汪雪蓮 朱旭輝 龔凱(第七一五研究所,杭州,310023)
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抗傾斜小尺寸高精度地磁傳感器研究
汪雪蓮 朱旭輝 龔凱
(第七一五研究所,杭州,310023)
摘要為提高磁通門(mén)羅盤(pán)的可靠性和測(cè)量精度、擴(kuò)大其適用性,對(duì)抗傾斜小尺寸高精度地磁傳感器的磁通門(mén)羅盤(pán)探頭的電路進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)。經(jīng)實(shí)際測(cè)量,探頭均能達(dá)到小于0.3°的精度,實(shí)現(xiàn)?20°~20°的抗傾斜,均方誤差精度也小于0.5°。
關(guān)鍵詞地磁傳感器;磁通門(mén)羅盤(pán);探頭電路設(shè)計(jì);高精度
目前方位測(cè)定主要有地磁傳感器(也稱(chēng)地磁羅盤(pán))和慣性導(dǎo)航兩種。慣性導(dǎo)航如陀螺儀是基于感受地球自轉(zhuǎn)角速度來(lái)定位的,雖然能實(shí)現(xiàn)高精度定位,但技術(shù)復(fù)雜、價(jià)格高昂、維護(hù)困難、體積大且啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng),除了遠(yuǎn)洋船艦、飛機(jī)、衛(wèi)星導(dǎo)航定位測(cè)地車(chē)等少數(shù)貴重載體外,其它很少選用。地磁傳感器是地球范圍內(nèi)以地球自轉(zhuǎn)軸(磁北)為標(biāo)定基準(zhǔn),大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域唯一可選的定向設(shè)備。磁通門(mén)羅盤(pán)是地磁傳感器的一種,具有簡(jiǎn)單、高精度、高可靠性、響應(yīng)時(shí)間短、小體積、低成本等卓越的綜合特性,優(yōu)于其它地磁測(cè)向設(shè)備。磁通門(mén)羅盤(pán)探頭(以下簡(jiǎn)稱(chēng)磁通門(mén)探頭)是磁通門(mén)羅盤(pán)的核心元件,它決定了磁通門(mén)羅盤(pán)的主要性能。本文介紹一種抗傾斜小尺寸高精度地磁傳感器磁通門(mén)探頭的設(shè)計(jì)方法,及相應(yīng)的具體電路設(shè)計(jì)。
磁通門(mén)的基本工作原理是電磁感應(yīng)并服從法拉第電磁感應(yīng)定律,下面以簡(jiǎn)易模型介紹磁通門(mén)的工作原理。在一根軟磁鐵芯上纏繞勵(lì)磁線圈和感應(yīng)線圈,鐵芯截面積為S,磁導(dǎo)率為μ,勵(lì)磁線圈在鐵芯上建立的勵(lì)磁磁場(chǎng)為H~,感應(yīng)線圈的有效匝數(shù)為W2,則感應(yīng)線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為:
這是變壓器理想模型,但實(shí)際由于鐵芯磁化曲線的非線性,勵(lì)磁磁場(chǎng)瞬時(shí)值變化難免會(huì)引起鐵芯磁導(dǎo)率的變化,因此實(shí)際變壓器的數(shù)學(xué)模型為:
其中勵(lì)磁磁場(chǎng)強(qiáng)度:
式中,f1為勵(lì)磁頻率。
鐵芯的外加磁場(chǎng)除了勵(lì)磁磁場(chǎng)外還有環(huán)境磁場(chǎng)。如果考慮到環(huán)境磁場(chǎng)加在鐵芯軸向的分量H0時(shí),則感應(yīng)線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)動(dòng)勢(shì)可表示為:
因?yàn)閯?lì)磁磁場(chǎng)瞬時(shí)值呈周期性變化,但鐵芯磁導(dǎo)率μ變化無(wú)正負(fù)之分,所以μ(t)是偶函數(shù),表達(dá)式為:
式中,μ0m是μ(t)的常值分量;μ2m、μ4m、μ6m…為μ(t)的偶次諧波分量幅值。
當(dāng)H0比鐵芯飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度Hs和勵(lì)磁磁場(chǎng)強(qiáng)度幅值Hm都小得多時(shí),它對(duì)鐵芯磁導(dǎo)率μ(t)的影響可以忽略,(3)式末項(xiàng)就是環(huán)境磁場(chǎng)H0引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的增量e(H0),則:
