電磁跟蹤系統大型三軸正交磁敏傳感器設計*

殷 勤,方虎生,王 東,沈新民

(陸軍工程大學野戰工程學院,南京 210014)

六自由度電磁跟蹤定位系統根據法拉第電磁感應定律研制的空間跟蹤定位裝置,可實時地確定目標的6個參數[1-2],在機載火控系統[3]、精密醫療器械[4-5]、虛擬現實系統[6]、作戰模擬訓練[7]、管道缺陷無損檢測[8]等方面獲得了廣泛應用。現使用頻繁、精度較高的兩種電磁跟蹤成型產品是Ascension公司的Flock of Birds系列和Polhemus公司的3Space Fastrak系列。交流式六自由度電磁跟蹤定位系統一般采用三軸正交磁敏傳感器作為系統發射、接收天線。現廣泛采用的是球形磁芯三軸載流圓環線圈形式的磁敏傳感器。由于其尺寸一般較小,有效輻射距離較近,無法滿足遠距離精確跟蹤定位的要求,限制了其在合成孔徑雷達陣元誤差校正等其他方面的應用[9]。

現在電磁定位系統國內外研究主要側重于定位模型算法精度和誤差矯正,尤其醫學方面的應用研究比較廣泛,系統定位距離一般在1 m以內,對于更遠距離的應用研究開展較少。為了拓展系統應用范圍,增加系統跟蹤定位的有效距離,在進一步提高收發電路功率的基礎上,還需要對電磁跟蹤系統所使用的三軸正交磁敏傳感器進行大型化設計。而在實際設計過程中發現,由于磁芯加工工藝的限制,進一步增加球形磁芯尺寸的難度相當大。同時,為了實現三軸正交均勻磁場,需要對三軸線圈進行嵌套,3個方向使用圓環線圈會很困難,其均勻空間會很小或者線圈將很龐大[10]。

針對球形磁芯圓環結構三軸磁敏傳感器的不足,考慮立方體的幾何結構有助于較為精確保證三軸線圈的正交性和共心性,提出了一種采用正方體磁芯載流方環結構設計大型三軸磁敏傳感器的方案。首先分析了載流方環線圈空間磁場分布規律,驗證其滿足偶極子模型基礎的電磁跟蹤定位系統建模原理。綜合考慮正方體磁芯載流方環磁敏傳感器的磁芯材料、線圈匝數、導線類型、繞制方式等影響因素,研制出一套大型三軸正交磁敏傳感器。利用設計的大型磁敏天線,進行了電磁跟蹤系統實驗,在較遠距離上實現了跟蹤定位的功能,驗證了設計天線的實用性和有效性。

1 載流方環磁場分布

六自由度電磁跟蹤定位系統工作時采用時序激勵的方式,分別向三軸線圈依次饋以低頻正弦電流,三軸線圈依次產生磁場。由于任意時間內只有一個線圈工作,其數學模型可以等效為平面中的閉合載流環。現采用載流方環線圈的形式,需分析其磁場分布情況,驗證其是否滿足電磁跟蹤系統模型建立的基礎。

設一正方形電流環,邊長為2(a),如圖1所示。

圖1 方電流環示意圖

根據畢奧-沙伐定律可知,方電流環在P點所產生的磁感應強度為[10-12]:

(1)

如圖1所示,有:

通過積分,可得上述4個分量的表達式,則載流方環的磁場表達式如下:

(2)

式中:B1,B2,B3,B4如下:

電磁跟蹤定位系統是以磁偶極子模型為基礎建立系統跟蹤定位模型的,現廣泛采用的為載流圓環形式磁偶極子模型,根據上述計算的載流方環磁場表達式,可以對載流圓環、方環線圈二者空間磁場分布規律進行驗證。設置載流方環線圈和圓環線圈面積相等,通以相同的激勵電流,對二者的磁場進行數值仿真,圖2顯示了磁場分量Bx隨距離的變化規律,圖3顯示磁場分量By隨距離的變換規律,圖4顯示了磁場強度分量Hr隨角度θ的變化規律,圖5就二者方向圖進行了對比驗證。

圖4 Hr隨角度θ變化規律

由以上比較結果可知,當場點距離源點的定位距離滿足R>10a時,載流方環線圈磁場變化規律滿足圓環線圈磁場變化規律,符合電磁跟蹤系統磁偶極子定位模型建立原理,因此可以采用載流方環形式設計磁敏傳感器。

圖2 Bx隨距離R變化規律

圖3 By隨距離R變化規律

圖5 方向圖比較

2 三軸正交磁敏傳感器設計

三軸正交磁敏傳感器的參數設計涉及線圈匝數、導線線徑、線圈激勵電流、激勵電流頻率、磁芯導磁率等有關。其中電磁定位系統中線圈的感應電動勢與線圈匝數、線徑、激勵電流大小和頻率均成正比關系。但是考慮到設計加工的實際情況,需要綜合考慮各項因素,科學合理設計上述參數。

