南京理工大學(xué)_開題報(bào)告.doc

1、文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.南京理工大學(xué)本科生科研訓(xùn)練開題報(bào)告學(xué)生姓名：臧云歌學(xué) 號：14曹委18孫斌42專業(yè) ：測控技術(shù)與儀器設(shè)計(jì)(論文)題目：基于非晶材料的磁通門傳感器設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師:卜雄洙2012年 5月 2 日0文檔來源為 : 從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.本科生科研訓(xùn)練開題報(bào)告基于非晶材料的磁通門傳感器設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述一、研究背景早在 2000 多年前，我們的祖先就利用物質(zhì)的磁性發(fā)明了用于航海和測繪等方面的指南針。隨著社會的進(jìn)步，磁場測量技術(shù)作為研究與磁現(xiàn)象相關(guān)的物理過程的

2、重要手段，逐漸發(fā)展成一門綜合的技術(shù)科學(xué)。其廣泛應(yīng)用于地磁觀測、地震預(yù)報(bào)、空間磁場測量、地質(zhì)勘探等地球物理領(lǐng)域，而且在探礦、考古、飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等工業(yè)、軍事、生物及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。與此同時，磁場測量技術(shù)與不同領(lǐng)域的學(xué)科結(jié)合形成一些其他學(xué)科，如磁場測量在化學(xué)中的應(yīng)用形成了磁化學(xué)；磁場測量在地質(zhì)中的應(yīng)用形成磁法勘探學(xué)；磁場測量在探傷中的應(yīng)用形成磁探傷學(xué)；磁場測量在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用形成磁法醫(yī)療學(xué)。尤其重要的是，磁場測量儀器廣泛應(yīng)用于大型物理實(shí)驗(yàn)儀器、高能加速器、離子束加工裝置、熱核聚變裝置、宇航等重大工程中。在直流或緩變的弱磁場檢測中，磁通門傳感器具有寬的線性范圍、較高的分辨力和較高的

3、靈敏度等特性，因而得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，集成電路工藝和微機(jī)電系統(tǒng)（ Micro-electro Mechanical Systems）技術(shù)的迅猛發(fā)展，推動了磁通門傳感器由傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型向固化型的轉(zhuǎn)變。半導(dǎo)體固態(tài)傳感器由于其性能優(yōu)異、體積小、重量輕且成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，在國防及民用領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用。為適應(yīng)地磁測量、空間探測、衛(wèi)星姿態(tài)控制等測控領(lǐng)域的需要，微型磁通門傳感器已經(jīng)引起了人們極大的關(guān)注。研究和發(fā)展操作簡單、穩(wěn)定性好、精度高、成本低廉的磁測儀器有著十分深遠(yuǎn)的意義。磁場測量技術(shù)涉及的原理廣、測量范圍也有所不同。與其他磁測儀器相比，磁通門磁力計(jì)靈敏度高，制作成本低，可以測量單分量磁場及空

4、間矢量場，并且有較大的測量范圍；與核磁共振地磁儀相比，磁通門磁力計(jì)有較好的穩(wěn)定性；與光纖地磁儀相比，磁通門磁力計(jì)對被測磁場更敏感，而且對振動和熱量帶來的磁場變化不敏感。二、國內(nèi)外研究情況磁通門傳感器是德國人在二十世紀(jì)三十年代首次發(fā)明的。長期以來，磁通門一直1文檔來源為 : 從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.是一種變壓器式的結(jié)構(gòu) (由鐵心、線圈和骨架組成)。但近年來，微型磁通門的理論及技術(shù)有了飛速的發(fā)展。 1990 年 Thomas Seitz研制出第一個微型磁通門傳感器，它的鐵心是濺射到硅片上的軟磁材料。利用光刻成型，尺

5、寸大約為2 4mm2。它的測量線圈是用單層金屬鋁線做成的螺線管，激勵線圈是用先進(jìn)的厚膜技術(shù)制作在陶瓷基片上的。隨后日本的 S.Kawahito 等人研制出了微型螺線管磁通門。自此以后，微型磁通門成了磁傳感器研究的焦點(diǎn)，出現(xiàn)了各式各樣的微型磁通門，有的做在硅片上，有的則印刷在電路板上。在幾十年的發(fā)展過程中，磁通門衍生出多個應(yīng)用分支如磁通門羅盤計(jì)、三軸磁通門、數(shù)字磁通門、快速傅里葉變換式磁通門及電流輸出型磁通門等。目前，國內(nèi)外的磁通門產(chǎn)品大部分為偶次諧波型。國外的磁通門技術(shù)起步較早，其產(chǎn)品也有著很高的研制水平。比如英國Bartington 公司生產(chǎn)的Mag-03RC，分辨力為1nT；加拿大生產(chǎn)的

6、FM-100B, 分辨力為0.4nT；日產(chǎn) MB-162, 分辨力達(dá)到 0.1nT。我國在磁通門技術(shù)上與國外的發(fā)展水平存在著很大的差距，但進(jìn)步很大，已有多家研究機(jī)構(gòu)研制出一些可以使用的磁通門產(chǎn)品。如中國科學(xué)院地球物理研究所研制的CTM-302三分量磁通門磁力計(jì)、 中國科學(xué)院空間與應(yīng)用研究中心的SDM 型自動補(bǔ)償數(shù)字顯示磁力計(jì)、中國地震局地球物理研究所研制的DCM-1 型數(shù)字地磁脈動觀測系統(tǒng)、 上海金磁科技有限公司的 Mag 系列手持式磁通門磁力計(jì)、 北京航勘儀器廠的 FVM-400 、北京地質(zhì)儀器廠的 CGM-02D 等。磁通門作為弱磁測量的重要手段，其發(fā)展方向主要集中在以下幾個方面：1. 提

