基于亥姆霍兹线圈的大尺寸均匀电磁场模拟

针对外层空间物理环境模拟系统的技术要求,基于亥姆霍兹线圈的工作原理,采用一对匝数、边长、高度和厚度相同的共轴平行放置的正方形线圈构成了Helmholtz线圈,结合恒流源和单片机控制技术,设计了电磁场模拟系统.采用ANSYS Workbench有限元分析软件对正方形Helmholtz线圈的电磁场分布进行了数值模拟,重点考察了线圈X轴、Y轴和线圈表面附近的电磁场分布,在此基础上设计了线圈结构参数.对所设计的正方形Helmholtz线圈内部12个关键点的电磁场进行了测量,结果表明线圈内的磁感应强度和磁场均匀性能够满足环境模拟系统的要求.      

反馈磁场均匀性对磁通门磁强计的影响分析

针对磁通门传感器的特点, 研究了反馈线圈对磁通门传感器探测数据的影响, 并对比了几种典型结构的传感器. 磁通门传感器要求激励线圈工作在均匀磁场环境下, 非均匀场会引入误差信号. 根据磁通门原理进行了理论推导, 非均匀性会导致反馈原理工作的磁通门传感器线性系数发生变化. 针对应用于空间磁场探测的几种磁通门传感器常见结构, 即分立结构型、亥姆霍兹型和紧凑球面型等, 分析了传感器内部磁场的均匀性及对磁场探测的影响. 经仿真计算分析发现, 紧凑球型传感器的内部均匀性和稳定性优于分立结构传感器, 更有利于空间磁场探测.      

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。     

基于智能优化算法和有限元法的多线圈均匀磁场优化设计

针对多线圈均匀磁场优化设计中的高阶求导及优化结果可信度评估问题,提出一种基于智能优化算法和有限元法相结合的多线圈均匀磁场优化设计方法。首先,确定待优化参数,并以磁场偏差率作为目标函数;然后,采用智能优化算法对目标函数进行寻优;最后,基于优化得到的结构参数,建立相应的有限元仿真模型,检验优化结果的可信度。以2组亥姆霍兹线圈的结构参数优化为例,仿真结果表明,本文方法求得的最优参数优于传统的求导方法寻优得到的参数,且经过有限元法检验后,该优化结果的可信度得到了确认。      

磁通门磁强计校准装置研究

本文介绍了磁通门磁强计校准装置的系统组成，包括大开口大均匀区的三轴磁场线圈、磁场线圈非均匀性的补偿方法、三轴磁场线圈非正交性补偿方法、串并联组合磁场线圈分流电路等，分析了校准装置的测量不确定度主要来源，给出了验证结果。该装置可开展磁通门磁强计（含传感器）示值误差、线性度、正交度等参数的校准，其成果已应用于十多家单位的磁场测试系统和数十家单位的磁通门磁强计校准。     

光纤陀螺磁敏感性的试验研究

光纤环是光纤陀螺的敏感部件.除Sagnac效应外,磁光法拉第(Faraday)效应也是光纤陀螺中实际存在的非互易效应.磁光法拉第效应是由于光纤制作工艺和光纤环绕制过程中存在的剩余双折射和光纤扭曲产生的,会在陀螺输出零位中附加一个固定偏置.借助有限元分析法,推导了微段光纤磁光法拉第效应的琼斯矩阵;建立了光纤环受磁场影响的数学模型;采用亥姆霍兹线圈进行了试验验证.试验结果证明了光纤陀螺磁敏感轴是存在并且可以确定的,提出了降低陀螺受磁场影响的具体措施.     

空间旋转目标消旋力矩仿真分析

针对提高空间旋转目标消旋效率的问题,使用电磁场软件MAXWELL对球壳的消旋力矩进行分析。设计并建立了二维亥姆霍兹线圈仿真模型,并对仿真模型进行有效性验证,使用验证后的仿真模型分析了单因素影响下的球壳消旋力矩变化情况,进而对现有的球壳消旋力矩解析式进行修正。仿真结果表明,现有的球壳消旋力矩解析式有其适用条件,适用于厚度与半径之比小于0.023的球壳,新的球壳消旋力矩解析式与原有解析式相比计算误差更小。      

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。     

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.      

