基于巨磁阻抗效應(yīng)的新型磁引信探測(cè)器研究

吳彩鵬, 鄧甲昊

(北京理工大學(xué)機(jī)電工程與控制國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100081)

0 引言

就引信系統(tǒng)而言,無(wú)論何種體制均借助探測(cè)器獲取目標(biāo)信息,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)、識(shí)別與定位。這些探測(cè)器因所基于的探測(cè)物理場(chǎng)不同而形成了不同的探測(cè)體制,主要有無(wú)線電、激光、紅外等,其中磁探測(cè)體制由于不怕電子干擾且對(duì)鐵磁目標(biāo)具有天然探測(cè)優(yōu)勢(shì)而應(yīng)用廣泛。至目前為止,該體制均依靠傳統(tǒng)磁性元件獲取目標(biāo)信息,其探測(cè)靈敏度相對(duì)不高,且體積較大。磁近炸引信、可攻頂反坦克導(dǎo)彈復(fù)合引信等現(xiàn)代武器系統(tǒng),都需要具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、溫度特性好、功耗低、可微小型化等優(yōu)點(diǎn)的磁探測(cè)技術(shù)。要提高磁引信的目標(biāo)探測(cè)能力就必須尋求一種具有良好軟磁特性的新興材料作為磁引信探測(cè)器的敏感材料,使引信探測(cè)器的分辨率達(dá)到nT量級(jí),從而保證對(duì)微磁、弱磁信號(hào)的檢測(cè)[1]。

上世紀(jì) 90年代初,日本名古屋大學(xué)的 K.Mohri和L.V.Panina在Co-Fe-Si-B軟磁非晶絲中發(fā)現(xiàn)了巨磁阻抗(Giant M agneoto-Impedance,GM I)效應(yīng)[2],為nT范圍的微磁傳感器的研發(fā)開辟了新的途徑。所謂巨磁阻抗效應(yīng)是指當(dāng)軟磁材料(多為Co基非晶和Fe基納米晶)的絲或條帶通以高頻交變電流時(shí),材料的阻抗隨著絲或條帶縱向所加的外磁場(chǎng)變化而靈敏變化的現(xiàn)象。非晶絲是一種新型磁性材料,其顯著特點(diǎn)在于:在沒(méi)有高頻交變電流或脈沖激勵(lì)的前提下,它不會(huì)顯示出任何磁特性,因此該材料用于引信系統(tǒng)可抵御彈道上的多種有源和無(wú)源干擾。利用非晶絲的巨磁阻抗(GiantM agneto-Im pedance,GM I)效應(yīng)則可顯著提高該類武器系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度和定距、定位精度。非晶絲的體積甚小(普通非晶絲直徑約為150μm,一般二維集成的M I傳感元件其尺寸為1.5 mm×0.5 mm),十分有利于該引信系統(tǒng)的微小型化。

目前,國(guó)外已經(jīng)研制出了GMI傳感器初樣,探測(cè)精度達(dá)1μOe,反應(yīng)速度1MHz,且功耗僅10 mW;此種傳感器的靈敏度至少比巨磁電阻(GMR)傳感器的靈敏度高1-2個(gè)量級(jí)以上,以鈷基非晶絲為例,當(dāng)受到高頻電流激勵(lì)時(shí),在(1～5)Oe的軸向外磁場(chǎng)范圍內(nèi),材料的阻抗變化率可高達(dá)120%。

本文以探測(cè)坦克、裝甲車等鐵磁目標(biāo)為應(yīng)用背景,通過(guò)對(duì)GM I效應(yīng)的理論和應(yīng)用研究,著重開展磁近感引信磁探測(cè)器的研究與設(shè)計(jì),以克服目前大多數(shù)磁引信響應(yīng)速度慢、靈敏度不高以及磁滯特性顯著的缺陷。

