小型化高精度磁通门传感器的研制
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２００９第二十二届全国空间探测学术讨论会论文
小型化高精度磁通门传感器的研制
廖怀哲赵华陈斯文王劲东周斌冯永勇
‘中国科学院空间科学与应用研究中心北京１００１９０）
摘要：小型化高精度低噪声磁通门传感器的研制是深空磁场精密探测的关键技术之一。为此 除了在研制传感器的过程中充分考虑引起噪声的各种因素并采取相应的措施抑制噪声外，还 应当采取相应的技术来调整有关参数，使之达到重量轻体积小而且精度高的要求。本文介绍 了这种传感器研制的可行性。初步结果表明，通过有关参数和结构的设计，使小型化三分量 磁强计传感器的重量减小到１５０克左右，体积为２２
ｓｉｎ ８ｎｆｏＨ…）………（６．１．４－５）
故传感器输出的任意偶次谐波均可作为被测磁场的量度，由于二次谐波幅值最大，故 通常选取其二次谐波电压量度被测磁场。由传感器磁芯产生的谐波信号经信号线圈感应 检测，就提供了磁场测量信号。 研制磁通门传感器首先从磁芯和骨架的材料挑选开始，选用坡莫合金和无磁性合金钢做 磁芯和骨架，确定传感器形状结构，然后进行小型话传感器的设计、加工、绕制，最后安装 和调试。 由于磁通门磁强计探头，需要采用非金属无磁性高强度的材料来制造信号线圈和反馈线 圈骨架。而且需用温度变化系数小并且具有良好的抗辐照性能的材料。在机机械加工方 面，对三分量磁通门传感器的骨架有严格的精度要求。为了实现小型化的目标，除了精 心研制外，必须设计新的结构，我们采用了两种结构：（１）二环芯同心型结构；（２） 三环芯近心结构。
Ｏ
Ｃｍ３，比原来三分量磁强计传感器的重
量和体积分别减小４ ５％和５ Ｏ％，而本文所述研制的三分量磁强计传感器的激励功耗小了 一些，分辩率则优于０．０１ｎＴ；噪声频谱密度也小于０．０１ ｎＴ／√尼：＠ＩＨｚ；；这些特征参数完 全符合深空间环境磁场探测需求；其动态范围可达一６５０００ｎＴ－－－＋６５０００ｎＴ能满足地面综合测 试要求。
ｋｇ；
三分量传感器尺寸：９ ０（ＩｎＩＴＩ）×５ Ｏ（ｍｍ）×５ ０（ＩＴＩｍ）； 工作温度：．１５００Ｃ一９００Ｃ． ３．
研究内容
磁通门磁强计传感器是由磁芯和绕在磁芯上的初级绕组及包围磁芯的信号线圈组成的。
２００９第二十二届全国空间探测学术讨论会论文
根据法拉第电磁感应定律，感应线圈上产生的感应电势为：
Ｓｕｒｖｅｙｏｒ）上磁强计的探测精度为０．５一１．０ ｎＴ［２］。如
果本文介绍的研制工作能顺利进行下去的话，将能研制出更精密的磁场探测器。
参考文献
【ｌ】周斌等，高精度磁通门磁强计测试与标定，中国空问科学学会空间探测专业委员会第２１次学术会议论 文 【２】Ａｃｕｎａ
ｅｔ
ａ１．，２００１，Ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｏｆＭａｒｓ：Ｓｕｍｍａｒｙ ｏｆｒｅｓｕｌｔｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ
ａ钉ｏｂｒａｋｉｎｇ ａｎｄ ｍａｐｐｉｎｇ ｏｒｂｉｔｓ，Ｊ．
Ｏｅｏｐｈｙｓ．Ｒｅｓ．，１０６，２３，４０３－２３，４１８．
