磁通门磁强计在磁定位领域及应用.pdfVIP

2010 年第二十三届全国空间探测学术交流会论文 磁通门磁强计在磁定位领域的应用 王兴萍 王劲东 陈斯文 （中国科学院空间科学与应用技术中心北京 100091 ） 摘 要：本文介绍的将自主研制的磁通门磁强计用于地下转子定位的装置是空间技术 的地面应用。该装置的工作原理是通过测量强磁性转缸在工作过程中的磁场大小确定转缸 的距离以及方位。我们将转子视作磁偶极子模型从理论上确定转子的磁场空间分布情况， 文章给出了理论分析和公式推导过程。之后在实验室环境下对转子处于不同距离、不同方 位的磁场测量，修正了该磁场空间的分布情况。基于这一结果，做了通过观测观测的磁场 推算出转缸的位置以及转动角度并在实验室环境下验证了该方法的可行性，从而确保了该 装置的功能性。文章介绍了装置的电路结构和具体的工程实现，并重点介绍了其中的低通 滤波器模块的设计实现。 关键词：磁通门磁强计，转子磁定位，低通滤波器 1 引言 自主研制的性能良好的磁强计的地面应用有着广阔的应用前景和重要的经 济价值，同时可以结合具体应用背景解决日常生产生活中碰到的困难。比如地 下工作的转子，我们在地面上无法实时确定转子的位置和转动路径是否与预先 设定的一致，由此为工作的展开带来的困难。因此本文中的磁强计在地下转子 定位的应用在石油勘探、地下工程等领域具有非常重要的应用价值。 传统定位方法采用穿透性能较好的γ射线,但是由于其存在放射性,对操作人 员的健康有所损害。而低频电磁波对金属、土层、海水等介质具有良好的穿透 性能,使其广泛应用于管道工程、矿山通讯、目标定位、测量等领域。正是基于 这种考虑，本文介绍了以磁强计为核心的转子自定位设备，引入该设备后我们 可以实现无需特殊的跟踪装置即可确定转子的位置，从而达到实时监测、调整 转子转动角度和前进方向的目的。 2 磁偶极子的磁场分布 磁偶极子模型被广泛应用于目标物体的定位及状态测定中,当目标磁体的体 积远远小于检测距离时,该物体可以被看作磁偶极子。当转子在地下作业时，我 们在地面上观测相距较远的转子的磁场分布情况，因为观测距离远大于转子的 体积，这种情况下磁性转子在转动时可视作磁偶极子。磁偶极子是由一对等量 异号的点磁荷±qm 组成的体系，由磁偶极子磁荷±qm 所产生的磁场如图1所 示。 1 2010 年第二十三届全国空间探测学术交流会论文 图1 三路幅频响应调试结果 设S极、N极连线所在的方向为X轴方向，连线的中垂线方向为Y轴方向， 并且规定由S极指向N极的方向为X轴的正方向，沿垂直平分线向下的方向为Y 轴的正方向，S、N 中点为O ，设SO=NO=l，我们考察P点的磁场大小，可设NP=r1 ， SP=r ,OP=r，∠PON=θ，∠PSN=θ ∠PNx=θ 则由库仑定律知 2 2 1 m m +qm在P处产生的磁场为H 1 2 ；-qm在P处产生的磁场为H 2 − 2 。将 r r 1 2 ±qm产生的磁场沿着X轴、Y轴方向正交分解，可得X轴方向的磁场大小为 H H +H Y轴方向的磁场大小为H H +H 和磁场为H H 2 +H 2 x x 1 x 2 y y 1 y 2 x