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基于非晶材料的地磁测量传感器研究

王泽生  
【摘要】:随着地磁学、测绘学以及空间物理学的不断发展,地磁导航作为一种新型的无源自主导航方法逐渐引起了人们的关注。基于非晶材料巨磁阻抗效应(GMI)的磁场传感器具有灵敏度高、响应速度快、功耗低等优点,满足作为地磁导航系统的关键部件——地磁测量传感器的基本要求。本文以预研项目为依托,对基于非晶丝GMI效应地磁测量传感器的研制进行了积极的探索。 首先,以物理简化模型为基础,通过联立Maxwell方程组和线性Landau-Lifshitz(LL)动量矩方程,得到了非晶丝产生巨磁阻抗效应时的电阻抗表达式,确定了非晶丝巨磁阻抗效应的影响因素及其影响机制。通过实验测量,得到了非晶丝阻抗变化率与外加磁场、激励电流频率、非晶丝长度等影响因素间的定量关系,确定了非晶丝的最佳工作条件,为传感器电路设计提供了理论依据。其次,根据非晶丝的工作条件,完成了传感器电路的结构设计,建立了传感器电路的动态模型,得到了传感器的输出传递函数和误差传递函数。完成了传感器电路的调试和标定测试,实验结果表明,所设计的地磁测量传感器的灵敏度可以达到4.865V/Gs。最后,分析了传感器电路中存在的几种噪声源及其噪声特性,建立了传感器输出的噪声模型,推导了输出电压噪声的功率谱密度表达式和等效输入磁噪声的功率谱密度表达式。对采集的传感器各个部分电路的输出信号进行了频谱分析,结果表明,激励源噪声和非晶丝的热磁噪声在传感器输出噪声中占主要地位,优化非晶丝的噪声特性,提高激励源的稳定度对于提高传感器的性能指标具有重要意义。


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