【３】ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．＿ｉａｘａ．ｉｐ／ｋａｇｕｙａ／Ｌｍａｇ／
０．０１
ｎＴ／√瓦＠ＩＨｚ，表明本文所述的ｘ、Ｙ、ｚ三分量磁强计的噪声水平均符合设计要求。
５．小结
为了适应深空环境的探测，需要研制小型化高精度磁强计的传感器。初步研制结果表明， 传感器的各项指标满足或优于设计指标。传感器的探测精度达到０．ＯｌｎＴ的噪声水平。美国 “火星全球考察者，Ｍａｒｓ
Ｇｌｏｂａｌ
２００９第二ｒ＿＿届全固夺问探测学术讨论会论文
４．研制结果
小型化高精度磁强计也由碰娅计传感器及相戈ｔｂ路组成。每套磁强计由三个单分量传堪
器分＊Ｕ川米探测宅问中Ｘ、Ｙ、ｚ三十分姑的磁场强度。小型化高精度磁强计传感器的造型如 图１所示，其中左边圆柱形的为二环芯同心型结构．止边的为三环芯近心结构。初步结果表 明，通过有关参数和结构的设计，使小型化三分簧磁强计传感器的重量减小到１５０克左右， 体秘为２２
为提高传感器性能，需要对磁致伸缩效应和巴克豪森噪声等４种噪声采取相应措施。其
中，磁致伸缩效应所产生的噪卢要比巴克豪森噪声、散粒噪声和热噪声大得多，前者比后者 大ｌ－－－２个量级。 因此，在考虑降低传感器噪声时主要应注意解决磁致伸缩效应问题。 除了在传感器的磁芯、骨架、绕线和材料及加工方面开展工作外，磁强计相关电子线路 与外围部件均需配合传感器来进行设计研制，其中包括传感器的测试、标定与筛选；传感器 与磁强计电子线路的联合测试等。
１．引言
随着航天事业的发展，深空探测是国际航天趋势。行星探测成为近十年及未来二十年行 星探测的重要目标。主要科学目标之一设定为探测行星空间磁场、电离层和粒子分布及其 变化规律；利用磁强计探测行星空间磁场的分布、结构及其随太阳风变化的特性；利用等离 子体探测包和磁强计探测火星弓激波、磁鞘、磁场堆积区、电离层的粒子分布特性及其对太 阳风扰动的响应过程和变化规律。 因为磁场探测在行星空间环境研究中的重要作用，行星探测器经常选择小型化高精度磁 通门磁强计为其主载荷。磁通门磁强计传感器是获得高精度磁场探测关键因素之一，它的研 制在磁通门磁强计的研制中显得非常重要。
２．研制目标
为了适应探测的要求，磁场传感器的工程指标如下。 测量范围：
一２５６∽＋２５６ ｎＴ，但在一６４０００＂＇＋６４０００ｎＴ范围内，磁强计也可工作：
测量精度：优于０．０１ｎＴ（一２５６’＋２５６ｎＴ量程内）；
厂＝一
噪声频谱密度水平：≤０．０１ ｎＴ／、／／－／ｚ＠１Ｈｚ ｌＯＨｚ频带内总噪声：≤０．１ｎＴ（ｒｍｓ）； 分辩率：优于０．０ｌｎＴ； 三分量传感器重量：≤０．２
式中，Ｗ为感应线圈匝数；ｌＪ为磁导率；Ｈ一为激励磁场强度；Ｓ为铁芯横截面积；肛
为激励磁场强度。
ｅ＝１０－ｓ丢（删一趴………………．（６．１．４－１）
如果日一＝Ｈｍ ｃｏｓ２顽ｏｔ……………．（６．１．４—２） 式中尼为激磁磁场强度幅值。 由于铁芯磁化非线性（工作于周期性饱和工作状态），激励磁场瞬时值变化导致磁导率 的变化。若考虑环境磁场施加在铁芯轴向上的分量肠时，实际磁感应效应数学模型为：
对铁芯磁导率ｕ（ｔ）的影响，将Ｉｌ（ｔ）展开为傅立叶级数，可得