1 GM I特性的理論研究

磁近感引信的性能與磁傳感器的性能密切相關(guān)。磁近感引信要求其磁傳感器應(yīng)具備探測(cè)精度高、頻響快、體積小等特性,對(duì)比傳統(tǒng)的磁傳感器,基于GM I效應(yīng)的微磁傳感器能夠較好的滿足磁近感引信的綜合要求,而非晶絲磁性材料具有理想的軟磁性能,能夠用作這種新型傳感器的敏感元件。表1為各種磁傳感器的性能對(duì)比[3]。

由表1可知,利用GM I效應(yīng)制成的傳感器是唯一能同時(shí)滿足高靈敏度、尺寸微型化、響應(yīng)速度快、功耗低等要求的磁傳感器。本節(jié)著重研究Co基非晶絲的GM I特性。

1992年日本名古屋大學(xué)的K.M ohri教授等人在直徑120μm和50μm Co基非晶絲中通以高頻電流,發(fā)現(xiàn)了絲的阻抗隨外加磁場(chǎng)發(fā)生顯著變化的現(xiàn)象,即巨磁阻抗(GM I)效應(yīng)。

表1 磁傳感器性能對(duì)比表

巨磁阻抗效應(yīng)反映的是材料的弱場(chǎng)交流磁化隨外磁場(chǎng)的變化,它是一種與外磁場(chǎng)相關(guān)性較強(qiáng)的交流電子傳輸現(xiàn)象。一般利用外磁場(chǎng)作用下的阻抗變化率來(lái)代表巨磁阻抗效應(yīng),通常有兩種定義形式:

式中:Z(Hex)為外加磁場(chǎng)強(qiáng)度為 Hex時(shí)非晶絲的阻抗;Z(0)為外加磁場(chǎng)為零時(shí)非晶絲的阻抗;Z(H sat)為外加某一飽和磁場(chǎng) H sat時(shí)非晶絲的阻抗。這兩種定義雖然形式不同,但本質(zhì)相同,在科學(xué)研究中常采用第一種定義,有利于樣品物理機(jī)理研究。當(dāng)一高頻電流I=Iacexp(-jωt)通過(guò)非晶絲,絲兩端的復(fù)阻抗可以表示為

圖1表示了上述阻抗的定義。

圖1 非晶絲材料復(fù)阻抗定義

在高頻電流激勵(lì)下,材料的阻抗可以由Maxwell電磁理論推得,圓柱結(jié)構(gòu)導(dǎo)體的阻抗可表示為

式中:J0、J1為零階和一階Bessel函數(shù);R dc為材料的直流電阻;a為非晶絲的半徑。

式中:j為虛數(shù)單位;δm為磁性導(dǎo)體的趨膚深度,定義如下[4]:

式中:c為光速;σ為電導(dǎo)率;f為通過(guò)樣品的電流頻率;μφ為圓周磁導(dǎo)率。根據(jù)式(4)和式(6),GM I效應(yīng)可以理解為:由于軟磁材料的磁導(dǎo)率要比非磁性導(dǎo)體高的多,這使得在較低的頻率下就能出現(xiàn)趨膚效應(yīng),外界磁場(chǎng) H ex的變化導(dǎo)致了磁導(dǎo)率的變化,進(jìn)而影響到趨膚深度,最終導(dǎo)致非晶絲阻抗的變化[5～8]。

（5）鉆井液體系在實(shí)際使用過(guò)程中出現(xiàn)一些不穩(wěn)定性，因此，還有很大優(yōu)化空間。為了提高去磺化鉆井液體系的抗鹽及抗溫性能，筆者認(rèn)為日后可以進(jìn)行腐殖酸鹽、硅氟類降濾失劑、聚合物類抗高溫降濾失劑等非磺化處理劑替代SMP、SPNH的研究與配方優(yōu)化的工作，同時(shí)開展去磺化鉆井液體系多元化研究，以滿足不同地層、不同井型的鉆井要求。

2 非晶絲磁探測(cè)器設(shè)計(jì)

