毕业论文高精度磁通门磁力仪系统的研制

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1、高精度磁通门磁力仪系统的研制导师：徐喆答辩人：薛永亮专业：控制工程2013年11月30日北京工业大学2010级工程硕士学位论文答辩答辩提纲课题背景及研究内容1系统总体结构2磁通门技术及磁力仪的研制33磁测系统的组建44磁测系统性能标定35总结与展望46背景发展我国地磁监测系统起源上世纪三十年代磁通门技术被提出，并引起广泛关注，1936年德国物理学家首次利用环芯探头的二次谐波测量大地磁场。磁通门技术不断的快速发展，目前在世界范围代表该领域先进水平的，主要是一些欧美发达国家，如美国SMALL、加拿大MF200、英国FLARE以及丹麦FGE等。在我国，“十一五”中期投资

2、建设了一个大型空间环境观测网络——“子午工程”，其中地磁（电）分系统在15个台站部署了地磁仪，用于连续监测地球表面磁场。研究内容三轴磁通门磁力仪系统地磁台站自动测量数据存显传高精度磁测系统系统功能需求自动测量测量值可视化测温定位校时采样率分辨力噪声研究内容系统性能需求数据远程传输线性度量程研究内容国内外磁通门磁力仪三轴数字补偿式磁通门磁力仪丹麦科技大学GM-4型自动补偿式磁通门磁力仪地球物理所研究目标丹麦科技大学地球物理所本课题系统型号FGM-FGEGM-4GFGM001量程±64000nT±62500nT±65000nT动态范围150nT2500nT全量程噪声＜

3、0.1nT＜0.1nT＜0.1nT采样率1Hz或20Hz1Hz20Hz分辨力0.25nT@20Hz0.125nT@1Hz0.1nT0.1nT线性度XX0.02%课题背景及研究内容1系统总体结构2磁通门技术及磁力仪的研制33磁测系统的组建44磁测系统性能标定35总结与展望46系统总体设计磁通门磁力仪系统总体结构示意图整个系统主要由三个外接探头、一个3G网络通讯模块和一个主机所组成。三个探头分别是测量磁场的磁通门磁传感器、测量工作环境温湿度的温湿度计传感器和用于定位校准时间的GPS探头。系统主机磁通门磁力仪主机内部结构示意图系统主机内部结构主要包括三大部分，供电电源、

4、计算机系统（包含主板、CPU、内存、硬盘、网卡、显示器等计算机必备硬件）及磁力仪电子学箱。电源系统系统供电使用220V交流市电，进入系统主机后一分为二，一路通过电源适配器给主机的计算机系统供电，另一路经过线性电源为磁通门磁力仪单独供电。系统电源结构图磁测系统系统功能需求嵌入式计算机3G模块GPS模块电子学箱磁测系统系统性能需求温湿度计磁传感器主机+外部功能组件磁通门磁力仪课题背景及研究内容1系统总体结构2磁通门技术及磁力仪的研制33磁测系统的组建44磁测系统性能标定35总结与展望46磁通门原理磁通门传感器工作原理是利用具有高导磁率的软磁磁芯在饱和磁场激励作用下的电

5、磁感应现象测定外磁场的。不论磁芯结构形式如何，磁通门工作原理均服从于法拉第电磁感应定律。磁通门传感器结构图磁通门原理根据电磁感应定律，信号线圈上产生的感应电势为：ω——信号线圈匝数μ——磁芯的磁导率H——传感器轴向磁场强度S——线圈横截面积磁滞回线磁通门原理对激励线圈施加一个余弦激励电流信号，则会产生一个余弦磁场HJ：HJ——激励磁场H0——环境磁场Hm——激励磁场幅值f0——激励频率当激励磁场强度足够大时，使铁芯工作于过饱和状态，从而使铁芯磁导率μ值周期性从最大值变化到最小值，将μ(t)按傅里叶级数展开可得：磁通门原理将H和μ(t)公式带入公式1，化简可得：从公

6、式可以看出感应电势中的第一项与环境磁场H0无关，且是激励频率f0的奇次谐波；而第二项与外界磁场强度成正比的信号，且是激励频率f0的偶次谐波。其中2次谐波幅值最大，因此以e的2次谐波作为测量磁场的有效信号。磁通门磁力仪的研制磁通门磁力仪磁通门传感器磁通门电子学箱磁通门传感器三轴磁通门传感器是由三个单轴传感器及支架底座和保护外壳三部分组成的。支架底座用于固定单轴传感器并使其三个传感器正交放置，保护外壳用于保护内部传感器，并设计留有引线空和压线卡槽固定连接电缆三轴磁通门传感器内部结构磁通门传感器传感器骨架用于固定三个单轴磁传感器，对其材料要求：无磁性，骨架不能对外磁场产

7、生任何影响强度高、温度变化小、不易产生形变易加工且加工精度高，三轴骨架需正交固定三个单轴磁通门传感器，需确保三轴的正交误差较小综合考虑选用无磁铝合金保护外壳材料选用无磁铝合金或聚砜材料磁通门传感器磁通门传感器的线圈系统是测量磁场的最小单元，包括三个绕组：激励线圈绕制于环形磁芯上，放置于激励线圈骨架内信号线圈绕制于方形上反馈线圈绕制于信号线圈外信号、反馈线圈骨架材料，选用聚酰亚胺材料磁通门传感器激励线圈结构是将高导磁率材料均匀放在磁芯骨架内，在骨架外绕制漆包线。对高导磁率材料的选择要求：有很高的导磁率和极小的矫顽力噪声低稳定性高有很好的加工性能有较好的防锈性能国际上

8、制作磁通门