一种海水运动磁场特性测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种海水运动磁场特性测量装置包括复合结构管道、励磁系统和测量系统；复合结构管道用于提高海水的运动速度；励磁系统采用方形亥姆霍兹线圈分别设置在复合结构管道上下两侧并在线圈之间产生均匀磁场，磁场方向垂直于长方体管道；测量系统采用环形磁芯感应线圈，通过并联匹配电容将环形磁芯感应线圈的谐振频率调谐至PWM方波信号的基波频率，提高带内输出响应，同时抑制带外干扰。前置放大器、模拟开关和低通滤波器共同组成锁相放大电路，利用PWM信号控制模拟开关，将交流场作用下的海水运动磁场信号从干扰环境中提取出来。的海水运动磁场信号从干扰环境中提取出来。的海水运动磁场信号从干扰环境中提取出来。

【技术实现步骤摘要】
一种海水运动磁场特性测量装置


[0001]本专利技术涉及磁场测量
，特别涉及一种海水运动磁场特性测量装置。

技术介绍

[0002]潜航器在水下航行时会引起周围海水运动，并在其后方形成大范围尾迹。潜航器所致海水运动会衍生磁场，这是因为具有导电性的海水在背景地磁场中做切割磁感线运动，将导致海水内部形成感应电流，从而产生海水运动磁场。该磁场作用范围大、持续时间长，且与潜航器材料是否具有磁性以及是否进行了消磁处理并无关系。掌握这种海水运动磁场特性的测量方法，对潜航器探测新技术的发展具有重要的研究意义和潜在的应用价值。
[0003]相较于潜航器本体磁场，潜航器航行导致的海水运动磁场比较微弱，关于它的研究国内外刚起步，目前其测量方法鲜有公开报道。尽管磁传感技术得到了长足发展，目前国内外超低噪声磁传感器已能达到飞特级水平，例如以超导磁传感器、感应式磁传感器、金刚石色心磁传感器为代表的的矢量磁传感器，和以光泵磁传感器、原子磁传感器为代表的标量磁传感器，但直接将上述先进磁传感器应用于海水运动磁场特性测量，仍存在一些问题。主要原因有三点：一是由于潜航器在水下航行时，与之相关的海水运动速度较小，所以海水运动磁场较弱；二是由于地磁场属于稳态磁场，加之海水运动速度的变化缓慢，所以地磁背景下的海水运动磁场集中在极低频段，但磁传感器的低频噪声较大；三是磁传感器灵敏轴方向的平台环境噪声也会对海水运动磁场测量造成影响。
[0004]在地磁背景下，潜航器航行产生的海水运动磁场不仅十分微弱、频率很低，而且测量时会受到平台磁噪声的影响，目前直接将先进磁传感器应用于海水运动磁场特性测量面临许多问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种海水运动磁场特性测量装置，所述海水运动磁场特性测量装置包括复合结构管道、励磁系统和测量系统；
[0006]所述复合结构管道包括设置在两侧的两个对称的喇叭状管道以及设置在两个喇叭状管道中间的长方体管道；
[0007]所述励磁系统包括方形亥姆霍兹线圈和励磁电路；方形亥姆霍兹线圈是相互平行的一对相同的方形线圈，分别设置在所述长方体管道上下两侧；励磁电路的输出电流沿相同的方向流过两个线圈，并在线圈之间产生均匀磁场，磁场方向垂直于长方体管道；
[0008]所述测量系统包括环形磁芯感应线圈和测量电路；所述测量电路用于对所述长方体管道内磁场特性进行检测，测量电路包括两个电极，两个电极分别设置在所述长方体管道左右两侧，其中一个电极通过导线连接至其对侧电极侧边形成等电位电极；所述环形磁芯感应线圈设置在等电位电极和与其同侧的电极之间。
[0009]更近一步地，所述喇叭状管道大口横截面大于长方体管道的横截面；小口横截面
等于长方体管道的横截面，并与长方体管道连接。
[0010]更近一步地，所述方形亥姆霍兹线圈的边长为2a，上下两个所述方形亥姆霍兹线圈之间相隔1.089a；磁场幅值B
s
表示为：
[0011][0012]其中，N是线圈匝数，I是励磁电路的输出电流，a为方形亥姆霍兹线圈边长一半。
[0013]更近一步地，所述测量电路包括匹配电容、前置放大器、模拟开关和低通滤波器；匹配电容先对环形磁芯感应线圈进行调谐，使线圈工作在谐振态，获得最大的输出响应；前置放大器再对线圈输出电压进行增强；最后利用模拟开关和低通滤波器进行信号检测。
[0014]更近一步地，所述测量电路的信号输入为：
[0015]x(t)＝V
s
cos(ω0t+θ)
[0016]其中，V
s
表示信号输入的电压幅值，t表示时间，θ表示初相位，ω0表示角频率；
[0017]并设参考输入r(t)是幅度为
±
Vr的方波，其周期为T，角频率为ω0＝2π/T；
[0018]根据傅里叶分析方法，方波r(t)的傅里叶级数表达式为：
[0019][0020]其中，V
r
