磁通门传感器的温度实验

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1、磁通门传感器的温度实验周敬萱（中国科学院空间科学与应用研究中心北京100190）摘要：介绍了磁通门传感器的温度实验的装置和实验过程，得出了仪器的零点、灵敏度、噪声随温度变化的曲线关系，从中总结了一些规律，为磁通门传感器在空间探测温度范围的扩展提供了改进依据。关键词：磁通门传感器温度实验1.引言磁通门磁强计应用于空间探测时，其探头安装于卫星舱体的外部，工作环境十分恶劣，工作温度的范围很广，为了确定仪器在这样的温度环境下能否正常的工作，我们对磁通门传感器进行了温度实验，从而观察仪器各部分性能的变化，从中总结规律，为仪器性能的

2、改进和获得的科学数据的修正提供依据。2.理论分析磁通门磁强计主要由磁通门传感器和电子线路组成。其中磁通门传感器主要是由铁芯、其上绕制的激磁线圈（初级）和感应线圈（次级）所组成的。传感器的初级绕组上通常加载一定频率的对称脉冲激励电流。这个电流产生激励磁场，当用软磁材料制成的铁芯被这个场激励时，软磁铁芯反复的被正负激励到饱和。铁芯处于饱和状态时，磁导率下降，在没有待测环境磁场的情况下，感应线圈输出的感应电动势只包含激励电流频率的奇次谐波：当存在与铁芯轴向平行的环境磁场时，由于磁导率的变化使得输出中还含有激励电流频率的偶次谐波

3、，而且感应电动势中偶次谐波的幅值正比于传感器轴向的待测环境磁场的强度，由于二次谐波幅值最大，故通常选取其二次谐波量度待测环境磁场。由传感器磁芯产生的谐波信号经信号线圈感应检测，就提供了磁场测量信号。通过磁通门传感器的工作原理我们可以看出，其核心部件既为线圈。而线圈的主要电性参数有电感、电阻、电容、Q值等。其中线圈电感的经验公式为2Lk=µµNsl0s2其中；µ为真空磁导率，µ为线圈内部磁芯的相对磁导率，N为线圈圈数的平方，s为0s线圈的截面积，l为线圈的长度，k为系数，取决于线圈的半径与线圈长度的比值。品质因素Q是另一个

4、表示线圈质量的物理量，Q为感抗XL与其等效的电阻的比值，即QX=LR其中XL与电感量L和交流电频率f之间的关系是XL=2πfL而线圈的分布电容是指线圈的匝与匝间、线圈与屏蔽罩间、线圈与底版间存在的电容。在实际应用中，线圈的这些电性参数对于传感器的性能、工作状态影响很大。磁通门传感器工作的温度范围变化比较大，而由于温度的变化，首先会导致材料特性本身的变化，同时也340会导致线圈形变，对绕制工艺造成影响，由前边的公式可看出，这些不确定性会使线圈的电感、Q值、分布电容等发生变化，因此线圈交流阻抗随温度也会变化。而这些电性参数的

5、变化，直接反映在测量零点、灵敏度、噪声的变化上。由此可见，温度的变化对磁通门传感器工作状态是有影响的，为了确保获得的科学数据的准确性，进行温度实验，了解线圈的这些电性参数和测量零点、灵敏度、噪声在不同温度下的状态，是十分必要的。3.温度实验设计1)实验装置本次实验主要有以下特点：首先，此次实验的实验环境要求是无磁的环境，这样才能够排除外界磁场对实验的干扰；其次，这次实验的温度变化范围比较大，需要温控，因此通用设备是不符合要求的。为此，我们专门设计了一套实验设备。如图1所示，图1实验装置示意图其中：1、屏蔽桶：是用来屏蔽外

6、界磁场对实验的影响的2、杜瓦瓶：可用来储存液态气体，是一种用于低温研究和晶体元件保护的较理想的容器。在本次实验中，杜瓦瓶用于模拟高低温环境，盛放液氮。3、热电偶：是用于测定温度的。4、数据接收装置：用于获得实验测得的数据5、加热器：用于加热电阻丝，升高温度。此外，液氮是用来模拟低温环境（可达-196℃）2)实验步骤a、首先，用胶带将探头、电阻丝固定在杜瓦瓶的固定装置(瓶塞处)上。b、取适量液氮倒入杜瓦瓶中（实验中杜瓦瓶是水平放置的，所以不能倒入过多液氮，以防止液氮流出，倒入过多液氮也不利于温度的回升；同时，也不能倒入过少

7、液氮，这样会达不到实验要求的低温），使其内部温度达到-50℃左右。341c、将杜瓦瓶放进屏蔽桶中，将固定有探头、电阻丝的瓶塞伸入到杜瓦瓶中。d、将热电偶通过瓶塞处的小孔伸入到杜瓦瓶中，通过热电偶观察温度变化，待温度降到最低并且达到热平衡时，开始纪录数据。e、每隔一段时间，通过数据接收装置纪录下探头线圈的电阻、电容、电感、Q值等电性参数的变化情况，同时观察仪器的零点、灵敏度、噪声的变化情况，直到温度恢复到室温。f、待温度达到室温，不再变化时，用加热器加热电阻丝，使温度达到实验要求的高温（50℃），开始纪录数据，直到温度恢复

8、到室温。4.实验结果通过实验，我们获得了仪器的零点、灵敏度、噪声随温度变化的情况，如图所示，磁强计噪声——温度曲线10.1）nT噪声（0.010.001-40-30-20-1001020304050温度（℃）基本磁强计反馈磁强计图2磁通门传感器的噪声温度曲线通过图2我们可以看出，基本磁强计与反馈磁强计的噪声随温度的变