基于非晶材料的地磁测量传感器研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的来源、研究背景及意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题研究背景及意义
• 1.2 课题的国内外研究概况
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 论文主要工作及内容
• 第2章 非晶丝巨磁阻抗效应机理
• 2.1 理论基础
• 2.2 物理简化模型的建立
• 2.2.1 单畴理想磁化分布模型
• 2.2.2 有效场Heff的求取
• 2.3 频散关系
• 2.3.1 参数简化
• 2.3.2 特征方程
• 2.4 非晶丝电阻抗模型的建立
• 2.4.1 基础关系
• 2.4.2 表面阻抗
• 2.4.3 边界条件
• 2.5 本章小结
• 第3章 地磁测量传感器设计
• 3.1 非晶丝工作条件的确定
• 3.1.1 实验设备
• 3.1.2 非晶丝GMI效应的实验分析
• 3.2 传感器工作原理及磁路设计
• 3.2.1 传感器设计与建模
• 3.2.2 传感器磁路设计
• 3.3 传感器电路设计
• 3.3.1 信号发生电路设计
• 3.3.2 检波电路设计
• 3.3.3 滤波电路设计
• 3.3.4 稳压电路设计
• 3.3.5 控制器设计
• 3.4 传感器测试结果与标定
• 3.5 本章小结
• 第4章 地磁测量传感器噪声分析
• 4.1 噪声源
• 4.1.1 激励源噪声
• 4.1.2 Johnson噪声
• 4.1.3 非晶丝内部热磁噪声
• 4.2 传感器的噪声模型
• 4.2.1 非晶丝两端电压的噪声模型
• 4.2.2 传感器输出噪声模型
• 4.3 实验分析
• 4.4 低噪声的信号发生电路设计
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1
• 附录2
• 致谢