基于巨磁阻抗效應的新型磁引信探測器研究

吳彩鵬, 鄧甲昊

(北京理工大學機電工程與控制國家級重點實驗室,北京100081)

0 引言

就引信系統而言,無論何種體制均借助探測器獲取目標信息,從而實現對目標的探測、識別與定位。這些探測器因所基于的探測物理場不同而形成了不同的探測體制,主要有無線電、激光、紅外等,其中磁探測體制由于不怕電子干擾且對鐵磁目標具有天然探測優勢而應用廣泛。至目前為止,該體制均依靠傳統磁性元件獲取目標信息,其探測靈敏度相對不高,且體積較大。磁近炸引信、可攻頂反坦克導彈復合引信等現代武器系統,都需要具有靈敏度高、響應速度快、溫度特性好、功耗低、可微小型化等優點的磁探測技術。要提高磁引信的目標探測能力就必須尋求一種具有良好軟磁特性的新興材料作為磁引信探測器的敏感材料,使引信探測器的分辨率達到nT量級,從而保證對微磁、弱磁信號的檢測[1]。

上世紀 90年代初,日本名古屋大學的 K.Mohri和L.V.Panina在Co-Fe-Si-B軟磁非晶絲中發現了巨磁阻抗(Giant M agneoto-Impedance,GM I)效應[2],為nT范圍的微磁傳感器的研發開辟了新的途徑。所謂巨磁阻抗效應是指當軟磁材料(多為Co基非晶和Fe基納米晶)的絲或條帶通以高頻交變電流時,材料的阻抗隨著絲或條帶縱向所加的外磁場變化而靈敏變化的現象。非晶絲是一種新型磁性材料,其顯著特點在于:在沒有高頻交變電流或脈沖激勵的前提下,它不會顯示出任何磁特性,因此該材料用于引信系統可抵御彈道上的多種有源和無源干擾。利用非晶絲的巨磁阻抗(GiantM agneto-Im pedance,GM I)效應則可顯著提高該類武器系統的探測靈敏度和定距、定位精度。非晶絲的體積甚小(普通非晶絲直徑約為150μm,一般二維集成的M I傳感元件其尺寸為1.5 mm×0.5 mm),十分有利于該引信系統的微小型化。

目前,國外已經研制出了GMI傳感器初樣,探測精度達1μOe,反應速度1MHz,且功耗僅10 mW;此種傳感器的靈敏度至少比巨磁電阻(GMR)傳感器的靈敏度高1-2個量級以上,以鈷基非晶絲為例,當受到高頻電流激勵時,在(1～5)Oe的軸向外磁場范圍內,材料的阻抗變化率可高達120%。

本文以探測坦克、裝甲車等鐵磁目標為應用背景,通過對GM I效應的理論和應用研究,著重開展磁近感引信磁探測器的研究與設計,以克服目前大多數磁引信響應速度慢、靈敏度不高以及磁滯特性顯著的缺陷。

1 GM I特性的理論研究

磁近感引信的性能與磁傳感器的性能密切相關。磁近感引信要求其磁傳感器應具備探測精度高、頻響快、體積小等特性,對比傳統的磁傳感器,基于GM I效應的微磁傳感器能夠較好的滿足磁近感引信的綜合要求,而非晶絲磁性材料具有理想的軟磁性能,能夠用作這種新型傳感器的敏感元件。表1為各種磁傳感器的性能對比[3]。

由表1可知,利用GM I效應制成的傳感器是唯一能同時滿足高靈敏度、尺寸微型化、響應速度快、功耗低等要求的磁傳感器。本節著重研究Co基非晶絲的GM I特性。

1992年日本名古屋大學的K.M ohri教授等人在直徑120μm和50μm Co基非晶絲中通以高頻電流,發現了絲的阻抗隨外加磁場發生顯著變化的現象,即巨磁阻抗(GM I)效應。

