宇航用三轴磁通门磁强计研制

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本论文研制了一种宇航用三轴磁通门磁强计。磁通门磁强计是一种利用磁通门原理对微弱磁场进行测量的传感器,利用敏感轴方向三维正交的三分量磁通门磁强计,可以准确测量被测磁场矢量投影在各个敏感轴方向上的分量大小,利用此测量结果可以计算出磁强计与当地地磁场矢量的夹角,可用于飞行体姿态控制等应用场景。相对于其它原理磁强计,磁通门磁强计具有低功耗、小体积和相对简单可靠的物理结构,所以在航天工程中有着广泛的应用,主要用于近地轨道磁控卫星的姿态控制系统及空间磁场测量领域。当前国外高等级磁强计对我国禁运,因此开发自主可控的宇航用磁强计更具有现实意义。宇航用三轴磁通门磁强计在研制时充分考虑了产品的可靠性及空间环境适应性等因素,并对电路和结构进行了优化设计。首先,本论文对磁通门原理进行了初步介绍,进一步分析了磁通门探头磁场测量的数学模型,并对比了磁通门直放式和补偿式系统的特点和区别。其次,根据磁通门原理和数学模型,设计了单轴磁通门探头,该探头采用三端式结构,激励、检测、反馈线圈三合一,结构相对简化。同时还设计了三轴磁通门探头安装用结构。第三,设计了配合三端式磁通门探头使用的模拟电路部分,包括激励信号的产生,磁通门探头信号调理等环节,最后输出-5V~+5V的模拟电压。第四,设计了数字电路部分,实现对磁通门模拟输出的采集、控制和通讯功能。并编写了单片机系统控制程序及上位机监测软件。第五,针对宇航应用条件进行了环境适应性设计及可靠性设计。最后,对磁通门磁强计误差进行了分析,并进行了相应的校正,同时搭建了磁场测试平台,对磁强计进行了标定测试。本论文研制的磁通门磁强计测量范围±64000nT,分辨率为2nT,非线性误差≤0.05%,温度漂移≤20ppm/℃,三轴正交度90°±0.5°,满足了宇航用高精度磁场测量要求。
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