高精度磁強(qiáng)計(jì)傳感器研制

《高精度磁強(qiáng)計(jì)傳感器研制》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。

1、高精度磁強(qiáng)計(jì)傳感器研制廖懷哲趙華王勁東陳斯文周斌李磊馮永勇(中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心北京100190)摘要：高精度低噪聲磁強(qiáng)計(jì)傳感器是獲得高精度磁場(chǎng)探測(cè)的關(guān)鍵因素之一。為此必須在研制傳感器的過程中充分考慮引起噪聲的各種因素并采取相應(yīng)的措施抑制噪聲。傳感器與電子學(xué)單元的匹配也是獲得高精度磁場(chǎng)探測(cè)的重要條件之一。本文研制的三分量磁強(qiáng)計(jì)傳感器分辨率優(yōu)于0.01nT；噪聲頻譜密度小于0.01nT/Hz@1Hz；三分量磁強(qiáng)計(jì)傳感器的重量約25000克；存活溫度為-200---+150C；工作量程為-256nT---+256nT；這些特征參數(shù)完全符合深空空間環(huán)境磁場(chǎng)探測(cè)

2、需求；其動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)-65000nT---+65000nT能滿足地面綜合測(cè)試要求。1.引言隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，行星探測(cè)也列入我國的航天計(jì)劃。利用磁強(qiáng)計(jì)可以探測(cè)行星空間磁場(chǎng)的分布、結(jié)構(gòu)及其隨太陽風(fēng)變化的特性；諸如利用等離子體探測(cè)包和磁強(qiáng)計(jì)探測(cè)火星弓激波、磁鞘、磁場(chǎng)堆積區(qū)、電離層的粒子分布特性及其對(duì)太陽風(fēng)擾動(dòng)的響應(yīng)過程和變化規(guī)律。因?yàn)榇艌?chǎng)探測(cè)在行星空間環(huán)境研究中的重要作用，相關(guān)探測(cè)器需選擇高精度磁通門磁強(qiáng)計(jì)為其主載荷。磁通門磁強(qiáng)計(jì)傳感器是獲得高精度磁場(chǎng)探測(cè)關(guān)鍵因素之一，它的研制在磁通門磁強(qiáng)計(jì)的研制中顯得非常重要。2.研制目標(biāo)為了適應(yīng)探測(cè)的要求，磁場(chǎng)傳感器的工程指標(biāo)如

3、下。測(cè)量范圍：-256∽+256nT，但在-64000∽+64000nT范圍內(nèi)，磁強(qiáng)計(jì)也可工作；測(cè)量精度：優(yōu)于0.01nT（-256~+256nT量程內(nèi)）；噪聲頻譜密度水平：≤0.01nT/Hz@1Hz；10Hz頻帶內(nèi)總噪聲：≤0.1nT(RMS)；分辨率：優(yōu)于0.01nT；三分量傳感器重量：≤0.25kg；三分量傳感器尺寸：105×58×50mm；00工作溫度：-150C---90C。3.研究內(nèi)容磁通門磁強(qiáng)計(jì)傳感器是由磁芯和繞在磁芯上的初級(jí)繞組及包圍磁芯的信號(hào)線圈組成的。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為：297?8de=10(wμHS).....

4、........................(6.1.4?1)?dt式中，W為感應(yīng)線圈匝數(shù)；μ為磁導(dǎo)率；H－為激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度；S為鐵芯橫截面積；H－為激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度。如果H=Hcos2πft...................(6.1.4?2)?m0式中Hm為激磁磁場(chǎng)強(qiáng)度幅值。由于鐵芯磁化非線性（工作于周期性飽和工作狀態(tài)），激勵(lì)磁場(chǎng)瞬時(shí)值變化導(dǎo)致磁導(dǎo)率的變化。若考慮環(huán)境磁場(chǎng)施加在鐵芯軸向上的分量H0時(shí),實(shí)際磁感應(yīng)效應(yīng)數(shù)學(xué)模型為：?8?8e=2π×10fμWSHsin2πft?10(dμ(t)/dt)WSHcosπft0m0m0?8?10(dμ(t)/dt)WSH.

5、.........................................(6.1.4?3)0激勵(lì)磁場(chǎng)瞬時(shí)值方向呈周期性變化，隨之而變的鐵芯磁導(dǎo)率μ(t)卻無正負(fù)之分，所以μ(t)為t的偶函數(shù)。當(dāng)H0比鐵芯飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度Hs和激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度幅值Hm小時(shí)，可忽略其對(duì)鐵芯磁導(dǎo)率μ(t)的影響，將μ(t)展開為傅立葉級(jí)數(shù)，可得μ(t)=μ+μcos4πft+μcos8πft.....................(6.1.4?4)0m2m04m0將上式代入（6.1.4-3）可知由激勵(lì)磁場(chǎng)而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是奇次諧波，而由環(huán)境磁場(chǎng)引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ｅ(H0)為偶次諧波:

6、?8e(H)=?2π×10fWSH(2μsin4πft+4μsin8πft+???)............(6.1.4?5)0002m04m0故傳感器輸出的任意偶次諧波均可作為被測(cè)磁場(chǎng)的量度，由于二次諧波幅值最大，故通常選取其二次諧波電壓量度被測(cè)磁場(chǎng)。由傳感器磁芯產(chǎn)生的諧波信號(hào)經(jīng)信號(hào)線圈感應(yīng)檢測(cè)，就提供了磁場(chǎng)測(cè)量信號(hào)。研制磁通門傳感器首先從磁芯和骨架的材料挑選開始，選用坡莫合金和無磁性合金鋼做磁芯和骨架，確定傳感器形狀結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行傳感器的設(shè)計(jì)、加工、繞制，最后安裝和調(diào)試。對(duì)于磁通門磁強(qiáng)計(jì)探頭，需要采用非金屬無磁性高強(qiáng)度的材料來制造信號(hào)線圈和反饋線圈骨架。為此選用

7、溫度變化系數(shù)小的材料并且具有良好的抗輻照性能。磁通門傳感器的機(jī)械部分包括磁芯骨架、磁芯固定架、信號(hào)線圈骨架、支座架、盒蓋等部件。在機(jī)機(jī)械加工方面，對(duì)三分量磁通門傳感器的安裝座架有嚴(yán)格的精度要求。磁通門磁強(qiáng)計(jì)傳感器的靈敏度決定于信號(hào)線圈中二次諧波的噪聲。磁通門傳感器噪聲主要來源于下列幾個(gè)方面：（1）磁致伸縮效應(yīng)（Magnetostrictioneffects）298（2）巴克豪森噪聲（Barkhausenoise）（3）散粒噪聲（Johusonnoise）（4）熱噪聲（Thermalnoise）為提高傳感器性能，需要針對(duì)這4種噪聲的成因，采取相應(yīng)措施。在4種噪聲源