基于原子磁场探测的弱电流计量校准技术发展现状

随着原子磁力计灵敏度的迅速提高，原子系综磁场测量的应用范围逐渐扩大。近年来，已经有若干研究将原子磁力计用于微弱电流测量，研究结果揭示了这种测量方法在增强电流稳定性方面的潜力。借助原子磁力计的高灵敏度特性，通过电流产生的磁场监测电流的微弱变化，使用磁场测量结果进行反馈来稳定电流。主要阐述了原子磁场探测的基本原理以及其在电流计量领域的应用现状，并分析了使用原子磁力计进行电流测量的关键影响因素，展望了该技术的发展态势。     

核磁共振陀螺高精度磁场驱动技术

核磁共振陀螺（NMRG）是利用激光与核磁共振气室中的碱金属原子和惰性气体原子的相互作用使核子以拉莫尔频率进动,并通过磁场驱动技术对气室磁场实现闭环控制和对剩磁进行补偿来维持核子的共振状态,进而能够检测载体的角速度信息。磁场驱动技术作为磁场闭环控制的重要部分,直接影响核磁共振陀螺的磁场控制精度和稳定性。为了解决核磁共振陀螺磁场控制精度和稳定性不足的关键问题,采用交直流分离设计的压控电流源方案改善磁场驱动问题,基于噪声分析理论对电路进行建模和噪声分析,并通过实验验证对三轴线圈的横向磁场控制精度达±0.046 2 nT,纵向磁场控制精度为±0.003 1 nT,实验证明该技术方案具有较强的工程应用价值。      

恒定弱磁标准装置设计原理

恒定弱磁标准装置是用来复现高稳定度的恒定弱磁场,并对所复现的弱磁场进行精确测量的装置。恒定弱磁标准装置是由线圈系统、光泵地磁补偿系统、恒流源系统、磁场测量系统等组成。装置采用先进的Cs光泵磁强计补偿技术,在线圈系统的工作区中产生高稳定度的恒定弱磁场,磁场波动均方差小于0.1 nT。通过高稳定度恒流源和线圈系统可以复现1~1.105nT的磁场。通过He-Cs光泵磁共振仪、频率计数器及计算机构成的磁场测量系统可以对所复现的弱磁感应强度量值进行精确的测量,标准测量不确定度为0.07~0.1 nT。     

微阴极电弧推力器磁路设计

微阴极电弧推力器是一种利用真空条件下放电电弧烧蚀阴极材料产生较高电离度的高速等离子体,并在外加磁场作用下喷出以产生推力的微型电推力器。微阴极电弧推力器磁场设计是推力器设计中的重要工作之一,将影响推力器工作稳定性和工作性能。分别采用多匝通电螺线管计算公式、二维和三维数值仿真完成磁路设计,磁感应强度随线圈电流和线圈匝数增加而变大;当线圈电流15A、线圈匝数为600匝时,放电通道中心线磁感应强度最大值超过0.3T;采用特斯拉计测量磁感应强度,仿真结果与测量结果吻合较好。最后采用时间飞行法（TOF）测得等离子体速度随磁场增强而增加。     

火星车磁通门磁强计技术

火星磁场测量是国际火星探测任务的焦点之一,中国首次火星磁测任务通过在巡视器(即火星车)和环绕器上同时搭载磁强计,实现对火星磁场的火–空联合观测。巡视器磁强计载荷选用双探头三轴磁通门磁强计,采用亥姆霍兹补偿线圈型探头技术和全数字闭环反馈电路技术,实现空间磁场的高精度同点测量。单机在设计上考虑了可靠性安全性设计和空间环境适应性设计。经地面标定,单机量程可达到±6.5万nT,噪声水平优于0.01 nT/√Hz,分辨率达到了0.01 nT。     

磁通门磁强计在深空探测中的应用

磁场测量是深空探测的重要任务之一,通过磁场可以遥感行星内部、研究行星演化历史、认知太阳系天体空间环境。基于法拉第电磁感应原理的磁通门磁强计,因空间适应性强、技术成熟度高、可靠性高等特点,是深空磁场测量最为常用的载荷。简要描述了磁通门磁强计的基本测量原理,探讨了地面和在轨标定的原理和实施方法,并介绍了磁强计在空间任务中的应用方式。目前,我国已经具备了星载高精度磁通门磁强计的研制能力。在不久的将来,磁通门磁强计有望在深空探测任务中发挥重要作用。     

带奇异电流密度面无力磁场及其稳定性

从Bernstein磁流体力学能量原理出发，讨论圆柱坐标下一类带奇异电流密度面的一维单参数无力磁场的稳定性，这类无力磁场在参数空间同时存在稳定区和不稳定区，其稳定性完全由磁螺距在圆柱轴邻域内的径向分布决定，与位于磁场边界处的奇异电流密度面无关。     