表1 磁傳感器性能對比表

巨磁阻抗效應反映的是材料的弱場交流磁化隨外磁場的變化,它是一種與外磁場相關性較強的交流電子傳輸現象。一般利用外磁場作用下的阻抗變化率來代表巨磁阻抗效應,通常有兩種定義形式:

式中:Z(Hex)為外加磁場強度為 Hex時非晶絲的阻抗;Z(0)為外加磁場為零時非晶絲的阻抗;Z(H sat)為外加某一飽和磁場 H sat時非晶絲的阻抗。這兩種定義雖然形式不同,但本質相同,在科學研究中常采用第一種定義,有利于樣品物理機理研究。當一高頻電流I=Iacexp(-jωt)通過非晶絲,絲兩端的復阻抗可以表示為

圖1表示了上述阻抗的定義。

圖1 非晶絲材料復阻抗定義

在高頻電流激勵下,材料的阻抗可以由Maxwell電磁理論推得,圓柱結構導體的阻抗可表示為

式中:J0、J1為零階和一階Bessel函數;R dc為材料的直流電阻;a為非晶絲的半徑。

式中:j為虛數單位;δm為磁性導體的趨膚深度,定義如下[4]:

式中:c為光速;σ為電導率;f為通過樣品的電流頻率;μφ為圓周磁導率。根據式(4)和式(6),GM I效應可以理解為:由于軟磁材料的磁導率要比非磁性導體高的多,這使得在較低的頻率下就能出現趨膚效應,外界磁場 H ex的變化導致了磁導率的變化,進而影響到趨膚深度,最終導致非晶絲阻抗的變化[5～8]。

（5）鉆井液體系在實際使用過程中出現一些不穩定性，因此，還有很大優化空間。為了提高去磺化鉆井液體系的抗鹽及抗溫性能，筆者認為日后可以進行腐殖酸鹽、硅氟類降濾失劑、聚合物類抗高溫降濾失劑等非磺化處理劑替代SMP、SPNH的研究與配方優化的工作，同時開展去磺化鉆井液體系多元化研究，以滿足不同地層、不同井型的鉆井要求。

2 非晶絲磁探測器設計

2.1 探測電路框圖

非晶絲磁探測的技術途徑是利用高頻交變信號對非晶絲激勵使之產生巨磁阻抗(GMI)效應。GM I效應表現為:Co基非晶絲中通入高頻電流后,材料兩端電阻抗強烈地依賴于施加于絲軸方向上的外磁場。當外磁場改變導致其阻抗發生變化時,絲兩端的電壓也會發生變化,即端電壓的變化反映了外加磁場的變化。根據該原理,可以設計出如下探測電路框圖,如圖2所示。

圖2 非晶絲磁探測器電路框圖

2.2 激勵信號源

GM I效應產生的基礎就是要有一個高頻信號對材料進行激勵。經資料調研目前可供選擇的激勵方式有兩種:

a)高頻交變電流激勵;

b)尖脈沖電流激勵。

前者若使用高頻交變電流作為激勵,由于傳感器電路存在繞行電阻,其功耗較大,同時繞行電阻還會對傳感器的穩定性產生影響。基于上述兩原因,此處選擇尖脈沖電流的激勵方式,如圖3所示。

圖3 窄脈沖發生電路

該電路中,U1A 、U2A、R1、R2以及 C1構成一個簡單非對稱式多諧振蕩器。該振蕩器的輸出為一方波,其振蕩周期 T≈2.3R1 C1。R d及C d構成微分電路,對多諧振蕩器輸出的方波微分后產生尖脈沖。脈沖寬度與時間常數τ=R d C d有關,τ越小,窄脈沖越尖,反之越寬。脈沖電路的輸出信號仿真圖,如圖4所示。

