的力磁耦合效应较某型船用钢铁磁材料更为明显， 故当整体所受压力更大时， 螺栓导致的空间磁场变化更为明显。具体来说， 当背景磁场为0且压力为1 MPa时， 磁场变化最明显的为7号传感器， 大小为25.25 nT， 压力增至7 MPa后， 磁场变化最明显的向左偏移至4号传感器， 大小为290.33 nT； 当背景磁场为B_x =15 000 nT且压力为1 MPa时， 磁场变化最明显的为6、 7号传感器， 大小分别为24.63、 24.50 nT， 压力增至7 MPa后， 磁场变化最明显的向左偏移至4号传感器， 大小为244.64 nT； 当背景磁场为B_y =15000 nT且压力为1 MPa时， 磁场变化最明显的为5、 6、 7、 8号传感器， 大小分别为92.72、 95.48、 88.14和89.48 nT， 压力增至7 MPa后， 磁场变化最明显的向左偏移至3号传感器， 大小为336.33 nT； 当背景磁场为B_z =10 000 nT且压力为1 MPa时， 磁场变化最明显的为4号传感器， 大小为1 378.94 nT， 压力增至7 MPa后， 磁场变化最明显的向左偏移至1号传感器， 大小为2 096.84 nT。由上述结果可知， 当背景磁场为0或在x、 y方向上且压力为1 MPa时， 力的作用导致空间磁场的变化量为10¹ nT级， 增大压力至7 MPa， 变化量增至10² nT； 当背景磁场在z方向时， 力的作用导致空间磁场的变化量为10³ nT级， 明显高于背景磁场在其他方向时的变化量。

4 结　论

本文基于铁磁腔体力磁耦合实验平台， 使用低磁钢包裹加压的方式， 研究了恒定背景磁场改变外压的工况下某型船用钢铁磁腔体的力磁耦合效应。实验结果表明， 某型船用钢铁磁腔体固定磁场的x分量关于x轴近似呈偶函数分布， z分量关于x轴近似呈具有正向偏置的奇函数分布， y分量恒定为正且由于螺栓的存在而呈现不对称性； 当背景磁场在x方向上时， 感应磁场分布与固定磁场方向正好相反， 且此时某型船用钢铁磁腔体的力磁耦合效应几乎不受背景磁场大小的影响。与内部压力的作用效果不同， 铁磁腔体受到外部压力作用时空间磁场变大， 且变化量随腔体所受外部压力的增大而增大， 当背景磁场在z方向上时， 力磁耦合效应最为显著， 在兆帕级的压力作用下变化量可达固定磁场的10%。对于形状复杂的铁磁体， 随着受力的增大， 空间磁场变化峰值会向力磁耦合效应更明显的部件偏移。

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