表示参考电压幅值，n表示正整数，n＝1,2,3
…
；
[0021]r(t)与x(t)相乘的结果为：
[0022][0023][0024][0025]公式结果中df(t)为差频项，af(t)为和频项，经过低通滤波器后，n>1的差频项及所有的和频项均被滤除，只剩下n＝1的差频项为
[0026][0027]当方波幅度Vr＝1时，可以利用模拟开关实现方波信号与前置放大后信号的相乘过程，即当r(t)为+1时，模拟开关的输出连接到x(t)；当r(t)为
‑
1时，模拟开关的输出连接到
‑
x(t)，低通滤波器的输出为：
[0028][0029]通过高分辨率高精度数据采集装置，对获取的海水运动磁场信号进行模数转换，而后利用信号处理软件进行磁场特性测量，信号处理方式包括时域测量、频域测量和时频域测量。
[0030]本专利技术达到的有益效果是：
[0031]本专利技术采用了流速放大结构，两头为喇叭状管道，中间为长方体管道，管道之间相互联通，无论外部海水从左边还是右边的喇叭状管道流入，长方体管道内海水的流速都比外部海水的流入速度大。通过提高海水运动速度增强了海水运动磁场的检测能力。
[0032]本专利技术采用了励磁斩波方式测量海水运动磁场。当导电海水流经的管道内存在交变激励磁场时，管道截面上会产生感应磁场。利用该原理将海水运动磁场测量从极低频检测变为高频检测，由于磁传感器具有低频噪声大、高频噪声小的特点，而且感应磁场具有明显的线谱特征，因此采用励磁斩波方式可解决极低频微弱运动磁场难以测量的难题。
[0033]本专利技术采用了环形磁芯感应式磁传感器进行测量。在励磁斩波方式下，根据麦克斯韦
‑
安培定律，管道内的海水运动感应磁场呈环状分布，它与外界磁场的方向不同，因此采用环形磁芯感应式磁传感器可方便地测量海水运动磁场，受外界磁干扰影响小。
附图说明
[0034]图1为一种海水运动磁场特性测量装置的示意图。
[0035]图2为一种海水运动磁场特性测量装置的实施例结构示意图。
[0036]图3为一种海水运动磁场特性测量装置的实施例透视示意图。
[0037]图4为一种海水运动磁场特性测量装置实施例的管道内部海水速度场分布示意图。
[0038]图5为一种海水运动磁场特性测量装置实施例中励磁系统的结构示意图。
[0039]图6为一种海水运动磁场特性测量装置实施例中测量系统的结构示意图。
[0040]图7为一种海水运动磁场特性测量装置实施例中长方体管道内部海水运动磁场分布示意图；
[0041]图8为一种海水运动磁场特性测量装置实施例中方形亥姆霍兹线圈的结构示意图；
[0042]图9为一种海水运动磁场特性测量装置实施例中环形磁芯线圈的结构示意图。
具体实施方式
[0043]下面结合附图对本专利技术的技术方案进行更详细的说明，本专利技术包括但不仅限于下述实施例。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种海水运动磁场特性测量装置，其特征在于，所述海水运动磁场特性测量装置包括复合结构管道、励磁系统和测量系统；所述复合结构管道包括设置在两侧的两个对称的喇叭状管道以及设置在两个喇叭状管道中间的长方体管道；所述励磁系统包括方形亥姆霍兹线圈和励磁电路；方形亥姆霍兹线圈是相互平行的一对相同的方形线圈，分别设置在所述长方体管道上下两侧；励磁电路的输出电流沿相同的方向流过两个线圈，并在线圈之间产生均匀磁场，磁场方向垂直于长方体管道；所述测量系统包括环形磁芯感应线圈和测量电路；所述测量电路用于对所述长方体管道内磁场特性进行检测，测量电路包括两个电极，两个电极分别设置在所述长方体管道左右两侧，其中一个电极通过导线连接至其对侧电极侧边形成等电位电极；所述环形磁芯感应线圈设置在等电位电极和与其同侧的电极之间。2.根据权利要求1所述海水运动磁场特性测量装置，其特征在于，所述喇叭状管道大口横截面大于长方体管道的横截面；小口横截面等于长方体管道的横截面，并与长方体管道连接。3.根据权利要求1所述海水运动磁场特性测量装置，其特征在于，所述方形亥姆霍兹线圈的边长为2a，上下两个所述方形亥姆霍兹线圈之间相隔1.089a；磁场幅值B
s
表示为：其中，N是线圈匝数，I是励磁电路的输出电流，a为方形亥姆霍兹线圈边长一半。4.根据权利要求1所述海水运动磁场特性测量装置，其特征在于，所述测量电路包括匹配电容、前置放大器、模拟开关和低通滤波器；匹配电容先对环形磁芯感...

【专利技术属性】
技术研发人员：左超，王作帅，陈盟，王建勋，肖涵琛，耿攀，罗伟，陈涛，欧阳君，杨晓非，郑立勋，杨雨淳，彭泽禹，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：