磁通門磁力計的應(yīng)用和限制

文章出處：新聞資訊責任編輯：深圳市廣陵達科技有限公司發(fā)表時間：2024-12-02 18:33:50

磁通門磁力計是用于導(dǎo)航和測量磁梯度的最古老的非低溫磁力計之一。通過精確測量磁場，這些設(shè)備可用于引導(dǎo)從船舶到航天器的所有物體，以及測量磁場以進行磁測繪和檢測特定的磁特征。在這次綜合探索中，我們深入研究了磁通門磁力計的工作機制。

磁通門磁力計如何工作？

磁通門磁力計的核心是一個由高磁導(dǎo)率材料（如坡莫合金或高導(dǎo)磁合金）制成的環(huán)形磁芯。該磁芯被兩個線圈包圍：產(chǎn)生磁場的初級線圈和檢測磁場變化的次級線圈。

磁通門磁力計的操作取決于這些組件與其設(shè)計用于測量的外部磁場之間的相互作用：

? 磁芯材料和線圈布置：磁芯材料通常是非晶態(tài)金屬，對于設(shè)備的靈敏度和準確性至關(guān)重要。初級線圈在磁芯中感應(yīng)出一個磁場，該磁場在相反方向上交替飽和。這種交替飽和會調(diào)制任何外部磁場，然后由次級線圈檢測到。

? 信號處理：這種調(diào)制在次級線圈中產(chǎn)生信號，通過鎖定檢測和濾波技術(shù)進行放大和處理。其結(jié)果是對外部磁場進行高度靈敏和準確的測量。

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靈敏度和技術(shù)規(guī)格

磁通門可以達到皮特斯拉的靈敏度和分辨率，但需要非常特殊的鐵磁坡莫合金芯材料，例如含有 6% 鉬、81.3% 鎳和其余鐵的 6-81 坡莫合金。性能還取決于磁芯材料的精確纏繞。磁通門磁力計需要定制的坡莫合金磁芯材料，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此成為一種昂貴的傳感器，有些傳感器僅傳感元件本身的成本就高達 10,000 美元。

如果構(gòu)造正確，它們的低噪聲水平和精確的頻率響應(yīng)使其成為各種應(yīng)用的理想選擇。磁通門傳感器需要構(gòu)建為三軸磁力計來測量三維空間中的磁場，這需要正確構(gòu)建的技能。

兩軸磁通門可以用單環(huán)磁芯構(gòu)造，因此，對于大多數(shù)磁通門電子羅盤來說，兩軸配置通常更為普遍。然而，為了使用兩軸磁通門確定磁北航向，磁通門傳感器需要采用機械萬向節(jié)來補償傾斜，就像機械基板羅盤指針在寶石樞軸上進行平衡和加權(quán)一樣。在靜態(tài)和磁性清潔環(huán)境中，這是可接受的配置。然而，機械萬向節(jié) 2 軸磁通門無法在運動時提供準確的航向，并且無法準確校準主機系統(tǒng)的硬鐵和軟鐵磁異常。

磁通門磁力計的用途是什么？

雖然本博客的主要重點是導(dǎo)航，但磁通門磁力計還有廣泛的其他應(yīng)用：

? 地磁場測量：對于研究地球磁場以進行環(huán)境和科學(xué)研究至關(guān)重要。

? 地球物理勘探：用于探測礦藏和地質(zhì)特征。

? 空間研究：對于研究行星磁場和磁層至關(guān)重要。

? 考古學(xué)：有助于定位磁異常，指示埋藏的含鐵物體。

? 安全和監(jiān)控：應(yīng)用于周邊安全和入侵檢測系統(tǒng)。

? 無損檢測：用于材料檢查和管道完整性檢查。

磁力計的導(dǎo)航應(yīng)用

自 20 世紀 60 年代以來，磁通門磁力計就已用于導(dǎo)航。它們精確測量磁場的能力徹底改變了傳統(tǒng)的導(dǎo)航方法，并為先進技術(shù)應(yīng)用鋪平了道路，例如引導(dǎo)船只穿越海洋和在浩瀚的太空中幫助航天器。

