磁通门磁强计性能测试的环境和方法

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1、磁通门磁强计性能测试的环境和方法周斌陈斯文（中国科学院空间科学与应用研究中心北京100190）摘要：本文对磁通门磁强计的性能指标进行归纳总结，并提出针对这些性能指标的测试方法和所需的测试环境。根据磁通门磁强计的原理，磁通门磁强计的主要性能指标一般包括灵敏度、线性度、噪声、正交度、稳定度和信号带宽等。这些性能指标的测试需要适当的测试环境，包括标准磁场、稳定磁场和交流磁场。本文介绍了如何建立这些测试环境，以及在这些环境中进行测试的基本步骤。最后以可用于深空行星探测的磁强计为例，以文中提出的测试环境和

2、方法对这台仪器的部分性能指标进行了测试。通过对实验结果的分析，验证仪器符合设计要求。关键词：磁通门；磁强计；性能测试；1.引言：目前磁场探测仪器主要包括磁通门、质子旋进、光泵、霍尔效应、磁阻等原理的磁强计。其中磁通门磁强计具有分辨率高、采样率高、体积小、成本低等特点，尤其具有可以探测磁场方向的特性，因此在空间探测、导航定向等方面应用非常广泛。磁通门磁强计的基本原理[1]是电磁感应，其传感器对磁场的方向非常敏感，在实际应用中通常用三个传感器分别采集三个正交方向的磁场强度数据，通过数据处理计算处磁场

3、的方向、总强度以及其他任意方向的强度等。对于研制高精度磁强计来说，磁强计性能的测试是十分重要的，随着磁强计精度的提高，性能测试的要求也更加严格。本文将主要介绍磁通门磁强计主要性能指标及其测试环境和实验方法。2.磁通门磁强计的主要性能指标评价一个磁通门磁强计的优劣，要考察以下几个主要性能：灵敏度、线性度、噪声、正[2~4]交度、稳定度、信号带宽。磁强计的这些性能直接影响磁场探测的准确性和科学性，下面将逐一对每种性能指标进行阐述。理论上，磁通门磁强计的测量值与磁场强度成正比关系，在其他性能测试之前首

4、先要测试其灵敏度和线性度，才能确定测量值和实际磁场强度之间的关系。在一个测试系统中线性度是指系统输入输出曲线与理想直线的偏离程度，灵敏度是指稳态下输出量的增量与输入量的增量之比。实验过程中可以施加一系列特定磁场进行测量，将实际测量结果拟合成直线作为理想关系直线与测量值进行比较。特定磁场Bi，i=1,2,…,n，B1

5、0%…………………..........（1）''X−Xn1根据理想关系直线，可以得到磁强计的灵敏度、分辨率、零点等参数。灵敏度为斜率K，分辨率为1/K，磁场为0时的磁强计测量值，即零场为b。335磁通门磁强计由于探头线圈绕制工艺和电路设计等问题，在探测磁场时会有固有噪声。目前通用的评价磁通门磁强计噪声的指标一般有两个：RMS值，单位是nT；1Hz点处噪声，单位是nT/Hz。RMS值反映的是采样带宽内的总噪声，在实际工程应用中更有意义，但是不同磁强计之间由于采样带宽各不相同，所以无法用RMS值进行

6、横向对比。而1Hz点处噪声可以用于不同磁强计之间进行比较，因为它反映了信号1Hz处的频谱密度，如果采样信号是一个平稳信号，那么它的1Hz点处噪声与采样带宽和采样时间都无关。它们具体的计算方法是这样的，在零场环境下，进行较长时间测量，得到n个测量数据，Xi，i=1,2,…,n，，它们的均值为M，那么可以按照式（2）计算RMS值。利用经典谱估计算法中的Welch法对信号采样数据进行谱估计分析，将频谱分析的结果进行归一化，可以计算1Hz点处的噪声。n()2X−M∑iRMS=i=1…………………....

7、...........（2）n磁通门磁强计拥有能够探测磁场方向的能力，根据相互正交的三个方向传感器的测量值进行计算得出磁场的方向，所以传感器的正交度对三分量磁通门磁强计来说非常重要。在一些对精度要求不高的应用领域里，假定传感器轴向与固定支架的机械轴能够保持一致，那么就可以直接用机械轴的三轴正交度作为近似。如果对精度要求高，那么就必须测量安装固定之后三分量传感器测量轴向的正交度。用任意两轴交角的最大值作为正交度的表示。稳定度反映了磁强计对某一确定磁场的测量。在一段时间的稳定程度，一般以在稳定磁场下

8、连续工作24小时的测量结果的峰峰值作为稳定度指标。磁通门磁强计一般工作在低频，主要用于测量磁场的直流量和低频交流量，因此它的频率响应特性也是需要考察的。根据采样定理，磁强计的测量信号带宽为采样带宽的二分之一，磁强计的模拟和数字的信号处理过程中都会有低通滤波的环节。计算频率响应带宽时可以以信号衰减到-3db的频率作为信号响应频率范围的边界。在不同的应用领域里，一般会侧重于其中的一个或者几个性能指标。在磁强计产品验收之前，研制方应对这些性能进行准确的测试，并提交严格的测试报告。下面将讨论测试环境和具