／ｌ（ｔ）＝‰。＋∥２。ｃｏｓ４ｎｆｏｆ＋段。ｃｏｓ８ａｆｏｔ…………………（６．１．４—４）
将上式代入（６．１．４－３）可知由激励磁场而产生的感应电动势是奇次谐波，而由环境磁
场引起的感应电动势ｅ（鳓为偶次谐波：
ｅ（Ｈｏ）＝－２７ｒ
ｘｌ
Ｏ～ｆｏＷＳＨｏ（２∥２册ｓｉｎ ４ｎｆｏｔ＋４／ｚ４ｍ
ｅ＝２７ｒｘｌＯ—ｆｏ∥ｗｓＨ辨ｓｉｎ２矾ｔ＿１０－ｓ（础（ｔ）／ｄｔ）ＷＳＨ肼ＣＯＳ矾ｆ
一１ ０一（ｄｌ比（ｔ）／ｄｔ）ＷＳＨ”…………………………（６．１．４－３）
激励磁场瞬时值方向呈周期性变化，随之而变的铁芯磁导率Ｉｌ（ｔ）却无正负之分，所以
ｕ（ｔ）为ｔ的偶函数。当局比铁芯饱和磁场强度眙和激励磁场强度幅值／／，ｄ，时，可忽略其
０
Ｃｍ４，比原先的三分草磁强计传感器的重量和体积分别减小４ ５％和５ ０％。
影
髓纛
ｒ呼～
匪
崮１小型化高精度磁强计传感＃的外型结构（左／右）与原先的（中）相【匕鞍
将探头放置在零场范围内，每个探头采集５１２个点，测量数据川Ｗｅｌｃｈ法进行处理，计 算谱估计［１］。就可得到凹２平¨表１所示的本文所述的二分簟磁强计噪声测试资料。
：＝：一。。
弦ｔ：、１≮弦囊；曩：
图２＝分量避强计噪声女４试
２００９第二十二届全国空间探测学术讨论会论文
表１ Ｘ分量 Ｙ分量
０．００５５
Ｚ分量
０．００３４
１Ｈｚ噪声密度水平（，ｌ丁／√瓦）
０．００５０
带宽内平均噪声水平（咒ｒ／பைடு நூலகம்瓦）
０．００８９
０．００６３
０．００５５
如表１所示，在１Ｈｚ点处的噪声密度和在带宽内的平均噪声水平均小于
小型化高精度磁通门传感器的研制
廖怀哲赵华陈斯文王劲东周斌冯永勇
‘中国科学院空间科学与应用研究中心北京１００１９０）
摘要：小型化高精度低噪声磁通门传感器的研制是深空磁场精密探测的关键技术之一。为此 除了在研制传感器的过程中充分考虑引起噪声的各种因素并采取相应的措施抑制噪声外，还 应当采取相应的技术来调整有关参数，使之达到重量轻体积小而且精度高的要求。本文介绍 了这种传感器研制的可行性。初步结果表明，通过有关参数和结构的设计，使小型化三分量 磁强计传感器的重量减小到１５０克左右，体积为２２
ｓｉｎ ８ｎｆｏＨ…）………（６．１．４－５）
故传感器输出的任意偶次谐波均可作为被测磁场的量度，由于二次谐波幅值最大，故 通常选取其二次谐波电压量度被测磁场。由传感器磁芯产生的谐波信号经信号线圈感应 检测，就提供了磁场测量信号。 研制磁通门传感器首先从磁芯和骨架的材料挑选开始，选用坡莫合金和无磁性合金钢做 磁芯和骨架，确定传感器形状结构，然后进行小型话传感器的设计、加工、绕制，最后安装 和调试。 由于磁通门磁强计探头，需要采用非金属无磁性高强度的材料来制造信号线圈和反馈线 圈骨架。而且需用温度变化系数小并且具有良好的抗辐照性能的材料。在机机械加工方 面，对三分量磁通门传感器的骨架有严格的精度要求。为了实现小型化的目标，除了精 心研制外，必须设计新的结构，我们采用了两种结构：（１）二环芯同心型结构；（２） 三环芯近心结构。
Ｏ
Ｃｍ３，比原来三分量磁强计传感器的重
