跑道型磁通門磁強計探頭同點性模型分析與研究

吳衛(wèi)權(quán) 張松勇

跑道型磁通門磁強計探頭同點性模型分析與研究

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)境模擬與驗證工程技術(shù)研究中心，上海 200240； 2.上海海事大學 物流科學與工程研究院，上海 201306）

在磁通門磁強計正交三分量探頭的引用中，對于被測磁矩，探頭結(jié)構(gòu)在中心位置磁場強度的同點性將直接影響檢測結(jié)果的真實可靠性。本文針對單分量探頭、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，對被測近源磁矩產(chǎn)生的中心場同點性模型作了分析與研究。通過建立、、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)域平均場值與實際產(chǎn)生的場值之間的差異和區(qū)別；并且就磁場強度的檢測讀值與實際場強的偏差系數(shù)與磁芯長度，偏心距，場源距系數(shù)，不同磁芯間方位、距離等的關(guān)系作了詳細的分析計算，得到了有效計算結(jié)果和數(shù)據(jù)。

跑道型；磁通門；磁強計；探頭；同點性；模型

1 引言

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

跑道型磁通門磁強計通過探頭中心基準點作磁場強度的測定計算，其中，探頭檢測的磁場強度是探頭（主要是磁芯）區(qū)域場強的體積平均，探頭結(jié)構(gòu)的體積直接影響磁體磁矩的精確測定，尤其是對近源磁矩值的測定與分析。在正交三分量探頭的引用中，對于被測磁矩，探頭結(jié)構(gòu)在中心位置磁場強度的同點性將直接影響檢測結(jié)果的真實可靠性。本文就單分量與多分量探頭結(jié)構(gòu)形狀，對被測近源磁矩產(chǎn)生的中心場同點性模型作了分析與研究，并討論其不同設(shè)計和計算結(jié)果[1，2]。

2 近源場與遠源場

當相對磁體中心距離比較近，磁體的體積相對比較大，可以把該宏觀磁體看成是磁體內(nèi)各位置點的元磁矩的集合，在短距離內(nèi)，至磁體的內(nèi)部，該位置點的磁場強度，可簡單地看成為整個磁體內(nèi)各微觀點元磁矩對該點產(chǎn)生磁場強度的總和[6，7]：

（4）

磁體作為磁場源，若在其磁場分布的考察范圍內(nèi)，磁場強度的梯度相對比較小，對考察區(qū)的磁場分布相對地認為是均勻的，該磁場源稱為遠源，其磁場稱為遠源場，反之稱近源與近源場。因此，遠源場也稱均勻場，近源場也稱梯度場[8]。

3 單分量探頭對點元磁矩的同點性

圖2 單分量探頭簡單模型1示意圖

因此在探頭區(qū)域軸向磁場的平均：

而該元磁矩在探頭中心點的實際磁場：

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

表1 場源距系數(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模型方式測量，在距點元磁矩較近時，測量值低于探頭中心實際值，探頭越長，距離越近，偏差系數(shù)越大。

圖4 單分量探頭簡單模型2示意圖

探頭區(qū)域軸向磁場的平均：

該元磁矩在探頭中心點的實際磁場：

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

圖5 場源距系數(shù)n與偏差系數(shù)對應(yīng)曲線

上述關(guān)系表明：按圖4模型方式測量，當元磁矩與探頭端點較近時，測量值高于探頭中心實際值，探頭越長，距離越近，偏差系數(shù)越小。

4 偏心放置單分量探頭的同點性

圖6 x方向偏心z分量探頭模型示意圖

因此探頭區(qū)域軸向磁場的平均：

該元磁矩在中心位置的實際磁場：

4.2 y方向偏心z分量探頭對場的測定

圖7 y方向偏心z分量探頭模型示意圖

探頭區(qū)域軸向磁場的平均：

（19）

該元磁矩在中心位置的實際磁場：

因此，按圖7模型方式，偏心探頭測量值與實際值的偏差系數(shù)：

4.3 z方向偏心分量探頭對場的測定

探頭區(qū)域軸向磁場的平均：

該元磁矩在中心位置的實際磁場：

因此，按圖8模型方式，偏心探頭測量值與實際值的偏差系數(shù)：

5 六芯式正交三分量探頭的同點性

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、實際場值與偏差系數(shù)：

由式（15）～式（17）得組的平均值、實際場值與偏差系數(shù)：

由式（19）～式（21）得組探頭的平均值、實際場值與偏差系數(shù)：

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

圖10 場源距系數(shù)n與偏差系數(shù)對應(yīng)曲線

圖11 場源距系數(shù)n與偏差系數(shù)對應(yīng)曲線

圖12 場源距系數(shù)n與偏差系數(shù)對應(yīng)曲線

6 結(jié)束語

磁通門磁強計探頭用于磁場的測定，對于遠源均勻場，不存在探頭結(jié)構(gòu)的同點性問題，探頭長度越大，越利于靈敏度與穩(wěn)定性的提高。由于實際環(huán)境存在多種場源的不同干擾，若要精確測定探頭位置的磁場強度，探頭的同點性成為檢測精度的重要因素。磁通門磁強計對于近源場點磁矩強度、方位、距離的精確測定，探頭結(jié)構(gòu)的同點性是關(guān)鍵因素之一，多芯式檢測裝置，偏心磁芯組合模型結(jié)構(gòu)是一種常用最優(yōu)的設(shè)計方式。本文針對幾種偏心結(jié)構(gòu)的基本模式，就磁場強度的檢測讀值與實際場強的偏差系數(shù)與磁芯長度，偏心距，場源矩系數(shù)值，不同磁芯間方位、距離等的關(guān)系作了詳細的分析與計算，可為相關(guān)科研人員在磁通門磁強計探頭的設(shè)計研究中提供有益參考和幫助。

1 周斌. 螢火一號火星探測器磁通門磁強計高精度標定技術(shù)[J]. 上海航天，2013，30(4)：179～182

2 劉楠楠. 反饋磁場均勻性對磁通門磁強計的影響分析[J]. 空間科學學報，2015，35(2)：211～216

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

4 郭碩鴻. 電動力學[M]. 北京：高等教育出版社，1997：65～75

5 谷超豪. 數(shù)學物理方程[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航天器磁性評估和控制方法[S]. 2015：25～28

9 袁楠. GB 3102.5電學和磁學的量和單位[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，電磁測量專業(yè)；研究方向：航天器磁設(shè)計、磁測試。

2019-04-27