基于状态反馈和注入锁定的高性能级联磁通门传感器研究

发布时间：2021-07-16 20:50

　　弱磁探测在矿产资源勘查、空间科学研究、地震电磁监测、国防军事预警等领域中发挥着关键作用,是关系国计民生和国家安全的核心技术之一,高灵敏度、低噪声磁场传感方法是弱磁探测的前提。当前,在众多矢量磁场传感技术中,磁通门传感器以其成本、体积、性能等方面的均衡优势,被认为是综合性能最佳的弱磁传感技术,成为一项不可或缺的弱磁探测手段。虽然磁通门传感技术的发展已近百年,然而其当前所达到的磁测水平与其性能潜力仍有很大差距。2003年,隶属于美国军方的科研团队提出了基于随机共振原理的级联磁通门传感技术,该技术结合非线性系统的耦合振荡特征,具有单体磁通门传感技术无法达到的磁测灵敏度,有望进一步提升磁通门传感器的磁测性能,实现亚p T量级的磁场传感。发展至今,国际上形成了集理论研究、方法应用、技术实现于一体的科研团队,基本完成了系统的级联磁通门传感技术的理论体系搭建与样机实现,整体处于发展上升阶段。反观国内,虽有科研团队进行了磁通门随机共振理论的相关研究,但未形成完整的理论体系,仍处于预研起步阶段,与国外存在一定的差距。为形成完整的级联磁通门传感技术体系,缩小与国外科研团队之间的差距,进一步释放级联磁通门传... 

【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：163 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
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第1章 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 磁通门传感器的发展与分类
        1.2.2 级联磁通门传感器研究现状
    1.3 论文研究目的和意义
    1.4 论文研究内容和结构安排
        1.4.1 论文研究内容
        1.4.2 论文结构安排
第2章 耦合振荡原理分析与实验原型研制
    2.1 引言
    2.2 级联磁通门系统及级联耦合振荡
        2.2.1 软磁材料的磁化动力学模型及双稳态特征
        2.2.2 级联磁通门系统的基本结构
        2.2.3 级联耦合振荡形成条件及频率特征
    2.3 级联磁通门传感器的探头设计
        2.3.1 磁通门磁芯材料选取与尺寸参数
        2.3.2 磁通门探头的结构设计与制作
    2.4 磁通耦合电路的设计与制作
        2.4.1 磁通耦合电路的基本结构
        2.4.2 电路设计与实现
    2.5 时间差-磁场检测原理及数字式检测系统搭建
        2.5.1 时间差-磁场检测原理
        2.5.2 数字式时间差检测系统设计与制作
    2.6 传感器标定设备与测试环境
        2.6.1 磁屏蔽环境
        2.6.2 传感器标定设备
    2.7 本章小结
第3章 状态反馈对于磁场检测灵敏度的调节机制
    3.1 引言
    3.2 级联系统的磁场检测灵敏度及调节方法
        3.2.1 磁场检测灵敏度
        3.2.2 磁场检测灵敏度特征
    3.3 状态反馈对于级联系统影响的理论验证与仿真评估
        3.3.1 状态反馈式级联磁通门系统
        3.3.2 级联磁通门系统的数值模型仿真
    3.4 状态反馈对于级联系统影响的实验验证
        3.4.1 级联磁通门传感器的状态反馈实现
        3.4.2 实验验证与结果分析
    3.5 本章小结
第4章 注入锁定及其噪声抑制机理
    4.1 引言
    4.2 注入锁定及其阿诺德现象
    4.3 注入锁定对级联磁通门系统的影响分析
        4.3.1 注入锁定在级联系统中的表现
        4.3.2 注入锁定对级联系统影响的数值仿真
    4.4 注入锁定噪声抑制作用的实验验证
        4.4.1 级联磁通门传感器的注入锁定实现
        4.4.2 实验验证与结果分析
    4.5 本章小结
第5章 磁通门元件之间的磁通串扰抑制
    5.1 引言
    5.2 磁通串扰对级联耦合振荡的影响分析
    5.3 磁通门元件的排列方式与仿真分析
    5.4 元件纵向排列式磁通门探头及其磁通串扰评估
    5.5 本章小结
第6章 磁通反馈检测方法与性能测试
    6.1 引言
    6.2 外磁场对级联磁通门传感器的影响分析
        6.2.1 外磁场对级联系统工作状态的影响
        6.2.2 外磁场对时间差检测方法的影响
    6.3 基于时间差原理的磁通反馈检测方法设计
        6.3.1 模拟输出式时间差检测方法
        6.3.2 磁场的闭环检测方法实现
    6.4 磁通反馈式级联磁通门传感器的设计及性能测试
        6.4.1 级联系统的控制过程分析
        6.4.2 注入锁定与状态反馈的联合应用及参数确定
        6.4.3 传感器的性能测试与对比
    6.5 本章小结
第7章 级联磁通门传感器的应用尝试
    7.1 引言
    7.2 地磁补偿与传感器开放环境中的控制流程
    7.3 传感器长期稳定性测试
    7.4 开放环境下的地铁磁场干扰测试与数据分析
    7.5 电磁屏蔽环境下的地铁磁场干扰测试与数据分析
    7.6 本章小结
第8章 总结与展望
    8.1 全文总结
    8.2 论文创新点
    8.3 后续工作展望
参考文献
作者简介及攻读博士期间科研成果
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]北京地磁场环境干扰分析[J]. 张秀玲,畅国平,张明东.  地震地磁观测与研究. 2018(06)
[2]崇明地震台ELF观测数据受地铁干扰情况分析[J]. 施俊杰,龚耀,朱培育,朱佳苗,赵俊香,魏薇,戴乐翔.  山西地震. 2018(01)
[3]RTD型磁通门传感器检测系统设计[J]. 王言章,李京杰,刘维,赵辰阳,陈思宇.  传感器与微系统. 2015(09)
[4]高斯噪声和弱正弦信号驱动的时间差型磁通门传感器[J]. 杨波,卜雄洙,王新征,于靖.  物理学报. 2014(20)
[5]Sallen-Key低通滤波器高频馈通现象的原因及解决[J]. 丛超,陈文奇,王闻博.  电子世界. 2014(05)
[6]一种迟滞时间差型磁通门检测方法[J]. 孙晓燕,刘诗斌,刘仕伟.  传感技术学报. 2013(09)
[7]基于反馈的时间差磁通门随机共振研究[J]. 卢浩,程德福,王言章,赵兰霞.  电子学报. 2012(08)
[8]亥姆霍兹线圈磁场的探究[J]. 朱业俊,陶小平,孙腊珍.  物理实验. 2010(03)
[9]南京地磁台地铁干扰特征分析与抑制处理[J]. 吴利辉,滕云田,王喜珍,谢凡,吴琼.  地震地磁观测与研究. 2009 (06)
[10]亥姆霍兹线圈磁场的均匀性分析及误差估算[J]. 曾晓英.  物理实验. 2000(05)

博士论文
[1]精密测量直流大电流的自激振荡磁通门法研究[D]. 王农.哈尔滨工业大学 2016
[2]时间差型磁通门传感器理论建模与实验研究[D]. 杨波.南京理工大学 2015

硕士论文
[1]基于随机共振理论的磁通门传感器研究[D]. 叶兰.华中科技大学 2013
[2]时间差型磁通门传感器研究及设计[D]. 赵兰霞.吉林大学 2012
[3]基于小波分析的地铁地磁干扰抑制方法研究[D]. 吴利辉.中国地震局地球物理研究所 2009



本文编号：3287739