基于巨磁阻抗效应的磁探测技术与应用研究

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1、中图分类号：TJ43+2.4UDC分类号：623基于巨磁阻抗效应的磁探测技术与应用研究作者姓名韩超学院名称机电学院指导教师邓甲昊教授答辩委员会主席王华教授申请学位工学博士学科专业机械工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年6月基于巨磁阻抗效应的磁探测技术与应用研究韩超2015年6月StudyonDesignMagneticDetectionTechnologyandApplicationBasedonGiantMagneto-ImpedanceEffectCandidateName:HanChaoSchoolorDepartment:SchoolofMechatroni

2、calEngineeringFacultyMentor:Prof.DengJiahaoChair,ThesisCommittee:Prof.WangHuaDegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor:MechatronicalEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:June，2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究

3、成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学博士学位论文摘要磁探测体制抗电子干扰能力强而被广泛应用，其测量结果不易受雨、烟、雾等恶劣环境影响，同时基于巨磁阻抗效应（GiantMagneto-Impedance,GMI）的新型磁探测系统具有高灵敏度和高线性度等性能优势，因此可显著提高战场上对铁磁目标的探测能力。本文在分析GMI效应的非晶丝软材料物理特性基础上，着重探讨了基于GMI效应的磁传感系统探测技术理论，并在此基础上设计实现了

4、具有高灵敏度的一维和三维磁探测系统。同时本文以探测坦克等战场铁磁目标为应用背景，开展了基于GMI效应磁探测系统的应用技术研究。本文首先对GMI效应产生机理及相关理论进行了深入的探讨。基于电磁场理论，在对GMI效应不同应用频段的特点进行分析的基础上，确定了GMI效应的理论模型；基于理论模型分析，确定了影响非晶丝GMI效应的主要因素，并探讨了其影响规律；通过实验对比，找出了影响GMI效应各因素参量的最优组合，为GMI效应磁传感器的设计提供了理论和实验依据。基于上述理论和实验基础，设计了高灵敏度GMI效应磁传感器。电路设计中，采用CMOS反相器得到了稳定性高的脉冲激励信号；为了提高传感

5、器的灵敏度，采用测量非晶丝绕制线圈电压的方式取代传统的非晶丝端电压的采集方式进行信号采集；同时用模拟开关取代二极管器件设计峰值采样保持电路，提高了电路的稳定性；最后设计了四阶巴特沃兹滤波电路、放大和反馈电路对采集的信号进行预处理。通过实验验证，该传感器能满足对铁磁目标的探测精度和线性度等要求。在一维传感器设计基础上，以FPGA为核心单元设计了三维GMI磁传感器，用于非合作目标的磁场探测，且通过运用CORDIC算法对三轴磁场的叠加，实现了对目标总磁场强度的测量。本文在实验室及室外相对磁场稳定的区域对运动铁磁目标进行了三轴分量和总磁场的探测实验，结果表明探测系统能实现对铁磁目标的有效

6、探测，并在6-8米的距离上灵敏地探测出小汽车磁场的变化特性。本文在分析GMI传感器磁场探测受载体干扰因素影响的基础上，提出了一种基于拟牛顿计算法计算载体固定磁场和感应磁场系数的方法，对载体磁场干扰量进行补偿，该算法收敛速度快且稳定性好；同时提出了一种用两个传感器输出的相关性计算载体相对速度的方法，解决了载体速度对目标探测精度的影响。实验验证了本文所提I北京理工大学博士学位论文方法的有效可行性。针对典型战场铁磁目标——坦克，开展了其空间磁场分布规律的研究。通过对坦克磁场实测分析，根据其空间分布特性建立了数理模型，采用数值分析的方法推导出了坦克磁场的空间分布规律，并依此探讨了表征坦克

7、磁场的特征量，利用坦克特征量建立了其目标探测与识别准则，为磁目标近感探测与识别提供了必要的理论基础和有效的技术支撑。关键词：巨磁阻抗效应；磁探测技术；非晶丝传感器；三维磁传感器；坦克磁场分析；铁磁目标探测II北京理工大学博士学位论文AbstractMagneticdetectiontechniquehasbeenwidelyusedforitsinvulnerabilitytoelectronicinterference,independenceoftheeffectsofrai