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。      

高精度球面洛伦兹力磁轴承设计与分析

针对柱面洛伦兹力磁轴承(LFMB)偏角有限导致磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)力矩输出持续时间短和气隙磁密均匀度低影响控制敏感精度的突出问题, 提出了一种高精度球面LFMB设计与分析方法。所设计的LFMB转子球面导磁套和定子球面绕组均与双球面陀螺转子同球心, 气隙呈球壳状, 保证转子偏转时定子绕组两侧气隙宽度不变, 相较于柱面LFMB, 转子可偏转角度由±0.6°扩大到±2°。利用等效磁路法推导了柱面与球面LFMB气隙磁密的数学解析模型, 并基于ANSYS命令流构建了柱面与球面LFMB的有限元仿真模型。仿真结果表明:在转子可偏转范围内, 沿偏转中心线, 球面LFMB最大磁密较柱面下降了34.1%;当转子不偏转时, 球面LFMB绕组截面内的磁密均匀度较柱面提高了11.6%;当转子偏转时, 球面LFMB绕组截面内的磁密均匀度较柱面提高了17.7%。所提方法为磁悬浮控制敏感陀螺控制与敏感性能的提升奠定了基础。      

磁屏蔽装置与磁场模拟器的耦合分析

地磁导航半实物仿真是地磁导航从理论走向工程应用的关键环节,而地磁场环境仿真技术是地磁导航由计算机仿真过渡到半实物仿真的桥梁。针对地磁场环境仿真系统中磁屏蔽装置与其内部磁场模拟器的耦合问题,采用仿真分析与实验验证相结合的方法,利用Ansoft Maxwell仿真软件设计仿真实验对二者的耦合关系进行了探索性研究,并基于小型地磁场环境仿真系统对仿真得到的结论进行了实验验证。仿真和实验结果均表明:磁场模拟器在大电流强磁场的工作情况下会对磁屏蔽装置造成严重的磁化,进而会影响其屏蔽效果;磁屏蔽装置不会影响磁场模拟器的线性度和均匀性,但是会增大轴线中心点附近的磁场值;磁屏蔽装置会使磁场模拟器的电感增大,从而使实时性变差。研究结论可以为地磁场环境仿真系统的设计提供理论依据。      

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。     

卫星磁载荷现场校准技术研究

本文介绍了一种卫星磁场探测载荷现场校准技术,设计了拆分式磁场线圈、无磁支架等,研制了校准装置。利用该技术实现了对卫星磁载荷在整星测试、发射前等多个阶段的测试校准,解决了卫星载荷在星体装配完成后无法测试的难题,提高了磁载荷测试数据可靠度,保证了科学实验的有效性。该校准技术已服务于我国首颗地磁监测试验卫星（张衡一号卫星）,对其磁场探测载荷在整星测试、出厂测试、发射场技术确认等多个阶段进行了校准,取得了很好的应用效果。     

光纤陀螺光纤环Shupe误差的多参数影响仿真分析

在光纤陀螺Shupe误差数学离散公式的基础上,建立四极对称法绕制光纤环的有限元模型,分析多材料组成下的光纤环在仿真时所需的综合物性参数.结合光纤陀螺工作环境的载荷和边界条件,对某型光纤环进行数值仿真,定量分析了光纤陀螺在工作温度下光纤环的Shupe误差,验证了模型建立的正确性.在此条件下,分析光纤环的结构参数、热学参数和热扰动参数对Shupe误差的影响.结果表明:通过增加绕制层数,提高导热系数,合理布置热源,可以明显抑制光纤环的Shupe误差,从而提高光纤陀螺的温度性能.      

卫星磁载荷现场校准技术研究

本文介绍了一种卫星磁场探测载荷现场校准技术,设计了拆分式磁场线圈、无磁支架等,研制了校准装置。利用该技术实现了对卫星磁载荷在整星测试、发射前等多个阶段的测试校准,解决了卫星载荷在星体装配完成后无法测试的难题,提高了磁载荷测试数据可靠度,保证了科学实验的有效性。该校准技术已服务于我国首颗地磁监测试验卫星(张衡一号卫星),对其磁场探测载荷在整星测试、出厂测试、发射场技术确认等多个阶段进行了校准,取得了很好的应用效果。