常闭式电磁制动器驱动结构设计及性能分析

针对常闭式电磁制动器耗能高、制动力密度小、励磁线圈发热严重等缺点，尝试将永磁体引入至制动器驱动结构中，设计出了一种电磁与永磁混合作用的新型电永磁驱动结构。结合有限元软件，采用有限元法分析了其内部磁通量分布并研究励磁线圈电流、气隙及永磁体结构形状等因素对电磁力的影响。结果表明，电磁与永磁两磁场耦合性较好，电磁吸力随电流增加及气隙的减小增幅较大，且同等条件下L形永磁体的电磁驱动结构对衔铁的吸力最大，对电磁制动器轻量化研究具有指导意义。     

常闭式电磁制动器驱动结构设计及性能分析

针对常闭式电磁制动器耗能高、制动力密度小、励磁线圈发热严重等缺点,尝试将永磁体引入至制动器驱动结构中,设计出了一种电磁与永磁混合作用的新型电永磁驱动结构。结合有限元软件,采用有限元法分析了其内部磁通量分布并研究励磁线圈电流、气隙及永磁体结构形状等因素对电磁力的影响。结果表明,电磁与永磁两磁场耦合性较好,电磁吸力随电流增加及气隙的减小增幅较大,且同等条件下L形永磁体的电磁驱动结构对衔铁的吸力最大,对电磁制动器轻量化研究具有指导意义。     

低磁场量子化霍尔电阻样品发展综述

基于量子化霍尔效应建立电阻标准是当今前沿计量技术,是国际上定义电阻单位的最高标准,其核心部件是量子化霍尔电阻样品,传统砷化镓样品通常需要工作在10 T以上的强磁场环境中,磁体研制难度大,成本高,不易推广应用。随着量子电阻标准小型化、低成本化和国产化的发展,研制低磁场量子化霍尔电阻样品是发展趋势。介绍了砷化镓、石墨烯和铁磁拓扑材料三种低磁场量子电阻样品的原理,总结了研究现状和存在的问题,从磁场、温度、测量不确定度和技术成熟度等方面分析了三种方法的优势及不足,旨在为我国发展低磁场量子电阻标准提供理论基础。     

磁场计量与测试系统

提出了一整套中强磁场和弱磁场的计量与测试系统，利用原了核磁在外磁场中的塞曼效应制成的核磁共振磁强计，可以测量１×１０＾－３Ｔ到十几特斯拉的中强磁场，不确定度高达１０＾－９－１０＾－１０，利用霍尔效应制成的高斯计，不确定定度为１０＾－２－－＾１０－３，其价格低廉，使用方便，可适用于计量准确度要求不太高的小范围内的磁场，利用超声技术发展起来的超量子干涉器件（ＳＱＵＩＤ）能分辩０＾－１５Ｔ的超弱磁场和单     

Swarm发现地球第二磁场

正ESA网站2018年4月10日报道,由丹麦技术大学物理学家Nils Olsen的团队利用Swarm星座计划探测数据,研究发现地球拥有一个由海洋产生的、非常微弱的第二磁场,该磁场强度比地球磁场弱约2万倍。该研究成果在欧洲地球科学联盟(EGU)2018年会议上进行了展示,并发布了磁场分布图。海水流经地球磁场时会产生电流,进而产生磁信号。利用Swarm测量从海洋表面到海底的潮汐磁信号,可以了     

非晶带材磁性卷取辊吸附特性数值模拟

卷取辊(TUR)是非晶带材自动化生产线中的一个关键部件,卷取辊的起卷效率决定带材质量及生产效率.由于起卷过程中非晶带材运行线速度较高且受到不同的阻力,卷取辊需要提供足够的吸附力用来满足不同的阻力条件.根据带材生产工艺需求,设计出钕铁硼(NdFeB)永磁吸附型磁性卷取辊结构.利用有限元方法对不同起卷卷取步骤中的磁吸附特性进行分析,得到了磁性卷取辊在不同气隙下各个方向上的磁吸附力变化趋势云图和磁场分布.计算结果表明,气隙小于30 mm时,在给定的空间范围内,磁性卷取辊磁吸附力能够克服各个阻力完成起卷卷取过程.最终,通过现场实验验证了不同气隙下的最大磁吸附力与仿真结果变化趋势一致.      

基于铁基纳米晶带巨磁阻抗效应的磁强计设计

基于巨磁阻抗效应(GMI)的磁强计是近年来磁强计研究领域的热点. 相比其他类型磁强计, GMI磁强计具有微型化、高灵敏度、快速响应、高温度 稳定性和低功耗的优点. 本文以铁基纳米晶带材为敏感材料, 设计并实现了GMI 磁强计传感器与后续信号处理电路, 组成一台GMI磁强计. 实验结果表明, 该磁 强计在-25000~25000nT量程内灵敏度为0.176mV·nT-1, 满足实际弱磁场测量要求, 并且具有体积小及功耗低的特点, 有望应用于空间 探测等磁测量领域.      

