磁通门磁力计是用于导航和测量磁梯度的最古老的非低温磁力计之一。通过精确测量磁场，这些设备可用于引导从船舶到航天器的所有物体，以及测量磁场以进行磁测绘和检测特定的磁特征。在这次综合探索中，我们深入研究了磁通门磁力计的工作机制。
磁通门磁力计的核心是一个由高磁导率材料（如坡莫合金或高导磁合金）制成的环形磁芯。该磁芯被两个线圈包围：产生磁场的初级线圈和检测磁场变化的次级线圈。
磁通门磁力计的操作取决于这些组件与其设计用于测量的外部磁场之间的相互作用：
• 磁芯材料和线圈布置：磁芯材料通常是非晶态金属，对于设备的灵敏度和准确性至关重要。初级线圈在磁芯中感应出一个磁场，该磁场在相反方向上交替饱和。这种交替饱和会调制任何外部磁场，然后由次级线圈检测到。
• 信号处理：这种调制在次级线圈中产生信号，通过锁定检测和滤波技术进行放大和处理。其结果是对外部磁场进行高度灵敏和准确的测量。
磁通门可以达到皮特斯拉的灵敏度和分辨率，但需要非常特殊的铁磁坡莫合金芯材料，例如含有 6% 钼、81.3% 镍和其余铁的 6-81 坡莫合金。性能还取决于磁芯材料的精确缠绕。磁通门磁力计需要定制的坡莫合金磁芯材料，且结构复杂，因此成为一种昂贵的传感器，有些传感器仅传感元件本身的成本就高达 10,000 美元。
如果构造正确，它们的低噪声水平和精确的频率响应使其成为各种应用的理想选择。磁通门传感器需要构建为三轴磁力计来测量三维空间中的磁场，这需要正确构建的技能。
两轴磁通门可以用单环磁芯构造，因此，对于大多数磁通门电子罗盘来说，两轴配置通常更为普遍。然而，为了使用两轴磁通门确定磁北航向，磁通门传感器需要采用机械万向节来补偿倾斜，就像机械基板罗盘指针在宝石枢轴上进行平衡和加权一样。在静态和磁性清洁环境中，这是可接受的配置。然而，机械万向节 2 轴磁通门无法在运动时提供准确的航向，并且无法准确校准主机系统的硬铁和软铁磁异常。
虽然本博客的主要重点是导航，但磁通门磁力计还有广泛的其他应用：
• 地磁场测量：对于研究地球磁场以进行环境和科学研究至关重要。
• 地球物理勘探：用于探测矿藏和地质特征。
• 空间研究：对于研究行星磁场和磁层至关重要。
• 考古学：有助于定位磁异常，指示埋藏的含铁物体。
• 安全和监控：应用于周边安全和入侵检测系统。
• 无损检测：用于材料检查和管道完整性检查。
自 20 世纪 60 年代以来，磁通门磁力计就已用于导航。它们精确测量磁场的能力彻底改变了传统的导航方法，并为先进技术应用铺平了道路，例如引导船只穿越海洋和在浩瀚的太空中帮助航天器。
• 基于罗盘的导航：机械万向节 2 轴磁通门磁力计是市场上最流行的磁通门电子罗盘。 2 轴磁通门磁力计可以由围绕环形磁芯的绕组构成，其模拟输出电压代表 x 轴和 y 轴磁场读数。 由于 2 轴万向磁通门磁力计无法完全补偿系统磁异常，因此罗盘精度不仅取决于磁芯材料的质量、传感器的结构和信号处理，而且可能更主要取决于系统引起的磁畸变及其动态运动曲线。
• 飞机和航天器导航：在航空和航天工业中，高精度磁通门磁力计是导航系统不可或缺的一部分。飞机使用这些设备提供准确的航向参考，这对于安全高效的飞行至关重要。航天器利用它们进行姿态控制并研究其他行星的磁场，帮助了解太空环境。
• 勘探和绘图：在地球物理勘探中，磁通门磁力计有助于绘制地下或水下地质特征。它们在 GPS 可达性有限的地区特别有用，可以进行准确的地磁测量。
• 考古调查：磁通门磁力计使考古学家能够对历史遗址进行非侵入性调查。它们可以检测埋藏文物或结构引起的磁异常，有助于考古研究和保存。
虽然磁通门磁力计历来是精确磁场测量的可靠选择，但在考虑将其用于现代应用时，了解其局限性非常重要。
• 尺寸和重量：磁通门磁力计通常采用缠绕线圈和铁磁芯，与基于 MEMS 的磁阻传感器和基于磁感应线圈的传感器等新技术相比，其设计体积更大、更重。对于空间和重量受限的应用（例如便携式设备、无人机或可穿戴技术）来说，这可能是一个重大缺点。
• 功耗：磁通门磁力计通常比同类产品需要更高的功耗。这主要是由于驱动初级线圈中的励磁电流以及随后的信号处理所需的能量。在电池供电的设备或能源敏感型应用中，这可能会限制其可用性或需要额外的电源管理策略。
• 复杂性和成本：磁通门磁力计的制造涉及专门的材料和复杂的线圈缠绕工艺。这种复杂性意味着更高的生产成本，与 MEMS、霍尔效应、磁阻和磁感应技术等更简单的传感器技术相比，它们成为预算不太友好的选择。额外的费用可能成为大批量消费者的障碍成本限制严格的电子产品或应用。
• 带宽有限：磁通门磁力计擅长测量低频或静态磁场，但在处理快速变化的磁场时，其性能可能会受到限制。它们的带宽或可以精确测量的频率范围可能不足以满足需要高速动态测量的应用。
• 对噪声的敏感性：尽管磁通门磁力计由于其工作原理而具有固有的降噪功能，但它们仍然容易受到外部噪声源的影响。这种噪声可能源自附近电子设备、电源线甚至设备本身的磁特征（称为硬铁和软铁效应）的电磁干扰 (EMI)。减轻这些噪声源通常需要额外的校准和补偿技术，从而增加了实现的复杂性。
对于尺寸、重量、功耗或成本是重要因素的应用，其他类型的磁力计，例如 MEMS、霍尔效应传感器、磁阻传感器或磁感应传感器，可能更合适。这些技术在性能和实用性之间取得了良好的平衡，尽管它们的灵敏度和精度可能不如磁通门磁力计那么高。
• 3DM-GX5-GNSS/AHRS 高性能 GNSS 导航传感器
• 3DM-CV7-AHRS 战术级 OEM IMU/AHRS
• 3DM-CX5-AHRS 高性能姿态参考传感器
• 3DM-CV7-INS 战术级嵌入式惯性导航系统
