跑道型磁通门磁强计探头同点性模型分析与研究

吴卫权 张松勇

跑道型磁通门磁强计探头同点性模型分析与研究

吴卫权1张松勇2

（1.上海卫星装备研究所 空间环境模拟与验证工程技术研究中心，上海 200240； 2.上海海事大学 物流科学与工程研究院，上海 201306）

在磁通门磁强计正交三分量探头的引用中，对于被测磁矩，探头结构在中心位置磁场强度的同点性将直接影响检测结果的真实可靠性。本文针对单分量探头、偏心放置单分量探头、六芯式正交三分量探头等几种偏心结构模式，对被测近源磁矩产生的中心场同点性模型作了分析与研究。通过建立、、三方向不同探头之间的偏心模型，获得元磁矩在不同偏心模型下探头区域平均场值与实际产生的场值之间的差异和区别；并且就磁场强度的检测读值与实际场强的偏差系数与磁芯长度，偏心距，场源距系数，不同磁芯间方位、距离等的关系作了详细的分析计算，得到了有效计算结果和数据。

跑道型；磁通门；磁强计；探头；同点性；模型

1 引言

磁通门磁强计以其体积小、频率响应和量程范围宽、稳定性好、分量测试等优点已成功应用于航天器地面磁环境模拟设备中地磁及环境磁场监测，各种磁体磁场和磁矩的测试、分析与计算；航天器在轨空间磁场探测等。其中，磁强计探头的结构形状是影响仪器灵敏度的一大主要因素。

跑道型磁通门磁强计通过探头中心基准点作磁场强度的测定计算，其中，探头检测的磁场强度是探头（主要是磁芯）区域场强的体积平均，探头结构的体积直接影响磁体磁矩的精确测定，尤其是对近源磁矩值的测定与分析。在正交三分量探头的引用中，对于被测磁矩，探头结构在中心位置磁场强度的同点性将直接影响检测结果的真实可靠性。本文就单分量与多分量探头结构形状，对被测近源磁矩产生的中心场同点性模型作了分析与研究，并讨论其不同设计和计算结果[1，2]。

2 近源场与远源场

当相对磁体中心距离比较近，磁体的体积相对比较大，可以把该宏观磁体看成是磁体内各位置点的元磁矩的集合，在短距离内，至磁体的内部，该位置点的磁场强度，可简单地看成为整个磁体内各微观点元磁矩对该点产生磁场强度的总和[6，7]：

（4）

磁体作为磁场源，若在其磁场分布的考察范围内，磁场强度的梯度相对比较小，对考察区的磁场分布相对地认为是均匀的，该磁场源称为远源，其磁场称为远源场，反之称近源与近源场。因此，远源场也称均匀场，近源场也称梯度场[8]。

3 单分量探头对点元磁矩的同点性

图2 单分量探头简单模型1示意图

因此在探头区域轴向磁场的平均：

而该元磁矩在探头中心点的实际磁场：

若定义距离与探头长度的比值为场源距系数n，则得到场源距系数n与偏差系数的数据关系，见表1，场源距系数n与偏差系数对应变化曲线见图3。

表1 场源距系数n与偏差系数数据关系[9]

上述关系表明：按图2模型方式测量，在距点元磁矩较近时，测量值低于探头中心实际值，探头越长，距离越近，偏差系数越大。

图4 单分量探头简单模型2示意图

探头区域轴向磁场的平均：

该元磁矩在探头中心点的实际磁场：

表2 场源距系数n与偏差系数数据关系

图5 场源距系数n与偏差系数对应曲线

上述关系表明：按图4模型方式测量，当元磁矩与探头端点较近时，测量值高于探头中心实际值，探头越长，距离越近，偏差系数越小。

4 偏心放置单分量探头的同点性

图6 x方向偏心z分量探头模型示意图

因此探头区域轴向磁场的平均：

该元磁矩在中心位置的实际磁场：

4.2 y方向偏心z分量探头对场的测定

图7 y方向偏心z分量探头模型示意图

探头区域轴向磁场的平均：

（19）

该元磁矩在中心位置的实际磁场：

因此，按图7模型方式，偏心探头测量值与实际值的偏差系数：

4.3 z方向偏心分量探头对场的测定

探头区域轴向磁场的平均：

该元磁矩在中心位置的实际磁场：

因此，按图8模型方式，偏心探头测量值与实际值的偏差系数：

5 六芯式正交三分量探头的同点性

图9 六芯式正交三分量探头模型示意图

由式（23）～式（25）得组的平均值、实际场值与偏差系数：

由式（15）～式（17）得组的平均值、实际场值与偏差系数：

由式（19）～式（21）得组探头的平均值、实际场值与偏差系数：

表3 场源距系数n与偏差系数、、数据关系

图10 场源距系数n与偏差系数对应曲线

图11 场源距系数n与偏差系数对应曲线

图12 场源距系数n与偏差系数对应曲线

6 结束语

磁通门磁强计探头用于磁场的测定，对于远源均匀场，不存在探头结构的同点性问题，探头长度越大，越利于灵敏度与稳定性的提高。由于实际环境存在多种场源的不同干扰，若要精确测定探头位置的磁场强度，探头的同点性成为检测精度的重要因素。磁通门磁强计对于近源场点磁矩强度、方位、距离的精确测定，探头结构的同点性是关键因素之一，多芯式检测装置，偏心磁芯组合模型结构是一种常用最优的设计方式。本文针对几种偏心结构的基本模式，就磁场强度的检测读值与实际场强的偏差系数与磁芯长度，偏心距，场源矩系数值，不同磁芯间方位、距离等的关系作了详细的分析与计算，可为相关科研人员在磁通门磁强计探头的设计研究中提供有益参考和帮助。

1 周斌. 萤火一号火星探测器磁通门磁强计高精度标定技术[J]. 上海航天，2013，30(4)：179～182

2 刘楠楠. 反馈磁场均匀性对磁通门磁强计的影响分析[J]. 空间科学学报，2015，35(2)：211～216

3 赵凯华，陈熙. 电磁学（上、下）[M].北京：高等教育出版社，1985：221～229

4 郭硕鸿. 电动力学[M]. 北京：高等教育出版社，1997：65～75

5 谷超豪. 数学物理方程[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 吴卫权. GB/T 32307航天器磁性评估和控制方法[S]. 2015：25～28

9 袁楠. GB 3102.5电学和磁学的量和单位[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

总装十一五某课题（0720913）。

吴卫权（1965），研究员，电磁测量专业；研究方向：航天器磁设计、磁测试。

2019-04-27