茫茫人海怎么用车载指南针,茫茫大海中的指南针( 三 )


照例,光泵磁强计也有缺点,它一般不能测量矢量的磁场(特殊设计的型号也可以测),然而磁场的方向和强度同样重要;此外,设计稍显复杂,可靠性要打个折扣 。
三、磁通门磁强计
那么,有没有一种,设计简单可靠,还能测矢量的磁场的磁强计呢?有的,那就是磁通门磁强计 。可以说目前,在航天探测器上应用最广泛的,就是磁通门磁强计 。

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卡西尼号上那根长长的杆,顶端安装的就是磁通门磁强计
磁通门磁强计的原理,说来简单 。请想象一个门,这个门不大,一次只能让一个200斤的胖子挤过去,再重哪怕一点点都不行 。
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现在,有一个客人(外界的待测磁场),挺瘦的,我不知道他的体重 。而我自己,是一个140斤的,柔软易形变的胖子 。我和这个客人,同时通过这道门,刚好能过去——也就是说,我俩的体重,总和刚好是200斤 。那么,简单计算一下,客人的体重,就是60斤 。
更进一步,如果我的体重,可大可小,而且我自己总是知道我有多重,那么,我就总是能通过跟不同的客人一起通过这道门,来算出客人有多重——如果我100斤,那客人就也100斤 。
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一类软磁材料的磁滞回线,可见,达到饱和后,外界磁场继续增强,材料内的磁场并不会跟着增强 。
这就是磁通门的原理——有一类材料,称为“软磁材料”,它内部通过的磁通量有一个上限,我们称之为饱和磁通量 。比如一种磁通门的饱和磁通量是1Wb(韦伯,即1T*m2),在外界待测磁场中并没有饱和;现在我给这个磁通门人为施加了0.6Wb的磁通量,饱和了!那么明显,磁通门中本来就有的,待测的外界磁场的磁通量就是1-0.6=0.4Wb,如果这个磁通门的截面积是1m2,那么外界磁场的磁感应强度就是0.4T 。
磁通量是单一方向的,即垂直于截面方向,所以磁通门磁强计实际上只对单一方向的磁场敏感,可以测出单一方向的磁感应强度 。在三维空间中,磁场是线性可加的,所以,只需要安置三组相互正交的磁通门磁强计,就可以测量三维空间中任意磁场的强度和方向了,也即,实现了矢量磁场的测量 。
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英国巴廷顿公司的三轴磁通门探头,只有3立方厘米左右 。
原理是这个原理,不过在实际使用中,由于我们并不预先知道外界的磁场强度和方向,因此需要不断尝试不同的值,试图让磁通门饱和 。我们会给磁通门施加交变的磁场,来让磁通门在正反两个方向,反复出现饱和 。
有的时候,外界待测磁场本身就大于饱和磁场,300斤的胖子无论如何都会被200斤上限的门卡住 。这时候就需要额外给磁通门施加补偿磁场,来压低总的磁场强度,相当于先给300斤的胖子减肥100斤(或者更多),让他适应我们的量程,测完体重再把这100斤吃回去,得出他的体重是300斤 。
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手工制作的单轴磁通门,结构非常简单
磁通门磁强计最核心的部件,是软磁材料制作的磁芯,和缠绕在磁芯上的多组线圈 。不同的设计需要不同多组线圈,在这里不深入讲解,如果感兴趣,欢迎报考我们所的空间物理专业(因为打广告被领导拖走)!
此外,还需要一套维持磁通门工作的电路,负责产生柔软的胖子,报告门框的饱和,以及给超出量程的老哥减肥,顺便维持门框的稳定(例如温度等参数) 。

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