一种新型非晶丝磁引信炸雷的作用原理

摘 要：以磁引信炸雷探测并攻击坦克等铁磁目标为应用背景，对一种新型非晶丝磁引信炸雷的作用原理进行了阐述。研究了非晶丝磁引信的巨磁阻抗效应及其对整个炸雷的引爆机制，探讨了该类磁引信炸雷的设计方案，为非晶丝磁引信材料磁效应的理论计算提供了一种计算方法，为新型磁引信炸雷的设计提供了一种新的模式，并为该类炸雷下一步实验上的研制提供了一点理论支持。

关键词：磁引信；炸雷；非晶丝；作用原理

中图分类号：O482.54 文献标识码：A

引言

引信的性能优劣直接关系到炸雷的战技指标和对目标的摧毁能力 [1]，它的重要性已经引起了越来越多军事强国的关注。传统拉环式发火引信功能单一，性能偏低，而且训练结果显示其安全指数也较低，存在失手爆炸的隐患，因此，目前世界各国竞相应用现代先进科学技术研制各类新型磁引信炸雷[2]，以提高炸雷的战术性能。作为近炸引信之一的磁引信，由于具有探测灵敏度高，不受云、雾、尘埃和战场烟雾等影响的天然优势，业已成为国内外引信领域的重点研究对象[2]。笔者工作组将根据战场实际需要研发一种能对弱磁信号进行检测[3-7]的磁引信炸雷，本文对该炸雷新引信的作用原理进行理论分析，为以后从实验上模拟及研制该型磁引信炸雷提供一些理论方法。

1 新型非晶丝磁引信炸雷的作用机理

1.1 非晶丝磁引信的巨磁阻抗效应（GMI特性）

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[8]。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 Magneoto-Impedance,GMI）效应[8]，为nT范围的微磁传感器的研发开辟了新的途径。非晶丝是一种新型软磁材料（多为Co 基非晶和Fe基纳米晶的丝或条带），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。这也是笔者工作组将选用这种材料设计新型磁引信炸雷的原因之一。所谓非晶丝的巨磁阻抗效应是指当软磁非晶丝中通以高频交变电流时，材料的阻抗会随着该丝的纵向所加的外磁场变化而灵敏变化的现象。因此，利用非晶丝的巨磁阻抗效应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150 ，一般二维集成的MI传感元件其尺寸为 ，这么小的尺寸对于该引信系统的微小型化十分有利。

1.2 磁引信炸雷核心元件发生作用的基本原理

炸雷对目标攻击的精确程度取决于其核心元件--磁引信的探测机制是否合理和准确。利用巨磁阻抗效应制成的非晶丝磁引信可以同时满足高灵敏度、尺寸微型化、响应快速等基本要求。该类磁引信的巨磁阻抗效应表现为：引信（丝或条带状）的阻抗随外加磁场发生显著的变化，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，通常定义为：

式中 为外加磁场强度为 Hex时非晶丝的阻抗； 为外加磁场强度为0时非晶丝的阻抗。该定义有利于样品物理机理的研究。如图1所示，设非晶丝电路中与丝串接的滑线变阻器的电阻为 R， j为虚数单位，用Iac表示高频交变电流的幅值，用 表示该交变电流相位变化的频率，假设通电时间为t，该电路中的感抗用L表示，用Uac表示非晶丝磁引信两端的端电压，那么，任意t时刻通过非晶丝的高频电流强度可以表示为 ，丝两端的复阻抗可以表示为：

根据上述阻抗的定义，在高频电流激励下，材料的阻抗可以由Maxwell电磁理论推得，假设Rdc为该材料的直流电阻； a为非晶丝的半径，圆柱结构导体的阻抗可表示为:

式中J0和J1为零阶和一阶Bessel函数，其中k为与趋肤深度 有关的物理量：

假设材料的电导率用 表示，通过样品的电流频率用f表示，材料的圆周磁导率用 表示，引入光速c，圆周率常数 ，虚数单位j， 式中磁性导体的趋肤深度 有如下定义[9]：