量和体积分别减小４ ５％和５ Ｏ％，而本文所述研制的三分量磁强计传感器的激励功耗小了 一些，分辩率则优于０．０１ｎＴ；噪声频谱密度也小于０．０１ ｎＴ／√尼：＠ＩＨｚ；；这些特征参数完 全符合深空间环境磁场探测需求；其动态范围可达一６５０００ｎＴ－－－＋６５０００ｎＴ能满足地面综合测 试要求。
ｋｇ；
三分量传感器尺寸：９ ０（ＩｎＩＴＩ）×５ Ｏ（ｍｍ）×５ ０（ＩＴＩｍ）； 工作温度：．１５００Ｃ一９００Ｃ． ３．
研究内容
磁通门磁强计传感器是由磁芯和绕在磁芯上的初级绕组及包围磁芯的信号线圈组成的。
２００９第二十二届全国空间探测学术讨论会论文
根据法拉第电磁感应定律，感应线圈上产生的感应电势为：
Ｓｕｒｖｅｙｏｒ）上磁强计的探测精度为０．５一１．０ ｎＴ［２］。如
果本文介绍的研制工作能顺利进行下去的话，将能研制出更精密的磁场探测器。
参考文献
【ｌ】周斌等，高精度磁通门磁强计测试与标定，中国空问科学学会空间探测专业委员会第２１次学术会议论 文 【２】Ａｃｕｎａ
ｅｔ
ａ１．，２００１，Ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｏｆＭａｒｓ：Ｓｕｍｍａｒｙ ｏｆｒｅｓｕｌｔｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ
ａ钉ｏｂｒａｋｉｎｇ ａｎｄ ｍａｐｐｉｎｇ ｏｒｂｉｔｓ，Ｊ．
Ｏｅｏｐｈｙｓ．Ｒｅｓ．，１０６，２３，４０３－２３，４１８．
【３】ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．＿ｉａｘａ．ｉｐ／ｋａｇｕｙａ／Ｌｍａｇ／
０．０１
ｎＴ／√瓦＠ＩＨｚ，表明本文所述的ｘ、Ｙ、ｚ三分量磁强计的噪声水平均符合设计要求。
５．小结
为了适应深空环境的探测，需要研制小型化高精度磁强计的传感器。初步研制结果表明， 传感器的各项指标满足或优于设计指标。传感器的探测精度达到０．ＯｌｎＴ的噪声水平。美国 “火星全球考察者，Ｍａｒｓ
Ｇｌｏｂａｌ
２００９第二ｒ＿＿届全固夺问探测学术讨论会论文
４．研制结果
小型化高精度磁强计也由碰娅计传感器及相戈ｔｂ路组成。每套磁强计由三个单分量传堪
器分＊Ｕ川米探测宅问中Ｘ、Ｙ、ｚ三十分姑的磁场强度。小型化高精度磁强计传感器的造型如 图１所示，其中左边圆柱形的为二环芯同心型结构．止边的为三环芯近心结构。初步结果表 明，通过有关参数和结构的设计，使小型化三分簧磁强计传感器的重量减小到１５０克左右， 体秘为２２
为提高传感器性能，需要对磁致伸缩效应和巴克豪森噪声等４种噪声采取相应措施。其
中，磁致伸缩效应所产生的噪卢要比巴克豪森噪声、散粒噪声和热噪声大得多，前者比后者 大ｌ－－－２个量级。 因此，在考虑降低传感器噪声时主要应注意解决磁致伸缩效应问题。 除了在传感器的磁芯、骨架、绕线和材料及加工方面开展工作外，磁强计相关电子线路 与外围部件均需配合传感器来进行设计研制，其中包括传感器的测试、标定与筛选；传感器 与磁强计电子线路的联合测试等。
１．引言