? 基于羅盤的導(dǎo)航：機械萬向節(jié) 2 軸磁通門磁力計是市場上最流行的磁通門電子羅盤。 2 軸磁通門磁力計可以由圍繞環(huán)形磁芯的繞組構(gòu)成，其模擬輸出電壓代表 x 軸和 y 軸磁場讀數(shù)。由于 2 軸萬向磁通門磁力計無法完全補償系統(tǒng)磁異常，因此羅盤精度不僅取決于磁芯材料的質(zhì)量、傳感器的結(jié)構(gòu)和信號處理，而且可能更主要取決于系統(tǒng)引起的磁畸變及其動態(tài)運動曲線。

? 飛機和航天器導(dǎo)航：在航空和航天工業(yè)中，高精度磁通門磁力計是導(dǎo)航系統(tǒng)不可或缺的一部分。飛機使用這些設(shè)備提供準確的航向參考，這對于安全高效的飛行至關(guān)重要。航天器利用它們進行姿態(tài)控制并研究其他行星的磁場，幫助了解太空環(huán)境。

? 勘探和繪圖：在地球物理勘探中，磁通門磁力計有助于繪制地下或水下地質(zhì)特征。它們在 GPS 可達性有限的地區(qū)特別有用，可以進行準確的地磁測量。

? 考古調(diào)查：磁通門磁力計使考古學(xué)家能夠?qū)v史遺址進行非侵入性調(diào)查。它們可以檢測埋藏文物或結(jié)構(gòu)引起的磁異常，有助于考古研究和保存。

磁通門磁力計的缺點

雖然磁通門磁力計歷來是精確磁場測量的可靠選擇，但在考慮將其用于現(xiàn)代應(yīng)用時，了解其局限性非常重要。

? 尺寸和重量：磁通門磁力計通常采用纏繞線圈和鐵磁芯，與基于 MEMS 的磁阻傳感器和基于磁感應(yīng)線圈的傳感器等新技術(shù)相比，其設(shè)計體積更大、更重。對于空間和重量受限的應(yīng)用（例如便攜式設(shè)備、無人機或可穿戴技術(shù)）來說，這可能是一個重大缺點。

? 功耗：磁通門磁力計通常比同類產(chǎn)品需要更高的功耗。這主要是由于驅(qū)動初級線圈中的勵磁電流以及隨后的信號處理所需的能量。在電池供電的設(shè)備或能源敏感型應(yīng)用中，這可能會限制其可用性或需要額外的電源管理策略。

? 復(fù)雜性和成本：磁通門磁力計的制造涉及專門的材料和復(fù)雜的線圈纏繞工藝。這種復(fù)雜性意味著更高的生產(chǎn)成本，與 MEMS、霍爾效應(yīng)、磁阻和磁感應(yīng)技術(shù)等更簡單的傳感器技術(shù)相比，它們成為預(yù)算不太友好的選擇。額外的費用可能成為大批量消費者的障礙成本限制嚴格的電子產(chǎn)品或應(yīng)用。

? 帶寬有限：磁通門磁力計擅長測量低頻或靜態(tài)磁場，但在處理快速變化的磁場時，其性能可能會受到限制。它們的帶寬或可以精確測量的頻率范圍可能不足以滿足需要高速動態(tài)測量的應(yīng)用。

? 對噪聲的敏感性：盡管磁通門磁力計由于其工作原理而具有固有的降噪功能，但它們?nèi)匀蝗菀资艿酵獠吭肼曉吹挠绊?。這種噪聲可能源自附近電子設(shè)備、電源線甚至設(shè)備本身的磁特征（稱為硬鐵和軟鐵效應(yīng)）的電磁干擾 (EMI)。減輕這些噪聲源通常需要額外的校準和補償技術(shù)，從而增加了實現(xiàn)的復(fù)雜性。