双圈磁钢飞轮电机的设计及优化

反作用飞轮系统是卫星等航天器实现姿态调节的执行机构，目前国内卫星姿态调节用的飞轮电机是常规单层磁钢飞轮电机，根据该系统对飞轮电机的具体性能要求，在常规飞轮电机的基础上提出一种双圈磁钢结构的飞轮电机，以此改善常规飞轮电机气隙磁密波形及反电势波形质量不高、转矩波动和电机损耗大等问题。首先采用有限元软件对双圈磁钢飞轮电机进行结构设计，其次在双圈磁钢飞轮电机尺寸确定的情况下，对电机的磁极对数和极弧系数进行优化，由于双圈磁钢飞轮电机的磁钢产生的磁密在气隙中分布相比常规飞轮电机更加均匀，所以最后将其与常规飞轮电机进行定量对比，对比结果表明，双圈磁钢飞轮电机的气隙磁密波形质量比常规飞轮电机的气隙磁密波形质量更好，其转矩脉动更小，提高了反作用飞轮系统的控制精度和稳定性。同时双圈磁钢飞轮电机的电机损耗更小，增大了飞轮电机的运行效率。     

火星空间环境磁场探测研究——高精度磁强计

萤火一号卫星将对火星空间环境磁场实施探测。火星磁场对火星弓激波、磁鞘、电离层、大气等绝大多数空间环境效应都具有重要影响,萤火一号对火星磁场的探测是通过搭载于其上的科学载荷磁强计来实现的。此磁强计在工作原理及具体设计上,考虑了火星轨道严酷的工作环境和科学目标所需的测量要求。通过装星前的地面标定测试,验证了萤火一号磁强计可以在-130～75℃温度范围内测量±256nT以内的磁场,分辨率可达到0.01 nT,带宽内总噪声小于0.03 nT,能够满足萤火一号对火星空间环境探测的需求。     

航天器磁环境试验研究进展

正1引言地球与星际空间的磁环境是影响航天器运行的重要环境之一,其影响程度与航天器自身的磁性大小有关。为满足各种性能要求,航天器需要使用一定量的磁性材料并存在一定的磁场。外界磁场的变化会引起航天器自身磁特性参数的改变,例如科学探测卫星,特别是进行磁场研究的卫星,要对卫星自身磁场加以限制,尤其是磁场监测器安装部位的磁场强度和稳定性的限制,才能保证探测数据的可靠性。对利用磁力矩器进行姿态控制和轨道定位的航天器,需要充     

基于矢量磁强计的磁场梯度张量仪误差校正方法

卫星在轨运行时，本体会产生一定的磁干扰，一般通过伸杆将传感器远离卫星本体安装，或者通过多个磁场传感器测量磁场梯度的方法来消除卫星本体的磁干扰.使用磁场梯度张量仪测量磁场梯度时，张量仪本身的构型会给测量带来误差.通过对5种主要的张量仪构型进行误差仿真，对比5种构型的张量测量误差，发现十字形构型张量仪的测量误差最小.除了构型带来的误差，张量仪的主要测量误差还包括组成张量仪的三轴磁强计本身的误差和非对准误差.本文使用椭球拟合算法对磁强计本身的误差进行校正，校正后磁强计测量总场的均方根误差为0.864nT.针对张量仪的非对准误差，提出了正交系间非对准误差的校正方法.仿真结果表明，校正后的非对准角度误差≤3.2×10-5 rad，能够很好地降低张量仪的非对准误差.      

电磁监测试验卫星矢量磁场探测方法

电磁监测试验卫星是中国第一颗近地轨道电磁场科学探测试验卫星, 探测空间背景磁场是其重要任务之一. 空间背景磁场探测需要在卫星平台上对空间矢量磁场进行长期稳定准确探测, 电磁监测试验卫星采用磁通门磁强计和基于CPT效应的绝对磁场校准装置(Coupled Dark State Magnetometer, CDSM)分别探测空间相对矢量磁场以及绝对标量磁场, 通过数据处理, 使最终的矢量磁场探测数据具有准确性. 这种数据处理方法在理想模型下拥有解析解, 实施过程中载荷的噪声、 准确度及稳定性影响模型的准确性, 会产生数据校准误差. 通过对在轨磁场探测的模拟确定了这种数据处理方法的性能, 验证了在载荷设计性能的基础上电磁监测试验卫星的磁场探测可以实现1 nT的准确度.