式(5)證明只要鐵芯磁導(dǎo)率μ隨勵(lì)磁磁場(chǎng)強(qiáng)度而變,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中就會(huì)出現(xiàn)隨環(huán)境磁場(chǎng)強(qiáng)度而變的偶次諧波增量e(H0),當(dāng)鐵芯處于周期性過(guò)飽和工作狀態(tài)時(shí),e(H0)將顯著增大,磁通門(mén)探頭就是利用這一原理來(lái)測(cè)試地磁場(chǎng)大小和方向的。
測(cè)量地磁方位的磁通門(mén)羅盤(pán)一般采用二維磁通門(mén)探頭,本設(shè)計(jì)的磁通門(mén)探頭由軟磁材料鐵芯、鐵芯固定支架、繞線骨架、勵(lì)磁線圈、感應(yīng)線圈等組成,結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。
圖1 磁通門(mén)探頭結(jié)構(gòu)示意圖
勵(lì)磁線圈每隔90°分匝數(shù)相等的四部分均勻繞在圓環(huán)形鐵芯心上,在圓環(huán)鐵芯心外圍正交的繞制兩路感應(yīng)線圈。
從磁通門(mén)工作原理可以看到磁通門(mén)探頭是一種變壓器式的器件。只不過(guò)有用信號(hào)是變壓器不希望出現(xiàn)的磁通門(mén)信號(hào),變壓器效應(yīng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)卻成了對(duì)磁通門(mén)探頭有害的探頭噪躁聲,在設(shè)計(jì)中要盡量減小。
2.1探頭鐵芯設(shè)計(jì)
2.1.1形狀選擇
對(duì)單鐵芯探頭來(lái)說(shuō),感應(yīng)線圈輸出的磁通門(mén)信號(hào)相比變壓器效應(yīng)信號(hào)非常微弱。為實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量,必須設(shè)法減小磁通門(mén)探頭變壓器效應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),最好的辦法是設(shè)計(jì)出雙鐵芯差分探頭。通常的辦法是采用兩個(gè)平行的單鐵芯探頭,它們的勵(lì)磁線圈反向串聯(lián),感應(yīng)線圈同向組成,才能使變壓器效應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相抵消,而磁通門(mén)信號(hào)疊加。這種方法存在鐵芯匹配、安裝困難,由于鐵芯和繞線很難一致,精度不會(huì)太高。同時(shí)兩路需要四個(gè)匹配的單鐵芯,體積和調(diào)試難度也會(huì)加大。
如圖1的磁通門(mén)探頭設(shè)計(jì)采用一片圓形鐵芯,勵(lì)磁線圈由4組互相正交、大小相等、方向相同串聯(lián)的線圈組成;感應(yīng)線圈由兩組正交的大小相等的線圈組成。勵(lì)磁磁場(chǎng)在同一組感應(yīng)線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電流相互抵消,而由于地磁場(chǎng)方向在同一地點(diǎn)是穩(wěn)定不變的,所以它在感應(yīng)線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電流是相互疊加的。對(duì)同一片小軟磁圓片材料來(lái)說(shuō),達(dá)到磁性能相近相對(duì)來(lái)說(shuō)是很容易實(shí)現(xiàn)的,這樣設(shè)計(jì)對(duì)線圈的一致性要求也降低了很多,從結(jié)構(gòu)上保證了高精度測(cè)量。
2.1.2材料選擇
鐵芯是磁通門(mén)探頭的核心器件,決定著磁通門(mén)探頭的所有性能。磁通門(mén)探頭要求軟磁材料具有高磁導(dǎo)率、低矯頑力和損耗、磁性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。比較適合磁通門(mén)的軟磁材料有坡莫合金和鈷基非晶合金等,坡莫合金對(duì)應(yīng)力比較敏感、加工和熱處理復(fù)雜,鈷基非晶合金具有接近于零的飽和磁致伸縮系數(shù),對(duì)應(yīng)力不敏感,但價(jià)格昂貴。
2.2勵(lì)磁線圈和感應(yīng)線圈設(shè)計(jì)
勵(lì)磁線圈根據(jù)鐵芯材料的特點(diǎn)和磁化曲線設(shè)計(jì),線圈產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場(chǎng)使鐵芯工作在飽和區(qū)附近,這樣地磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào)就能達(dá)到最大,最佳圈數(shù)和勵(lì)磁電壓可根據(jù)實(shí)際調(diào)整。