圖4 微分電路輸出波形

2.3 敏感元件結構設計

圖5 非晶絲高頻脈沖激勵電路線圈結構圖

2.4 探測器的信號調理電路

圖6為本文磁近感引信的信號處理電路原理框圖。

圖6 調理電路框圖

差分電路的輸出信號經四階低通濾波電路預濾波,截止頻率設計為1 kH z,使得高于截止頻率的高頻信號快速衰減;對于磁引信系統,由于彈目相互作用,可能會產生波形接近于交變磁場信號的雙極性信號,要通過檢波電路將其轉變為單極性信號;此時的輸出信號經過外磁場調制,利用檢波電路對其進行振幅解調,此處采用肖特基二極管構成的檢波電路,電路簡單且能滿足系統要求;檢波后的輸出信號經過濾波及放大之后,得到反映阻抗變化的電壓信號。

3 非晶絲微磁探測器目標信號識別技術研究

隨著磁探測與電子信息技術的迅猛發展,各類干擾及欺騙式誘餌等電磁對抗器材的出現,對磁引信的性能提出了更高的要求。盡可能識別目標的真偽,排除各種干擾,并有選擇地跟蹤真實目標,已同信號檢測和目標參數估計一樣,成為磁探測裝置必備的功能。該探測器的目標信號識別部分的是基于已測得的目標特性和反裝甲導彈的彈道環境分別建立坦克目標信號識別準則和抗干擾準則。

目標信號識別電路邏輯框圖,如圖7所示。

圖7 信號處理電路邏輯框圖

為提高目標識別的準確性、定距精度及實時性,信號識別電路選用DSP為中心單元。通過對探測器輸出信號的頻率特性、幅度特性、增幅速率及信號持續時間的識別達到抗干擾、準確識別目標的能力。

由于DSP具有實時性好的優點,坦克、艦船目標速度相對較慢,而非晶絲探測器的響應速度在100 kH z以上,彈目交會時間通常在10 ms左右,經計算,完全可保證信號處理電路對數據處理有足夠的余度。

目標信號識別電路結構框圖如圖8所示。

圖8 目標信號識別電路結構框圖

信號處理系統的核心部分是DSP芯片,由于其具有高度的并行性,所以采用DSP作為核心控制器件能夠較好地滿足探測及識別的實時性要求。復雜可編程邏輯器件(CPLD)具有設計靈活、硬件密度高等優點,廣泛應用于輔助控制邏輯,本系統中的片選信號及其他邏輯控制信號,以及D/A、A/D與DSP之間的緩沖功能、部分電平轉換功能均在CPLD上完成。考慮到以后系統升級的需要,特配置了外部程序存儲器SRAM和外部數據存儲器Flash芯片。

由于目標部位識別是提高彈藥武器系統毀傷效果的重要途徑之一,而要進行部位識別,必須利用具有部位特征的信息,對于坦克目標來說,坦克各部分磁場便是可利用的信息之一。

因此,后期工作準備采用人工神經網絡,將坦克磁場信息按不同部位進行分段序貫融合,并進行關鍵部位識別,通過仿真與實際檢測實驗,以達到較好的識別結果。

4 結束語

本文基于非晶絲的巨磁阻抗效應,研究在彈目交會過程中,根據非晶絲材料阻抗的變化,反映外界磁場信號,利用非晶絲在磁傳感方面的獨特優勢,達到對磁信號準確識別的目的。

結合引信的技術需求,探討了非晶絲磁引信探測電路的設計,并提出了其信號處理電路的設計方案。基于非晶絲GM I效應的探測器是能同時滿足高靈敏度、尺寸微型化、響應速度快、功耗低和磁滯小等要求的磁傳感器,而導彈的三維地磁匹配制導系統、磁近炸引信、可攻頂反坦克導彈復合引信等現代武器裝備系統,都需要靈敏度高、響應速度快、溫度特性好、功耗低、可微型化等優點的微磁傳感探測技術。

因此,開展非晶絲材料的應用基礎性技術研究,不僅可提高上述武器系統的抗有源干擾能力及作用可靠性,而且對導航、制導及引信領域擺脫對GPS、伽利略等系統的依賴均具有重要戰略意義。

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