，根据 、 式，GMI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，这使得磁引信在较低的频率 下就能出现趋肤效应，外界磁场Hex的变化导致了其磁导率的变化，进而影响到趋肤深度，最终导致非晶丝磁引信阻抗的变化。

1.3非晶丝磁引信炸雷的引爆机制

信息化战争要求武器系统之间及时地将有用信息进行交联，以便快速、实时、准确地打击目标。非晶丝磁引信的主要作用机理是通过对外界弱磁场变化的感应，改变自身的阻抗，从而使得与其两端相接的电雷管电路（炸雷引爆电路）中有电流流过，使它起爆。具体的炸雷结构设计见图2，系统电路应包含至少两个部分：一部分为磁引信高频电流激励电路，在图2中用 所指示的框图表示，该电路包含一个低功率的交流电源，滑线变阻器R和核心部件一小段非晶丝；总电路的另一部分为与非晶丝两端并联的电雷管引爆电路，在图2中用 所指示的框图表示，整个电雷管电路安放在炸药中，用来引爆炸药。该系统电路的引爆原理可解释为：当炸雷周围没有坦克或装甲车等大型金属装备时，外加磁场为0，根据式子 的计算可以得到磁引信的巨磁阻抗效应为0，此时根据Maxwell的电磁理论，对 式进行计算，可以得到该时段非晶丝的复阻抗为0，因此与电雷管并联的非晶丝两端的端电压也为0，在这种情形下，也就没有电流流过电雷管，因此，整个装置是安全的。

一旦有坦克（装甲车）等大型金属车辆进入该磁引信炸雷的攻击区域，坦克的磁场会使得非晶丝的阻抗瞬间受到影响，根据式子 ，此时在外加磁场影响下，非晶丝的 的值将与没有外加磁场时它的阻抗 值显著不同（非晶丝的阻抗对于外界弱磁场的影响也十分敏感）。因此计算式子 可以得到此时磁引信的巨磁阻抗效应不为0，非晶丝材料的复阻抗为不再为0，因此根据图2中的 框图显示，非晶丝两端的端电压也不再为0，根据框图 ，此时与非晶丝并联的电雷管电路中必然有电流流过，使得电雷管起爆。由于整个电路系统中的核心元件——非晶丝引信与电雷管是并联的，因此该装置反映迅速，可以瞬间发生爆炸，毁伤进入攻击范围的坦克或其他铁磁类战车。至于具体的案例分析，比如对某种型号的坦克，在该磁引信炸雷攻击领域内的某个位置，非晶丝引信的复阻抗值的具体大小，可以根据式子 进行进一步计算。

2关于新型非晶丝磁引信炸雷设计方案的几点讨论

2.1非晶丝磁引信的探测电路设计方案

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效应。该效应表现为：软磁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，可以设计出如图3所示的探测电路框图。

2.2非晶丝磁引信炸雷的传感器处理电路设计方案

为了提高该磁引信炸雷的战技指标，考虑到抗干扰非晶丝磁引信在外界磁场感应下，输出的两端感应电压幅值很小，因此须设计放大电路进行放大、整形，才能得到一定幅值的电压信号，使得该磁引信炸雷在实际战场中更加灵敏，可供参考的传感器处理电路基本流程为：非晶丝磁引信 放大整形电路 计时电路 驱动电路······ 关于各个电路模块的具体设计方案，将在以后继续讨论。

3结束语

本文基于新型非晶丝磁引信的巨磁阻抗效应，研究在弹目交会过程中该类新型磁引信炸雷的作用原理，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。笔者所在的工作组前期已经对坦克内部及外部磁场信息[3-7]进行了一些系统的数值计算和实验测量。作为与之紧密相关的反问题，对于本文所述反坦克武器,该非晶丝磁引信炸雷的具体实验设计还有待进一步的研究。

参考文献

[1]Z. M. Wu, Z. J. Zhao, L. P.Liu, et al. A New Frequency-Modulation-Type MI Sensor[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2005, 16(1) : 21-26.

[2]崔平，齐杏林.从外军引信装备研制情况看引信技术发展趋势[J].制导与引信，2005，（4）：66-68.