感應(yīng)線圈一般根據(jù)最大體積盡可能多的圈數(shù),以增加探頭靈敏度。但是如果層數(shù)太多,漏磁增加也會(huì)帶來(lái)噪躁聲,所以最后也是通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行最后調(diào)整。
2.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.3.1骨架設(shè)計(jì)
骨架是安裝鐵芯和繞線的支架,骨架的設(shè)計(jì)核心是定位基準(zhǔn)精確。磁通門(mén)探頭由下腔體、上蓋以及限位擋圈等幾個(gè)零件組成,這幾個(gè)零件全部采用聚碳酸脂注塑成型,限位擋圈的作用是防止鐵芯在腔體內(nèi)部旋轉(zhuǎn),上蓋和腔體之間配合面均勻涂密封膠,保證腔體內(nèi)密封。腔體和上蓋圓周方向外表面均勻分布8槽,勵(lì)磁感應(yīng)線圈繞在槽內(nèi),結(jié)構(gòu)外圍開(kāi)小孔用于裝配焊腳,方便羅盤(pán)直接裝配在印制板上,結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。
圖2 骨架結(jié)構(gòu)示意圖
2.3.2抗傾斜設(shè)計(jì)
磁通門(mén)探頭采用鐵芯漂浮在骨架內(nèi)的液體內(nèi)實(shí)現(xiàn)一定角度的抗傾斜,比起設(shè)計(jì)復(fù)雜的機(jī)械抗傾斜裝置,這種方法更簡(jiǎn)單、可靠。由于鐵芯材料是金屬材料,比重偏大,比重大的無(wú)毒、絕緣、熔點(diǎn)低于?40℃的溶劑稀有,因此必須通過(guò)固定鐵芯保護(hù)殼的設(shè)計(jì),降低鐵芯套件的比重。受體積的限制鐵芯保護(hù)殼只能超薄,但同時(shí)必須保證一定的剛度和較小的密度。本鐵芯保護(hù)殼采用特定的浮力材料設(shè)計(jì),既具有一定的剛度又能有效地降低鐵芯套件的比重,使其能漂浮在比重為0.95的無(wú)毒硅油溶劑中。
羅盤(pán)電路主要包括激勵(lì)電路和感應(yīng)信號(hào)調(diào)理等電路,其中激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生激磁線圈的激勵(lì)源,感應(yīng)信號(hào)調(diào)理電路接收感應(yīng)線圈的信號(hào)并經(jīng)處理得到兩路攜帶地磁信息的直流信號(hào)。激勵(lì)電路由信號(hào)發(fā)生器和驅(qū)動(dòng)電路組成,信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生3~6 kHz的激勵(lì)信號(hào),通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)磁傳感器探頭的勵(lì)磁線圈,其中原理電路如圖3。
圖3 驅(qū)動(dòng)電路原理圖
感應(yīng)信號(hào)調(diào)理電路由鑒相電路、放大濾波、電平調(diào)整等電路組成,主要實(shí)現(xiàn)接收并檢測(cè)感應(yīng)線圈中與地磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)的信息,主要原理圖如圖4。
圖4 感應(yīng)信號(hào)調(diào)理電路原理圖
經(jīng)測(cè)試坡莫合金J79和J85兩種材料的磁通門(mén)探頭均能達(dá)到小于0.3°的精度,經(jīng)過(guò)?40℃~55℃溫度試驗(yàn)后測(cè)試性能穩(wěn)定,能實(shí)現(xiàn)?20°~20°的抗傾斜,均方誤差精度也小于0.5°,具體誤差分布見(jiàn)圖5 J85材料磁通門(mén)誤差分布圖和圖6 J79材料磁通門(mén)誤差分布圖。
圖5 J85材料磁通門(mén)誤差分布圖
圖6 J79材料磁通門(mén)誤差分布圖
目前國(guó)內(nèi)使用的磁通門(mén)探頭采用雙差分磁芯設(shè)計(jì),匹配調(diào)試復(fù)雜、安裝困難,二維磁通門(mén)傳感器采用機(jī)械傾斜,存在加工難度大和體積巨大等問(wèn)題。本磁通門(mén)探頭設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,以此磁通門(mén)探頭為基礎(chǔ)元件設(shè)計(jì)的磁通門(mén)羅盤(pán)具有成本低、精度高、調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn),能廣泛應(yīng)用于航海、船舶、工程等需要測(cè)向定位的領(lǐng)域,具有廣闊的使用前景。
參考文獻(xiàn) :
[1]張學(xué)孚, 陸怡良. 磁通門(mén)技術(shù)[M]. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1995.