跑道型磁通門磁強(qiáng)計(jì)探頭同點(diǎn)性模型分析與研究

吳衛(wèi)權(quán) 張松勇

跑道型磁通門磁強(qiáng)計(jì)探頭同點(diǎn)性模型分析與研究

吳衛(wèi)權(quán)1張松勇2

（1.上海衛(wèi)星裝備研究所 空間環(huán)境模擬與驗(yàn)證工程技術(shù)研究中心，上海 200240； 2.上海海事大學(xué) 物流科學(xué)與工程研究院，上海 201306）

在磁通門磁強(qiáng)計(jì)正交三分量探頭的引用中，對(duì)于被測(cè)磁矩，探頭結(jié)構(gòu)在中心位置磁場(chǎng)強(qiáng)度的同點(diǎn)性將直接影響檢測(cè)結(jié)果的真實(shí)可靠性。本文針對(duì)單分量探頭、偏心放置單分量探頭、六芯式正交三分量探頭等幾種偏心結(jié)構(gòu)模式，對(duì)被測(cè)近源磁矩產(chǎn)生的中心場(chǎng)同點(diǎn)性模型作了分析與研究。通過(guò)建立、、三方向不同探頭之間的偏心模型，獲得元磁矩在不同偏心模型下探頭區(qū)域平均場(chǎng)值與實(shí)際產(chǎn)生的場(chǎng)值之間的差異和區(qū)別；并且就磁場(chǎng)強(qiáng)度的檢測(cè)讀值與實(shí)際場(chǎng)強(qiáng)的偏差系數(shù)與磁芯長(zhǎng)度，偏心距，場(chǎng)源距系數(shù)，不同磁芯間方位、距離等的關(guān)系作了詳細(xì)的分析計(jì)算，得到了有效計(jì)算結(jié)果和數(shù)據(jù)。

跑道型；磁通門；磁強(qiáng)計(jì)；探頭；同點(diǎn)性；模型

1 引言

磁通門磁強(qiáng)計(jì)以其體積小、頻率響應(yīng)和量程范圍寬、穩(wěn)定性好、分量測(cè)試等優(yōu)點(diǎn)已成功應(yīng)用于航天器地面磁環(huán)境模擬設(shè)備中地磁及環(huán)境磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)，各種磁體磁場(chǎng)和磁矩的測(cè)試、分析與計(jì)算；航天器在軌空間磁場(chǎng)探測(cè)等。其中，磁強(qiáng)計(jì)探頭的結(jié)構(gòu)形狀是影響儀器靈敏度的一大主要因素。

跑道型磁通門磁強(qiáng)計(jì)通過(guò)探頭中心基準(zhǔn)點(diǎn)作磁場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)定計(jì)算，其中，探頭檢測(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度是探頭（主要是磁芯）區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)的體積平均，探頭結(jié)構(gòu)的體積直接影響磁體磁矩的精確測(cè)定，尤其是對(duì)近源磁矩值的測(cè)定與分析。在正交三分量探頭的引用中，對(duì)于被測(cè)磁矩，探頭結(jié)構(gòu)在中心位置磁場(chǎng)強(qiáng)度的同點(diǎn)性將直接影響檢測(cè)結(jié)果的真實(shí)可靠性。本文就單分量與多分量探頭結(jié)構(gòu)形狀，對(duì)被測(cè)近源磁矩產(chǎn)生的中心場(chǎng)同點(diǎn)性模型作了分析與研究，并討論其不同設(shè)計(jì)和計(jì)算結(jié)果[1，2]。

2 近源場(chǎng)與遠(yuǎn)源場(chǎng)

當(dāng)相對(duì)磁體中心距離比較近，磁體的體積相對(duì)比較大，可以把該宏觀磁體看成是磁體內(nèi)各位置點(diǎn)的元磁矩的集合，在短距離內(nèi)，至磁體的內(nèi)部，該位置點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，可簡(jiǎn)單地看成為整個(gè)磁體內(nèi)各微觀點(diǎn)元磁矩對(duì)該點(diǎn)產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度的總和[6，7]：

