李宏宇,李 昆,張明瑞
(哈爾濱工程大學(xué),黑龍江 哈爾濱150001)
在航天航海環(huán)境中,測量運(yùn)動載體的方位和姿態(tài)角時,如,流向、風(fēng)向、航向、方位、海洋機(jī)器人水下運(yùn)動姿態(tài)等都要用到方位傳感器。由于工作環(huán)境條件十分惡劣,對傳感器的要求也極其嚴(yán)格。以往常用的磁羅盤或慣性平臺多為有觸點(diǎn)部件,易于磨損,其工作可靠性較差,而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗大、使用維修都比較困難。磁通門羅盤能從根本上克服以上的缺點(diǎn),能夠提升測量準(zhǔn)確度[1]。它無觸點(diǎn)部件、無軸承、無永久磁鐵,所以,具有功耗小、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、壽命長、使用維修方便等特點(diǎn)。
本文根據(jù)實(shí)際工程的需要,改善了磁通門探頭的制作工藝,設(shè)計了環(huán)型正交磁通門探頭,并采用硅油作為阻尼液來保持探頭的穩(wěn)定性和水平。激勵磁場均勻作用于磁芯上,呈正交的兩路感應(yīng)線圈產(chǎn)生的二次諧波信號可用于地磁方位角測量,并通過硬件實(shí)現(xiàn)和軟件補(bǔ)償方式保證航向角度值測量精度。磁通門羅盤具有數(shù)字輸出的功能,可在ms 級時間內(nèi)提供數(shù)據(jù),方便與高速采樣的計算機(jī)相連。
磁通門羅盤是利用被測磁場中軟磁材料在交變電場的飽和激勵下其磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度的非線性關(guān)系制作的測磁傳感器[2]。磁通門探頭制作過程中磁芯的選擇和探頭的制備工藝是影響磁通門羅盤的主要因素。
傳統(tǒng)的正交磁通門制作是選擇高導(dǎo)磁材料如坡莫合金作為磁芯,纏繞在無磁鋼制作的骨架上,經(jīng)高溫煅燒、釋放應(yīng)力等過程使磁芯磁滯回線達(dá)到預(yù)定要求。采用非導(dǎo)磁性材料制作外殼,在外殼內(nèi)部腔體中放入阻尼液以浮起磁芯骨架,激勵線圈和感應(yīng)線圈纏繞在外殼外部。本文主要對磁芯的制作工藝進(jìn)行改善,選取聚四氟乙烯制作磁芯的支撐骨架,將磁芯處理后纏繞在骨架上并釋放應(yīng)力,同時在阻尼液的選取上能夠節(jié)約成本。阻尼液的作用是使磁芯能夠在一定程度上保持水平狀態(tài),無磁鋼作為骨架時需選取密度較大的氟油作為阻尼液以浮起磁芯線圈,而聚四氟乙烯作為骨架時,所需阻尼液密度較小,可供選擇種類繁多,價格低廉。磁通門探頭示意圖如圖1。
磁芯磁導(dǎo)率的變化對環(huán)境場起到濾波作用,相應(yīng)的磁通量被調(diào)制并產(chǎn)生感應(yīng)電勢,這種器件稱為磁通門探頭,它能將環(huán)境磁場調(diào)制成偶次諧波感應(yīng)電勢,這就是磁通門現(xiàn)象[3]。
圖1 正交磁通門探頭簡圖Fig 1 Diagram of orthogonal fluxgate probe
鐵芯的磁導(dǎo)率隨激勵磁場強(qiáng)度產(chǎn)生變化時,感應(yīng)電勢中會出現(xiàn)隨被測環(huán)境磁場強(qiáng)度而變化的偶次諧波增量。理論上,任意偶次諧波電壓都可以用來度量被測磁場,然而當(dāng)飽和深度發(fā)生變化時,高次諧波分量的穩(wěn)定性很差,并且諧波電壓會隨著諧波次數(shù)的增加而逐漸衰減,所以,通常都選擇二次諧波法來測量被測磁場[4~8]。
被測磁場的磁場強(qiáng)度H0非常小,遠(yuǎn)小于飽和磁場強(qiáng)度Hs以及激勵磁場強(qiáng)度幅值Hm,且當(dāng)時,如施加激勵磁場H=Hmcos2πft,二次諧波幅值簡化后表達(dá)式為
式中 μ 為磁導(dǎo)率,W 為感應(yīng)線圈匝數(shù),S 為探頭截面積。
正交磁通門輸出信號為呈正交的X,Y 兩路信號
電路設(shè)計的整體包括磁通門激勵電路、探頭輸出模擬處理部分、探頭輸出數(shù)字處理部分、輸出顯示部分??傮w方案圖如圖2 所示。
圖2 硬件電路整體方案圖Fig 2 Overall scheme of hardware circuit
1)激勵電路
3.840 MHz 的晶振產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號,CD4060 芯片分頻得到標(biāo)準(zhǔn)的7.5 kHz 激勵信號和15 kHz 檢波信號。
2)模擬處理部分
a.帶通濾波
用于提取輸出信號中的二次諧波,基波和三次諧波是最大的干擾信號,因此,其性能直接影響系統(tǒng)的精確度。
b.相敏檢波
通過標(biāo)準(zhǔn)15 kHz 方波對濾波器輸出信號進(jìn)行截取,進(jìn)一步濾除干擾噪聲,采用雙向傳輸門實(shí)現(xiàn)。