随着航天事业的发展，深空探测是国际航天趋势。行星探测成为近十年及未来二十年行 星探测的重要目标。主要科学目标之一设定为探测行星空间磁场、电离层和粒子分布及其 变化规律；利用磁强计探测行星空间磁场的分布、结构及其随太阳风变化的特性；利用等离 子体探测包和磁强计探测火星弓激波、磁鞘、磁场堆积区、电离层的粒子分布特性及其对太 阳风扰动的响应过程和变化规律。 因为磁场探测在行星空间环境研究中的重要作用，行星探测器经常选择小型化高精度磁 通门磁强计为其主载荷。磁通门磁强计传感器是获得高精度磁场探测关键因素之一，它的研 制在磁通门磁强计的研制中显得非常重要。
２．研制目标
为了适应探测的要求，磁场传感器的工程指标如下。 测量范围：
一２５６∽＋２５６ ｎＴ，但在一６４０００＂＇＋６４０００ｎＴ范围内，磁强计也可工作：
测量精度：优于０．０１ｎＴ（一２５６’＋２５６ｎＴ量程内）；
厂＝一
噪声频谱密度水平：≤０．０１ ｎＴ／、／／－／ｚ＠１Ｈｚ ｌＯＨｚ频带内总噪声：≤０．１ｎＴ（ｒｍｓ）； 分辩率：优于０．０ｌｎＴ； 三分量传感器重量：≤０．２
式中，Ｗ为感应线圈匝数；ｌＪ为磁导率；Ｈ一为激励磁场强度；Ｓ为铁芯横截面积；肛
为激励磁场强度。
ｅ＝１０－ｓ丢（删一趴………………．（６．１．４－１）
如果日一＝Ｈｍ ｃｏｓ２顽ｏｔ……………．（６．１．４—２） 式中尼为激磁磁场强度幅值。 由于铁芯磁化非线性（工作于周期性饱和工作状态），激励磁场瞬时值变化导致磁导率 的变化。若考虑环境磁场施加在铁芯轴向上的分量肠时，实际磁感应效应数学模型为：
对铁芯磁导率ｕ（ｔ）的影响，将Ｉｌ（ｔ）展开为傅立叶级数，可得
／ｌ（ｔ）＝‰。＋∥２。ｃｏｓ４ｎｆｏｆ＋段。ｃｏｓ８ａｆｏｔ…………………（６．１．４—４）
将上式代入（６．１．４－３）可知由激励磁场而产生的感应电动势是奇次谐波，而由环境磁
场引起的感应电动势ｅ（鳓为偶次谐波：
ｅ（Ｈｏ）＝－２７ｒ
ｘｌ
Ｏ～ｆｏＷＳＨｏ（２∥２册ｓｉｎ ４ｎｆｏｔ＋４／ｚ４ｍ
ｅ＝２７ｒｘｌＯ—ｆｏ∥ｗｓＨ辨ｓｉｎ２矾ｔ＿１０－ｓ（础（ｔ）／ｄｔ）ＷＳＨ肼ＣＯＳ矾ｆ
一１ ０一（ｄｌ比（ｔ）／ｄｔ）ＷＳＨ”…………………………（６．１．４－３）
激励磁场瞬时值方向呈周期性变化，随之而变的铁芯磁导率Ｉｌ（ｔ）却无正负之分，所以
ｕ（ｔ）为ｔ的偶函数。当局比铁芯饱和磁场强度眙和激励磁场强度幅值／／，ｄ，时，可忽略其
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Ｃｍ４，比原先的三分草磁强计传感器的重量和体积分别减小４ ５％和５ ０％。
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ｒ呼～
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将探头放置在零场范围内，每个探头采集５１２个点，测量数据川Ｗｅｌｃｈ法进行处理，计 算谱估计［１］。就可得到凹２平¨表１所示的本文所述的二分簟磁强计噪声测试资料。
：＝：一。。
弦ｔ：、１≮弦囊；曩：
图２＝分量避强计噪声女４试
２００９第二十二届全国空间探测学术讨论会论文
表１ Ｘ分量 Ｙ分量
０．００５５
Ｚ分量
０．００３４
１Ｈｚ噪声密度水平（，ｌ丁／√瓦）
０．００５０
带宽内平均噪声水平（咒ｒ／பைடு நூலகம்瓦）
０．００８９
０．００６３
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