（4）

磁體作為磁場(chǎng)源，若在其磁場(chǎng)分布的考察范圍內(nèi)，磁場(chǎng)強(qiáng)度的梯度相對(duì)比較小，對(duì)考察區(qū)的磁場(chǎng)分布相對(duì)地認(rèn)為是均勻的，該磁場(chǎng)源稱為遠(yuǎn)源，其磁場(chǎng)稱為遠(yuǎn)源場(chǎng)，反之稱近源與近源場(chǎng)。因此，遠(yuǎn)源場(chǎng)也稱均勻場(chǎng)，近源場(chǎng)也稱梯度場(chǎng)[8]。

3 單分量探頭對(duì)點(diǎn)元磁矩的同點(diǎn)性

圖2 單分量探頭簡(jiǎn)單模型1示意圖

因此在探頭區(qū)域軸向磁場(chǎng)的平均：

而該元磁矩在探頭中心點(diǎn)的實(shí)際磁場(chǎng)：

若定義距離與探頭長(zhǎng)度的比值為場(chǎng)源距系數(shù)n，則得到場(chǎng)源距系數(shù)n與偏差系數(shù)的數(shù)據(jù)關(guān)系，見表1，場(chǎng)源距系數(shù)n與偏差系數(shù)對(duì)應(yīng)變化曲線見圖3。

表1 場(chǎng)源距系數(shù)n與偏差系數(shù)數(shù)據(jù)關(guān)系[9]

上述關(guān)系表明：按圖2模型方式測(cè)量，在距點(diǎn)元磁矩較近時(shí)，測(cè)量值低于探頭中心實(shí)際值，探頭越長(zhǎng)，距離越近，偏差系數(shù)越大。

圖4 單分量探頭簡(jiǎn)單模型2示意圖

探頭區(qū)域軸向磁場(chǎng)的平均：

該元磁矩在探頭中心點(diǎn)的實(shí)際磁場(chǎng)：

表2 場(chǎng)源距系數(shù)n與偏差系數(shù)數(shù)據(jù)關(guān)系

圖5 場(chǎng)源距系數(shù)n與偏差系數(shù)對(duì)應(yīng)曲線

上述關(guān)系表明：按圖4模型方式測(cè)量，當(dāng)元磁矩與探頭端點(diǎn)較近時(shí)，測(cè)量值高于探頭中心實(shí)際值，探頭越長(zhǎng)，距離越近，偏差系數(shù)越小。

4 偏心放置單分量探頭的同點(diǎn)性

圖6 x方向偏心z分量探頭模型示意圖

因此探頭區(qū)域軸向磁場(chǎng)的平均：

該元磁矩在中心位置的實(shí)際磁場(chǎng)：

4.2 y方向偏心z分量探頭對(duì)場(chǎng)的測(cè)定

圖7 y方向偏心z分量探頭模型示意圖

探頭區(qū)域軸向磁場(chǎng)的平均：

（19）

該元磁矩在中心位置的實(shí)際磁場(chǎng)：

因此，按圖7模型方式，偏心探頭測(cè)量值與實(shí)際值的偏差系數(shù)：

4.3 z方向偏心分量探頭對(duì)場(chǎng)的測(cè)定

探頭區(qū)域軸向磁場(chǎng)的平均：

該元磁矩在中心位置的實(shí)際磁場(chǎng)：

因此，按圖8模型方式，偏心探頭測(cè)量值與實(shí)際值的偏差系數(shù)：

5 六芯式正交三分量探頭的同點(diǎn)性

圖9 六芯式正交三分量探頭模型示意圖

由式（23）～式（25）得組的平均值、實(shí)際場(chǎng)值與偏差系數(shù)：

由式（15）～式（17）得組的平均值、實(shí)際場(chǎng)值與偏差系數(shù)：

由式（19）～式（21）得組探頭的平均值、實(shí)際場(chǎng)值與偏差系數(shù)：

表3 場(chǎng)源距系數(shù)n與偏差系數(shù)、、數(shù)據(jù)關(guān)系

圖10 場(chǎng)源距系數(shù)n與偏差系數(shù)對(duì)應(yīng)曲線

圖11 場(chǎng)源距系數(shù)n與偏差系數(shù)對(duì)應(yīng)曲線

圖12 場(chǎng)源距系數(shù)n與偏差系數(shù)對(duì)應(yīng)曲線

6 結(jié)束語(yǔ)