2.1 磁芯設計

為了提高磁敏傳感器的有效工作范圍,可以從增大磁芯尺寸和提高磁芯相對磁導率μr兩個方面進行改進。

三軸磁敏傳感器磁芯一般采用軟磁鐵氧體材料。鐵氧體的性能并不僅僅由其化學成分及晶體結構決定的,還需要研究和控制它們的密度、晶粒尺寸、氣孔率以及它們在晶粒內部和晶粒之間的分布等。因此,設計加工高性能大功率鐵氧體材料,配方是基礎、燒結是關鍵。為了保證燒結透徹,鐵氧體材料內部性能均勻,大型立方體磁芯是難以一次燒結成形的。本方案采用由小型長方體形磁芯通過無縫黏合技術組裝成大型立方體磁芯。實際設計中,燒結的長方體磁芯塊尺寸為100 mm×100 mm×25 mm。通過磨加工處理后采用黏合技術,組裝成200 mm×200 mm×200 mm的立方體磁芯供后續設計使用。

磁芯材料選用軟磁鐵氧體材料,對其性能的要求主要有:起始磁導率高;損耗低;截至頻率高;對于溫度、振動和時效的穩定性高;其B-H關系應為良好的線性,體積、重量盡量小,磁芯材料均勻無缺陷。通過比較,選用南京金寧三環富士電氣有限公司的錳鋅軟磁鐵氧體材料6H20。該材料具有低磁芯損耗、高飽和磁通密度、性能優、價格低、應用廣的特點,其技術參數如表1所示。

表1 低損耗鐵氧體材料

2.2 三軸載流線圈的設計

線圈繞制匝數的選擇要考慮兩方面的問題:匝數多,靈敏度高,對于提高測量精度和減小體積重量有利,但對于給定尺寸的磁芯而言,線圈寬度受到限制,匝數過多導致層數過多,給繞制帶來困難,線圈繞制不規則影響正交性,又影響測量精度。同時,線圈的電阻與匝數成正比關系,電感與匝數成平方關系,天線匝數的增加,電感將大于電阻變化,影響磁敏傳感器的動態范圍[13]。

線圈匝數的選擇還與線徑有關。一般,采用較細的線徑允許繞更多的匝數,但線徑太細,功率損耗就大,所以線徑粗細的選擇主要取決于損耗和功率容量。

綜合考慮磁敏傳感器的靈活性、大小、體積、重量、動態范圍和制作工藝等方面的因素,采用0.2 mm的漆包銅線繞制,匝數為200。采用雙層(偶數層)繞制方案,交叉繞制,保證居中,有利于提高三軸正交性。線圈根部引出線進行絞制,減少耦合噪聲的影響。

圖6 大型三軸立方型磁敏傳感器

在上述理論分析和方案設計的基礎上,研制了一套三軸磁敏傳感器,如圖6所示,結構參數如表2所示,并對該磁敏傳感器的性能進行了測試,可以滿足實驗需求。

表2 性能參數

3 系統實驗

為了增加系統的有效定位距離,滿足特殊應用領域的需求(例如合成孔徑雷達成像系統陣元位置校正),研制了大型三軸立方體磁芯天線。受課題研究進度和實驗條件的限制,并考慮未來的應用中主要是針對發射天線進行大型化設計,因此進行系統實驗驗證時,發射天線采用大型三軸磁芯天線,接收天線仍采用小型球形磁芯天線置于實驗平臺接收天線支架上,實驗布局如圖7所示。

圖7 大型三軸磁敏傳感器實驗布局

圖8 系統總控軟件

為了實時采集計算機異步通信串口傳輸的電磁跟蹤系統接收矩陣,調用參數求解算法計算目標定位參數,設計了系統實驗時的總控軟件,軟件界面如圖8所示。通過總控軟件,計算機實時采集接收電路按時序傳輸的三軸接收信號,組成接收矩陣,調用基于MATLAB語言編寫的參數求解算法,計算定位目標的六自由度參數。

實驗結果如表3所示,兩次實驗距離參數分別為:R1=2.56 m、R2=4.1 m。

表3 大型三軸磁芯天線實驗結果

上述實驗結果個別參數的誤差雖然相對偏大,但是考慮到其已經成功將定位距離提高到4 m左右,大大提高了系統的定位距離,初步實現了在遠距離跟蹤定位,驗證了所設計的大型三軸正交磁敏傳感器的可行性。實驗誤差主要有以下幾方面的原因:一是受實驗條件的限制,無法像近距離定位那樣設計精度較高的實驗平臺,實驗過程中的理論目標參數根據實際測量進行換算,客觀上容易導致誤差增大;二是發射天線附近的穩壓電源對激勵磁場會產生干擾,導致參數精度降低;三是大型三軸磁芯天線阻抗相對較大,研制的發射電路功率放大模塊功率難以滿足要求,導致發射信號偏低,噪聲的干擾較大。

4 結論

本文在分析載流方環線圈空間磁場分布規律的基礎上,提出了一種大型三軸正交磁敏傳感器的設計方案,綜合考慮磁芯材料、線圈匝數、導線類型、繞制方式等影響因素,設計加工了一套大型三軸磁敏傳感器,進行了電磁跟蹤系統遠距離定位實驗,驗證了研制的大型磁敏傳感器實用性和有效性。下一步可以從改善實驗條件、改進功率放大電路、設計精度較高的大型實驗平臺等方面著手,以增加系統有效定位距離,提高定位精度,擴展其應用領域。

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