磁通门地磁经纬仪磁通门传感器的研制
发布时间：2023-04-15 19:14:48
磁通门经纬仪磁传感器的研制范晓勇滕云田周勋周鹤鸣张炼（中国北京100081中国地震局地球物理研究所）摘要：结合磁通门地磁经纬仪的观测特点，对磁通门传感器模型进行理论分析，选择具有高磁导率的1J86坡莫合金，和具有相同热膨胀系数、高塑性、较高持久蠕变强度的GH128合金，分别作为磁芯和骨架材料，采用跑道形磁芯结构作为设计磁通门传感器的核心部分。对设计的磁通门传感器进行技术指标测试，结果表明，实验磁通门传感器优于设计要求。关键词：磁通门传感器；磁芯材料；跑道形磁芯；低噪声；温度特性稳定0引言地磁场的观测通常分为绝对观测和相对记录。磁通门经纬仪被主要应用于地磁场的绝对观测，因磁通门经纬仪在地磁场七要素的偏角Ｄ分量和倾角Ｉ分量的观测中操作容易而且观测精度高，已经成为国际上通用的地磁绝对观测仪器（徐文耀，2003；中国地震局监测预报司，2002;GilbertD，1998；HUAuster，2003），所以世界各国的地磁观测者都在寻求高技术指标、性能稳定的磁通门地磁经纬仪，而各国研究人员对磁通门地磁经纬仪性能的提高也在不断地探索和研究中。磁通门经纬仪由磁传感器、检测器和无磁经纬仪三部分组成。磁传感器性能指标的提高对于磁通门经纬仪总体观测指标的提高起着关键性的作用。根据磁通门经纬仪观测特点，磁传感器应具有极好的矢量响应性、较高的灵敏度和稳定的温度系数等特点，因磁通门传感器具有以上技术特点，所以成为磁通门经纬仪磁传感器的首选。为了提高国产磁通门经纬仪的整体技术指标，设计一款磁通门经纬仪所需的磁通门传感器，经过实验测试，所设计的磁通门传感器的性能指标符合磁通门经纬仪所用磁传感器的设计要求，该传感器具有的低噪声、高灵敏度、温度特性稳定等特点，其将对提高国产磁通门经纬仪的整体技术指标起到非常重要的作用。1工作原理1.1磁通门经纬仪工作原理磁通门传感器具有极好的矢量响应性，只有传感器磁轴方向的地磁场分量才能使传感器产生感应电动势，当传感器的磁轴方向与地磁场方向处于正交位置时，传感器测得地磁场显示为零值。磁通门经纬仪正是利用这一特点，在测量过程中，将磁通门传感器磁轴在水平面内缓慢转动，当磁通门传感器输出为零时，即为磁轴垂直于地磁场的磁北方向，通过无磁经纬仪上的水平度盘找出通过度盘中心的磁北方向和真北方向的位置，两者之差即为偏角D，如图1（a）。在磁子午面内，缓慢转动磁通门传感器，当磁通门传感器输出为零时，即磁轴垂直于地磁场总强度F，通过无磁经纬仪上的垂直度盘的读数，即可得到倾角I,如图1（b）（张学孚，1995；中国地震局监测预报司，2002）。根据以上磁通门经纬仪工作原理的介绍，
磁通门传感器是影响磁通门经纬仪整体技术指标的关键部分，其技术指标的提高将对磁通门经纬仪的整体技术指标的提高起到至关重要的作用。（a）（b）图1测量D、I时磁轴方向与地磁场矢量方向关系（a）D角测量示意；（b）I角测量示意Figure1Thedirectionbetweenmagneticaxisandgeomagneticvector.(aDeflectionanglemeasurementschematic;(bInclinationanglemeasurementschematic.1.2磁通门传感器工作原理磁通门传感器基于磁芯材料的非线性磁化效应。利用具有高磁导率且易饱和磁化的软磁材料在外磁场中非线性磁化的特点制成。在交变激励信号的磁化作用下，磁芯的导磁特性发生周期性的饱和与非饱和变化，从而使缠绕在磁芯上的感应线圈感应输出与外磁场成正比的调制信号，通过特定的检测装置，提取被测外磁场信息（中国地震局监测预报司，2002;PavelRipka,1992）。磁通门传感器的物理模型是在一根磁芯上缠绕激励线圈和感应线圈，磁芯材料由软磁性材料制作，其横截面积为S，磁导率为，激励电流I通过激励线圈在磁芯上形成的激磁磁场强度为H，感应线圈的有效匝数为n。任何一个变压器总是处于环境磁场中的，所以，变压器铁芯的外加磁场除了激励磁场以外，至少还有环境磁场，假设环境磁场为在磁芯轴向上的分量为H0见图2。根据法拉第电磁感应定律，感应线圈产生的感应电动势为E 