2.1 探測(cè)電路框圖

非晶絲磁探測(cè)的技術(shù)途徑是利用高頻交變信號(hào)對(duì)非晶絲激勵(lì)使之產(chǎn)生巨磁阻抗(GMI)效應(yīng)。GM I效應(yīng)表現(xiàn)為:Co基非晶絲中通入高頻電流后,材料兩端電阻抗強(qiáng)烈地依賴于施加于絲軸方向上的外磁場(chǎng)。當(dāng)外磁場(chǎng)改變導(dǎo)致其阻抗發(fā)生變化時(shí),絲兩端的電壓也會(huì)發(fā)生變化,即端電壓的變化反映了外加磁場(chǎng)的變化。根據(jù)該原理,可以設(shè)計(jì)出如下探測(cè)電路框圖,如圖2所示。

圖2 非晶絲磁探測(cè)器電路框圖

2.2 激勵(lì)信號(hào)源

GM I效應(yīng)產(chǎn)生的基礎(chǔ)就是要有一個(gè)高頻信號(hào)對(duì)材料進(jìn)行激勵(lì)。經(jīng)資料調(diào)研目前可供選擇的激勵(lì)方式有兩種:

a)高頻交變電流激勵(lì);

b)尖脈沖電流激勵(lì)。

前者若使用高頻交變電流作為激勵(lì),由于傳感器電路存在繞行電阻,其功耗較大,同時(shí)繞行電阻還會(huì)對(duì)傳感器的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響?；谏鲜鰞稍?此處選擇尖脈沖電流的激勵(lì)方式,如圖3所示。

圖3 窄脈沖發(fā)生電路

該電路中,U1A 、U2A、R1、R2以及 C1構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單非對(duì)稱式多諧振蕩器。該振蕩器的輸出為一方波,其振蕩周期 T≈2.3R1 C1。R d及C d構(gòu)成微分電路,對(duì)多諧振蕩器輸出的方波微分后產(chǎn)生尖脈沖。脈沖寬度與時(shí)間常數(shù)τ=R d C d有關(guān),τ越小,窄脈沖越尖,反之越寬。脈沖電路的輸出信號(hào)仿真圖,如圖4所示。

圖4 微分電路輸出波形

2.3 敏感元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖5 非晶絲高頻脈沖激勵(lì)電路線圈結(jié)構(gòu)圖

2.4 探測(cè)器的信號(hào)調(diào)理電路

圖6為本文磁近感引信的信號(hào)處理電路原理框圖。

圖6 調(diào)理電路框圖

差分電路的輸出信號(hào)經(jīng)四階低通濾波電路預(yù)濾波,截止頻率設(shè)計(jì)為1 kH z,使得高于截止頻率的高頻信號(hào)快速衰減;對(duì)于磁引信系統(tǒng),由于彈目相互作用,可能會(huì)產(chǎn)生波形接近于交變磁場(chǎng)信號(hào)的雙極性信號(hào),要通過(guò)檢波電路將其轉(zhuǎn)變?yōu)閱螛O性信號(hào);此時(shí)的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)外磁場(chǎng)調(diào)制,利用檢波電路對(duì)其進(jìn)行振幅解調(diào),此處采用肖特基二極管構(gòu)成的檢波電路,電路簡(jiǎn)單且能滿足系統(tǒng)要求;檢波后的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波及放大之后,得到反映阻抗變化的電壓信號(hào)。

3 非晶絲微磁探測(cè)器目標(biāo)信號(hào)識(shí)別技術(shù)研究

隨著磁探測(cè)與電子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展,各類干擾及欺騙式誘餌等電磁對(duì)抗器材的出現(xiàn),對(duì)磁引信的性能提出了更高的要求。盡可能識(shí)別目標(biāo)的真?zhèn)?排除各種干擾,并有選擇地跟蹤真實(shí)目標(biāo),已同信號(hào)檢測(cè)和目標(biāo)參數(shù)估計(jì)一樣,成為磁探測(cè)裝置必備的功能。該探測(cè)器的目標(biāo)信號(hào)識(shí)別部分的是基于已測(cè)得的目標(biāo)特性和反裝甲導(dǎo)彈的彈道環(huán)境分別建立坦克目標(biāo)信號(hào)識(shí)別準(zhǔn)則和抗干擾準(zhǔn)則。