磁通門磁強(qiáng)計(jì)探頭用于磁場(chǎng)的測(cè)定，對(duì)于遠(yuǎn)源均勻場(chǎng)，不存在探頭結(jié)構(gòu)的同點(diǎn)性問(wèn)題，探頭長(zhǎng)度越大，越利于靈敏度與穩(wěn)定性的提高。由于實(shí)際環(huán)境存在多種場(chǎng)源的不同干擾，若要精確測(cè)定探頭位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度，探頭的同點(diǎn)性成為檢測(cè)精度的重要因素。磁通門磁強(qiáng)計(jì)對(duì)于近源場(chǎng)點(diǎn)磁矩強(qiáng)度、方位、距離的精確測(cè)定，探頭結(jié)構(gòu)的同點(diǎn)性是關(guān)鍵因素之一，多芯式檢測(cè)裝置，偏心磁芯組合模型結(jié)構(gòu)是一種常用最優(yōu)的設(shè)計(jì)方式。本文針對(duì)幾種偏心結(jié)構(gòu)的基本模式，就磁場(chǎng)強(qiáng)度的檢測(cè)讀值與實(shí)際場(chǎng)強(qiáng)的偏差系數(shù)與磁芯長(zhǎng)度，偏心距，場(chǎng)源矩系數(shù)值，不同磁芯間方位、距離等的關(guān)系作了詳細(xì)的分析與計(jì)算，可為相關(guān)科研人員在磁通門磁強(qiáng)計(jì)探頭的設(shè)計(jì)研究中提供有益參考和幫助。

1 周斌. 螢火一號(hào)火星探測(cè)器磁通門磁強(qiáng)計(jì)高精度標(biāo)定技術(shù)[J]. 上海航天，2013，30(4)：179～182

2 劉楠楠. 反饋磁場(chǎng)均勻性對(duì)磁通門磁強(qiáng)計(jì)的影響分析[J]. 空間科學(xué)學(xué)報(bào)，2015，35(2)：211～216

3 趙凱華，陳熙. 電磁學(xué)（上、下）[M].北京：高等教育出版社，1985：221～229

4 郭碩鴻. 電動(dòng)力學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，1997：65～75

5 谷超豪. 數(shù)學(xué)物理方程[M].北京：高等教育出版社，2002：80～90

6 Moskowitz & Lynch. Magnetostatic measurement of spacecraft magnetic dipole moment[R]. IEEE Trans, Aerospace, 1993(2): 2～10

7 Eichhorn W L. Magnetic dipole moment determination by near-field analysis [R]. NASA, TND-6685, 1997(11): 23～27

8 吳衛(wèi)權(quán). GB/T 32307航天器磁性評(píng)估和控制方法[S]. 2015：25～28

9 袁楠. GB 3102.5電學(xué)和磁學(xué)的量和單位[S]. 1993：9～10

Analysis and Research to Identity of Sensor of Runway Pattern Flue-gate Magnetometers

Wu Weiquan1Zhang Songyong2

(1. Shanghai Research Center of Engineering Technology for Space Environment Simulation & Verification,Shanghai Institute of Satellite Equipment, Shanghai 200240;2. Institute of Logistics & Engineering, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306)

For the measured magnetic moment, with the application of three-orthogonal-components sensors of flux-gate magnetometer, the identity of magnetic field strength in the structural centre of the sensors will have a direct impact on the authenticity of the testing results. This paper analyzes and studies the identity models of centre magnetic fields produced by the tested near-source magnetic moments based on several eccentric structure patterns such as single component sensors, eccentric-placed single component sensors and three-orthogonal-components sensors with six magnetic cores. By eccentric models established through 3 directions (,andaxis), obtains the difference between unit-moment’s average and actual value of magnetic fields under different model’s magnetic core areas. It also performs detailed analysis and calculations based on deviation coefficients between magnetic field strength detected by the magnetometer and actual magnetic field strengths, magnetic core lengths, eccentric distances, source distance coefficients, directions and distances between different magnetic cores so as to receive effective data and results.

runwaypattern；flue-gate；magnetometers；sensor；identity；model

總裝十一五某課題（0720913）。

吳衛(wèi)權(quán)（1965），研究員，電磁測(cè)量專業(yè)；研究方向：航天器磁設(shè)計(jì)、磁測(cè)試。

2019-04-27