7、高傳感器的分辨力和靈敏度；2. 提高測量精度及測量范圍；3. 提高分辨力、帶寬與精度的綜合水平；4. 實(shí)現(xiàn)磁通門檢測原理創(chuàng)新；5. 研制微型化、元件化的磁通門器具；6. 開發(fā)數(shù)字化、智能化的磁通門裝置。三、課題研究的目的及意義傳統(tǒng)磁通門傳感器靈敏度受磁通門探頭噪聲制約，對磁芯的要求較為苛刻。受現(xiàn)代制作工藝及材料發(fā)展水平的限制，傳統(tǒng)磁通門的發(fā)展緩慢。要提高磁通門的分辨力、精度和帶寬等性能指標(biāo)，除了改進(jìn)制作工藝，提高制作技術(shù)水平、改進(jìn)探頭結(jié)構(gòu)外，還必須從磁通門原理入手研究新的檢測機(jī)制。2文檔來源為 : 從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡

8、迎下載支持.本課題的目的在于探究遲滯時間差檢測原理，完成新型磁通門的制作及磁測裝置的設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)直流或緩變?nèi)醮艌龅臏y量。受現(xiàn)代工藝水平的制約，現(xiàn)有磁通門可以承受約 1000 倍的噪聲，然而繼續(xù)提高抗噪聲能力較為困難。應(yīng)用遲滯時間差原理設(shè)計(jì)的磁測裝置可以使輸出信號不受探頭參數(shù)的影響和奇次諧波噪聲的干擾， 且調(diào)理電路簡單，易于裝置的微型化和集成化。目前，國內(nèi)外正在大力研制基于微機(jī)電系統(tǒng)（ MEMS ）技術(shù)的磁傳感器。其中，研究較多的是諧振式磁敏傳感器，其主要優(yōu)點(diǎn)是不需要磁敏感材料而是依據(jù)洛倫茲力原理，但其理論分辨力只達(dá)到 100nT。清華大學(xué)精密儀器實(shí)驗(yàn)室采用 MEMS 技術(shù)對傳統(tǒng)磁通門進(jìn)行微型

9、化處理后，使磁通門的體積降到 100mm3的量級。但其仍然采用傳統(tǒng)的檢測方法及類似傳統(tǒng)的探頭結(jié)構(gòu)，實(shí)際上限制了傳感器的進(jìn)一步微型化。此次課題所研究的遲滯時間差檢測法更易于微型化設(shè)計(jì)， 可以方便地將磁通門及其調(diào)理電路集成為一個功能器件。并且有望突破加工技術(shù)壁壘，實(shí)現(xiàn)三維微型磁通門的加工及設(shè)計(jì) 。四、小結(jié)總之，項(xiàng)目的成果可廣泛應(yīng)用于日后各項(xiàng)建設(shè)中。此次通過遲滯時間差檢測機(jī)理，系統(tǒng)地建立了遲滯時間差型磁通門的數(shù)學(xué)模型，并依此機(jī)理完成新型磁通門實(shí)體的制作，最終實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高分辨力的磁測裝置的設(shè)計(jì)。根據(jù)電磁場理論建立遲滯時間差型磁通門傳感器模型， 并推導(dǎo)遲滯時間差同勵磁場及待測磁場的關(guān)系以及靈敏度同勵

10、磁幅度和頻率的關(guān)系。以遲滯時間差為檢測對象，采用高導(dǎo)磁率、高矩形比的鈷基非晶合金為磁敏感材料，運(yùn)用 PCB 工藝，制作完成一種單磁芯探頭結(jié)構(gòu)的新型磁通門傳感器。以遲滯時間差型磁通門實(shí)體為磁探頭，項(xiàng)目完成便攜式弱磁測量裝置的設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)-41044弱磁場的標(biāo)定，其分辨力達(dá)到。同傳統(tǒng)磁通門相比，傳感器nT+410 nT60nT的探頭結(jié)構(gòu)得到很大的簡化，體積有效地減小，易于微型化；檢測電路簡單，磁測裝置的體積也大為減小，易于便攜式測量；數(shù)據(jù)處理簡單，測量周期短；在傳感器的體積和功耗同時降低的情況下，可以使靈敏度和分辨力等性能指標(biāo)達(dá)到理想。3文檔來源為 : 從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .文檔

11、來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.本科生科研訓(xùn)練開題報(bào)告本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段課題主要研究遲滯時間差原理及利用該原理實(shí)現(xiàn)弱磁場測量系統(tǒng)樣機(jī)的研制。 通過 ANSYS 仿真及實(shí)驗(yàn)證明原理的可行性，通過實(shí)驗(yàn)分析各參數(shù)（勵磁、結(jié)構(gòu)、磁芯及線圈等參數(shù)）對測量結(jié)果的影響。利用多層 PCB 工藝完成磁通門實(shí)體的制作，設(shè)計(jì)勵磁信號發(fā)生器及檢測與調(diào)理電路，實(shí)現(xiàn)磁測裝置系統(tǒng)的組建。最終利用遲滯時間差型磁通門實(shí)現(xiàn)對直流及低頻弱磁場的測量。根據(jù)現(xiàn)有的磁性材料、實(shí)驗(yàn)條件及課題組目前的工作成果，預(yù)期實(shí)現(xiàn)指標(biāo)如下表。傳感器性能測量范圍-4 104 nT +4104 nT分辨力10nT靈敏度1s/nT傳感器功耗5mW傳感器帶寬600Hz本科生科