高精度磁强计传感器研制

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1、高精度磁强计传感器研制廖怀哲赵华王劲东陈斯文周斌李磊冯永勇(中国科学院空间科学与应用研究中心北京100190)摘要：高精度低噪声磁强计传感器是获得高精度磁场探测的关键因素之一。为此必须在研制传感器的过程中充分考虑引起噪声的各种因素并采取相应的措施抑制噪声。传感器与电子学单元的匹配也是获得高精度磁场探测的重要条件之一。本文研制的三分量磁强计传感器分辨率优于0.01nT；噪声频谱密度小于0.01nT/Hz@1Hz；三分量磁强计传感器的重量约25000克；存活温度为-200---+150C；工作量程为-256nT---+256nT；这些特征参数完全符合深空空间环境磁场探测

2、需求；其动态范围可达-65000nT---+65000nT能满足地面综合测试要求。1.引言随着我国航天事业的发展，行星探测也列入我国的航天计划。利用磁强计可以探测行星空间磁场的分布、结构及其随太阳风变化的特性；诸如利用等离子体探测包和磁强计探测火星弓激波、磁鞘、磁场堆积区、电离层的粒子分布特性及其对太阳风扰动的响应过程和变化规律。因为磁场探测在行星空间环境研究中的重要作用，相关探测器需选择高精度磁通门磁强计为其主载荷。磁通门磁强计传感器是获得高精度磁场探测关键因素之一，它的研制在磁通门磁强计的研制中显得非常重要。2.研制目标为了适应探测的要求，磁场传感器的工程指标如

3、下。测量范围：-256∽+256nT，但在-64000∽+64000nT范围内，磁强计也可工作；测量精度：优于0.01nT（-256~+256nT量程内）；噪声频谱密度水平：≤0.01nT/Hz@1Hz；10Hz频带内总噪声：≤0.1nT(RMS)；分辨率：优于0.01nT；三分量传感器重量：≤0.25kg；三分量传感器尺寸：105×58×50mm；00工作温度：-150C---90C。3.研究内容磁通门磁强计传感器是由磁芯和绕在磁芯上的初级绕组及包围磁芯的信号线圈组成的。根据法拉第电磁感应定律，感应线圈上产生的感应电势为：297−8de=10(wµHS).....

4、........................(6.1.4−1)−dt式中，W为感应线圈匝数；μ为磁导率；H－为激励磁场强度；S为铁芯横截面积；H－为激励磁场强度。如果H=Hcos2πft...................(6.1.4−2)−m0式中Hm为激磁磁场强度幅值。由于铁芯磁化非线性（工作于周期性饱和工作状态），激励磁场瞬时值变化导致磁导率的变化。若考虑环境磁场施加在铁芯轴向上的分量H0时,实际磁感应效应数学模型为：−8−8e=2π×10fµWSHsin2πft−10(dµ(t)/dt)WSHcosπft0m0m0−8−10(dµ(t)/dt)WSH.

5、.........................................(6.1.4−3)0激励磁场瞬时值方向呈周期性变化，随之而变的铁芯磁导率μ(t)却无正负之分，所以μ(t)为t的偶函数。当H0比铁芯饱和磁场强度Hs和激励磁场强度幅值Hm小时，可忽略其对铁芯磁导率μ(t)的影响，将μ(t)展开为傅立叶级数，可得µ(t)=µ+µcos4πft+µcos8πft.....................(6.1.4−4)0m2m04m0将上式代入（6.1.4-3）可知由激励磁场而产生的感应电动势是奇次谐波，而由环境磁场引起的感应电动势ｅ(H0)为偶次谐波:

6、−8e(H)=−2π×10fWSH(2µsin4πft+4µsin8πft+⋅⋅⋅)............(6.1.4−5)0002m04m0故传感器输出的任意偶次谐波均可作为被测磁场的量度，由于二次谐波幅值最大，故通常选取其二次谐波电压量度被测磁场。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。研制磁通门传感器首先从磁芯和骨架的材料挑选开始，选用坡莫合金和无磁性合金钢做磁芯和骨架，确定传感器形状结构，然后进行传感器的设计、加工、绕制，最后安装和调试。对于磁通门磁强计探头，需要采用非金属无磁性高强度的材料来制造信号线圈和反馈线圈骨架。为此选用

7、温度变化系数小的材料并且具有良好的抗辐照性能。磁通门传感器的机械部分包括磁芯骨架、磁芯固定架、信号线圈骨架、支座架、盒盖等部件。在机机械加工方面，对三分量磁通门传感器的安装座架有严格的精度要求。磁通门磁强计传感器的灵敏度决定于信号线圈中二次谐波的噪声。磁通门传感器噪声主要来源于下列几个方面：（1）磁致伸缩效应（Magnetostrictioneffects）298（2）巴克豪森噪声（Barkhausenoise）（3）散粒噪声（Johusonnoise）（4）热噪声（Thermalnoise）为提高传感器性能，需要针对这4种噪声的成因，采取相应措施。在4种噪声源