目標(biāo)信號(hào)識(shí)別電路邏輯框圖,如圖7所示。

圖7 信號(hào)處理電路邏輯框圖

為提高目標(biāo)識(shí)別的準(zhǔn)確性、定距精度及實(shí)時(shí)性,信號(hào)識(shí)別電路選用DSP為中心單元。通過(guò)對(duì)探測(cè)器輸出信號(hào)的頻率特性、幅度特性、增幅速率及信號(hào)持續(xù)時(shí)間的識(shí)別達(dá)到抗干擾、準(zhǔn)確識(shí)別目標(biāo)的能力。

由于DSP具有實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn),坦克、艦船目標(biāo)速度相對(duì)較慢,而非晶絲探測(cè)器的響應(yīng)速度在100 kH z以上,彈目交會(huì)時(shí)間通常在10 ms左右,經(jīng)計(jì)算,完全可保證信號(hào)處理電路對(duì)數(shù)據(jù)處理有足夠的余度。

目標(biāo)信號(hào)識(shí)別電路結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示。

圖8 目標(biāo)信號(hào)識(shí)別電路結(jié)構(gòu)框圖

信號(hào)處理系統(tǒng)的核心部分是DSP芯片,由于其具有高度的并行性,所以采用DSP作為核心控制器件能夠較好地滿足探測(cè)及識(shí)別的實(shí)時(shí)性要求。復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)具有設(shè)計(jì)靈活、硬件密度高等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于輔助控制邏輯,本系統(tǒng)中的片選信號(hào)及其他邏輯控制信號(hào),以及D/A、A/D與DSP之間的緩沖功能、部分電平轉(zhuǎn)換功能均在CPLD上完成?？紤]到以后系統(tǒng)升級(jí)的需要,特配置了外部程序存儲(chǔ)器SRAM和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器Flash芯片。

由于目標(biāo)部位識(shí)別是提高彈藥武器系統(tǒng)毀傷效果的重要途徑之一,而要進(jìn)行部位識(shí)別,必須利用具有部位特征的信息,對(duì)于坦克目標(biāo)來(lái)說(shuō),坦克各部分磁場(chǎng)便是可利用的信息之一。

因此,后期工作準(zhǔn)備采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),將坦克磁場(chǎng)信息按不同部位進(jìn)行分段序貫融合,并進(jìn)行關(guān)鍵部位識(shí)別,通過(guò)仿真與實(shí)際檢測(cè)實(shí)驗(yàn),以達(dá)到較好的識(shí)別結(jié)果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于非晶絲的巨磁阻抗效應(yīng),研究在彈目交會(huì)過(guò)程中,根據(jù)非晶絲材料阻抗的變化,反映外界磁場(chǎng)信號(hào),利用非晶絲在磁傳感方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),達(dá)到對(duì)磁信號(hào)準(zhǔn)確識(shí)別的目的。

結(jié)合引信的技術(shù)需求,探討了非晶絲磁引信探測(cè)電路的設(shè)計(jì),并提出了其信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)方案?；诜蔷ЫzGM I效應(yīng)的探測(cè)器是能同時(shí)滿足高靈敏度、尺寸微型化、響應(yīng)速度快、功耗低和磁滯小等要求的磁傳感器,而導(dǎo)彈的三維地磁匹配制導(dǎo)系統(tǒng)、磁近炸引信、可攻頂反坦克導(dǎo)彈復(fù)合引信等現(xiàn)代武器裝備系統(tǒng),都需要靈敏度高、響應(yīng)速度快、溫度特性好、功耗低、可微型化等優(yōu)點(diǎn)的微磁傳感探測(cè)技術(shù)。

因此,開展非晶絲材料的應(yīng)用基礎(chǔ)性技術(shù)研究,不僅可提高上述武器系統(tǒng)的抗有源干擾能力及作用可靠性,而且對(duì)導(dǎo)航、制導(dǎo)及引信領(lǐng)域擺脫對(duì)GPS、伽利略等系統(tǒng)的依賴均具有重要戰(zhàn)略意義。

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