3)數(shù)字處理部分
單片機(jī)控制AD7705(雙通道全差分模擬輸入)對X,Y 軸方向感應(yīng)電動勢進(jìn)行采樣進(jìn)而求得方位角。
4)輸出顯示部分
輸出水平航向角,并繪制曲線。
磁通門羅盤測試時用無磁轉(zhuǎn)臺作為標(biāo)準(zhǔn)角度尺,等角度轉(zhuǎn)動,記錄誤差,實(shí)驗數(shù)據(jù)如表1。
表1 實(shí)驗數(shù)據(jù)Tab 1 Experimental datas
影響磁通門羅盤精度的因素很多,主要分析以下因素造成的影響[8,9]:
1)探頭固有零誤差
誤差主要由磁導(dǎo)材料的磁滯現(xiàn)象和特性曲線受干擾呈非對稱性而引起,通常選用矯頑力較小的高導(dǎo)磁材料做成環(huán)形鐵芯來減小。有效抑制和減小探頭的噪聲和固有零誤差的措施為確保足夠激勵靈敏度和強(qiáng)度前提下,磁芯疊厚應(yīng)盡量薄,這樣,鐵芯材料能充分飽和且鐵芯內(nèi)磁場均勻分布。
2)外部誤差
激勵信號的不對稱分量即偶次諧波成分是引起外部誤差的因素之一。為減少這一干擾,應(yīng)采用高穩(wěn)定度晶振,且在振蕩電路與輸出電路之間充分去耦。外界磁場的干擾也會產(chǎn)生外部誤差,在實(shí)際應(yīng)用中可以采用無定向結(jié)構(gòu)或屏蔽措施防止外界磁體所產(chǎn)生的磁場影響。通常磁體對2 m外物質(zhì)產(chǎn)生的磁場影響可忽略。
3)模擬電路不穩(wěn)定引起的誤差
作為模擬電路最重要部分的帶通濾波器,它的性能直接影響測量精確度。對于基波,三次諧波的抑制作用和對本底噪聲的限制作用是衡量濾波器性能的主要指標(biāo)。移相電路也需要穩(wěn)定可靠,能夠準(zhǔn)確移相,否則,會引起輸出信號產(chǎn)生不必要的相移。因此,濾波器和移相電路所選用的元器件應(yīng)高可靠、高穩(wěn)定、低噪聲、低溫漂。
相比于傳統(tǒng)工藝制作的磁通門探頭,本文設(shè)計的探頭具有工藝簡單、可靠性高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn),適用于大批量生產(chǎn)。測試結(jié)果表明:電子羅盤最大誤差度為3°,滿足導(dǎo)航性能要求。
[1] 李大明.磁場測量[M].北京:科學(xué)技術(shù)出版社,1992:89-104.
[2] Mo Li,Rouf V T,Thompson M J,et al.Three-axis Lorentz-force magnetic sensor for electronic compass applications[J].Journal of Micro-electro-mechanical Systems,2012,21(4):1002-1010.
[3] Racz Robert,Schott Christian,Huber Samuel.Electronic compass sensor[C]∥Proceedings of IEEE,2004:1446-1449.
[4] Magnes W,Diaz-Michelena M.Future directions for magnetic sensor for space applications[J].IEEE Transactions on Magnetics,2009,45(10):4493-4498.
[5] Velasco-Quesada G,Roman Lumbreras M,Conesa-Roca A,et al.Design of a low-consumption fluxgate transducer for high-current measurement applications[J].IEEE Sensors Journal,2011,11(2):280-287.
[6] Forslund A,Belyayev S,Ivchenko N,et al.Miniaturized digital fluxgate magnetometer for small spacecraft applications[J].Measurement Science and Technology,2008,19(1):015202.
[7] 呂 輝,劉詩斌,微型磁通門傳感器的低功耗結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng),2015,34(3):81-83.
[8] 劉詩斌.無人機(jī)磁航向測量的自動羅差補(bǔ)償研究[J].航空學(xué)報,2007,28(2):411-414.
[9] 李 智,李 翔.基于橢球假設(shè)的三軸電子羅盤羅差補(bǔ)償研究[J].儀器儀表學(xué)報,2011,32(10):2210-2215.
[10]楊新勇,黃圣國.磁航向測量系統(tǒng)誤差修正方法研究[J].儀器儀表學(xué)報,2004,25(4):466-468.