基于巨磁阻抗效应的新型磁引信探测器研究

吴彩鹏, 邓甲昊

(北京理工大学机电工程与控制国家级重点实验室,北京100081)

0 引言

就引信系统而言,无论何种体制均借助探测器获取目标信息,从而实现对目标的探测、识别与定位。这些探测器因所基于的探测物理场不同而形成了不同的探测体制,主要有无线电、激光、红外等,其中磁探测体制由于不怕电子干扰且对铁磁目标具有天然探测优势而应用广泛。至目前为止,该体制均依靠传统磁性元件获取目标信息,其探测灵敏度相对不高,且体积较大。磁近炸引信、可攻顶反坦克导弹复合引信等现代武器系统,都需要具有灵敏度高、响应速度快、温度特性好、功耗低、可微小型化等优点的磁探测技术。要提高磁引信的目标探测能力就必须寻求一种具有良好软磁特性的新兴材料作为磁引信探测器的敏感材料,使引信探测器的分辨率达到nT量级,从而保证对微磁、弱磁信号的检测[1]。

上世纪 90年代初,日本名古屋大学的 K.Mohri和L.V.Panina在Co-Fe-Si-B软磁非晶丝中发现了巨磁阻抗(Giant M agneoto-Impedance,GM I)效应[2],为nT范围的微磁传感器的研发开辟了新的途径。所谓巨磁阻抗效应是指当软磁材料(多为Co基非晶和Fe基纳米晶)的丝或条带通以高频交变电流时,材料的阻抗随着丝或条带纵向所加的外磁场变化而灵敏变化的现象。非晶丝是一种新型磁性材料,其显著特点在于:在没有高频交变电流或脉冲激励的前提下,它不会显示出任何磁特性,因此该材料用于引信系统可抵御弹道上的多种有源和无源干扰。利用非晶丝的巨磁阻抗(GiantM agneto-Im pedance,GM I)效应则可显著提高该类武器系统的探测灵敏度和定距、定位精度。非晶丝的体积甚小(普通非晶丝直径约为150μm,一般二维集成的M I传感元件其尺寸为1.5 mm×0.5 mm),十分有利于该引信系统的微小型化。

目前,国外已经研制出了GMI传感器初样,探测精度达1μOe,反应速度1MHz,且功耗仅10 mW;此种传感器的灵敏度至少比巨磁电阻(GMR)传感器的灵敏度高1-2个量级以上,以钴基非晶丝为例,当受到高频电流激励时,在(1～5)Oe的轴向外磁场范围内,材料的阻抗变化率可高达120%。

本文以探测坦克、装甲车等铁磁目标为应用背景,通过对GM I效应的理论和应用研究,着重开展磁近感引信磁探测器的研究与设计,以克服目前大多数磁引信响应速度慢、灵敏度不高以及磁滞特性显著的缺陷。

1 GM I特性的理论研究

磁近感引信的性能与磁传感器的性能密切相关。磁近感引信要求其磁传感器应具备探测精度高、频响快、体积小等特性,对比传统的磁传感器,基于GM I效应的微磁传感器能够较好的满足磁近感引信的综合要求,而非晶丝磁性材料具有理想的软磁性能,能够用作这种新型传感器的敏感元件。表1为各种磁传感器的性能对比[3]。

由表1可知,利用GM I效应制成的传感器是唯一能同时满足高灵敏度、尺寸微型化、响应速度快、功耗低等要求的磁传感器。本节着重研究Co基非晶丝的GM I特性。

1992年日本名古屋大学的K.M ohri教授等人在直径120μm和50μm Co基非晶丝中通以高频电流,发现了丝的阻抗随外加磁场发生显著变化的现象,即巨磁阻抗(GM I)效应。

表1 磁传感器性能对比表

巨磁阻抗效应反映的是材料的弱场交流磁化随外磁场的变化,它是一种与外磁场相关性较强的交流电子传输现象。一般利用外磁场作用下的阻抗变化率来代表巨磁阻抗效应,通常有两种定义形式:

式中:Z(Hex)为外加磁场强度为 Hex时非晶丝的阻抗;Z(0)为外加磁场为零时非晶丝的阻抗;Z(H sat)为外加某一饱和磁场 H sat时非晶丝的阻抗。这两种定义虽然形式不同,但本质相同,在科学研究中常采用第一种定义,有利于样品物理机理研究。当一高频电流I=Iacexp(-jωt)通过非晶丝,丝两端的复阻抗可以表示为

图1表示了上述阻抗的定义。

图1 非晶丝材料复阻抗定义

在高频电流激励下,材料的阻抗可以由Maxwell电磁理论推得,圆柱结构导体的阻抗可表示为

式中:J0、J1为零阶和一阶Bessel函数;R dc为材料的直流电阻;a为非晶丝的半径。

式中:j为虚数单位;δm为磁性导体的趋肤深度,定义如下[4]:

式中:c为光速;σ为电导率;f为通过样品的电流频率;μφ为圆周磁导率。根据式(4)和式(6),GM I效应可以理解为:由于软磁材料的磁导率要比非磁性导体高的多,这使得在较低的频率下就能出现趋肤效应,外界磁场 H ex的变化导致了磁导率的变化,进而影响到趋肤深度,最终导致非晶丝阻抗的变化[5～8]。

（5）钻井液体系在实际使用过程中出现一些不稳定性，因此，还有很大优化空间。为了提高去磺化钻井液体系的抗盐及抗温性能，笔者认为日后可以进行腐殖酸盐、硅氟类降滤失剂、聚合物类抗高温降滤失剂等非磺化处理剂替代SMP、SPNH的研究与配方优化的工作，同时开展去磺化钻井液体系多元化研究，以满足不同地层、不同井型的钻井要求。

2 非晶丝磁探测器设计

2.1 探测电路框图

非晶丝磁探测的技术途径是利用高频交变信号对非晶丝激励使之产生巨磁阻抗(GMI)效应。GM I效应表现为:Co基非晶丝中通入高频电流后,材料两端电阻抗强烈地依赖于施加于丝轴方向上的外磁场。当外磁场改变导致其阻抗发生变化时,丝两端的电压也会发生变化,即端电压的变化反映了外加磁场的变化。根据该原理,可以设计出如下探测电路框图,如图2所示。

图2 非晶丝磁探测器电路框图

2.2 激励信号源

GM I效应产生的基础就是要有一个高频信号对材料进行激励。经资料调研目前可供选择的激励方式有两种:

a)高频交变电流激励;

b)尖脉冲电流激励。

前者若使用高频交变电流作为激励,由于传感器电路存在绕行电阻,其功耗较大,同时绕行电阻还会对传感器的稳定性产生影响。基于上述两原因,此处选择尖脉冲电流的激励方式,如图3所示。

图3 窄脉冲发生电路

该电路中,U1A 、U2A、R1、R2以及 C1构成一个简单非对称式多谐振荡器。该振荡器的输出为一方波,其振荡周期 T≈2.3R1 C1。R d及C d构成微分电路,对多谐振荡器输出的方波微分后产生尖脉冲。脉冲宽度与时间常数τ=R d C d有关,τ越小,窄脉冲越尖,反之越宽。脉冲电路的输出信号仿真图,如图4所示。

图4 微分电路输出波形

2.3 敏感元件结构设计

图5 非晶丝高频脉冲激励电路线圈结构图

2.4 探测器的信号调理电路

图6为本文磁近感引信的信号处理电路原理框图。

图6 调理电路框图

差分电路的输出信号经四阶低通滤波电路预滤波,截止频率设计为1 kH z,使得高于截止频率的高频信号快速衰减;对于磁引信系统,由于弹目相互作用,可能会产生波形接近于交变磁场信号的双极性信号,要通过检波电路将其转变为单极性信号;此时的输出信号经过外磁场调制,利用检波电路对其进行振幅解调,此处采用肖特基二极管构成的检波电路,电路简单且能满足系统要求;检波后的输出信号经过滤波及放大之后,得到反映阻抗变化的电压信号。

3 非晶丝微磁探测器目标信号识别技术研究

随着磁探测与电子信息技术的迅猛发展,各类干扰及欺骗式诱饵等电磁对抗器材的出现,对磁引信的性能提出了更高的要求。尽可能识别目标的真伪,排除各种干扰,并有选择地跟踪真实目标,已同信号检测和目标参数估计一样,成为磁探测装置必备的功能。该探测器的目标信号识别部分的是基于已测得的目标特性和反装甲导弹的弹道环境分别建立坦克目标信号识别准则和抗干扰准则。

目标信号识别电路逻辑框图,如图7所示。

图7 信号处理电路逻辑框图

为提高目标识别的准确性、定距精度及实时性,信号识别电路选用DSP为中心单元。通过对探测器输出信号的频率特性、幅度特性、增幅速率及信号持续时间的识别达到抗干扰、准确识别目标的能力。

由于DSP具有实时性好的优点,坦克、舰船目标速度相对较慢,而非晶丝探测器的响应速度在100 kH z以上,弹目交会时间通常在10 ms左右,经计算,完全可保证信号处理电路对数据处理有足够的余度。

目标信号识别电路结构框图如图8所示。

图8 目标信号识别电路结构框图

信号处理系统的核心部分是DSP芯片,由于其具有高度的并行性,所以采用DSP作为核心控制器件能够较好地满足探测及识别的实时性要求。复杂可编程逻辑器件(CPLD)具有设计灵活、硬件密度高等优点,广泛应用于辅助控制逻辑,本系统中的片选信号及其他逻辑控制信号,以及D/A、A/D与DSP之间的缓冲功能、部分电平转换功能均在CPLD上完成。考虑到以后系统升级的需要,特配置了外部程序存储器SRAM和外部数据存储器Flash芯片。

由于目标部位识别是提高弹药武器系统毁伤效果的重要途径之一,而要进行部位识别,必须利用具有部位特征的信息,对于坦克目标来说,坦克各部分磁场便是可利用的信息之一。

因此,后期工作准备采用人工神经网络,将坦克磁场信息按不同部位进行分段序贯融合,并进行关键部位识别,通过仿真与实际检测实验,以达到较好的识别结果。

4 结束语

本文基于非晶丝的巨磁阻抗效应,研究在弹目交会过程中,根据非晶丝材料阻抗的变化,反映外界磁场信号,利用非晶丝在磁传感方面的独特优势,达到对磁信号准确识别的目的。

结合引信的技术需求,探讨了非晶丝磁引信探测电路的设计,并提出了其信号处理电路的设计方案。基于非晶丝GM I效应的探测器是能同时满足高灵敏度、尺寸微型化、响应速度快、功耗低和磁滞小等要求的磁传感器,而导弹的三维地磁匹配制导系统、磁近炸引信、可攻顶反坦克导弹复合引信等现代武器装备系统,都需要灵敏度高、响应速度快、温度特性好、功耗低、可微型化等优点的微磁传感探测技术。

因此,开展非晶丝材料的应用基础性技术研究,不仅可提高上述武器系统的抗有源干扰能力及作用可靠性,而且对导航、制导及引信领域摆脱对GPS、伽利略等系统的依赖均具有重要战略意义。

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