CN101545958B - 双向磁饱和时间差磁通门传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双向磁饱和时间差磁通门传感器，由传感器磁芯的两端绕有激励线圈，中段绕有感应线圈，感应线圈的输出极均与放大电路连接，放大电路经带通滤波电路、迟滞整形电路与计数显示电路连接构成。通过在时域内检测并计算磁通门传感器输出的正负脉冲时间差值判定被测磁场的大小。本发明与现有磁通门传感器相比，检测电路简单，不需反馈结构保证系统测量的稳定，不需要复杂的后续电路，所需激励电流较小，数据处理较简单，所测量相关量少，有效减小传感器整体体积和功耗，较快得到测量结果。回避了现有磁通门传感器的滤波-相敏解调-平滑滤波电路，不仅弥补了现有磁通门传感器在工艺上要求苛刻的不足，实现了磁通门传感器数字化磁测量。

Description

双向磁饱和时间差磁通门传感器

技术领域：

本发明涉及一种磁通门传感器，尤其是用双向磁饱和时间差方式对弱磁进行测量的传感器。

背景技术：

应用磁通门对微弱磁场进行测量是现有众多弱磁测量方法中重要的一种方法。该方法的基本原理是利用法拉第电磁感应现象和磁饱和现象将磁信号转成电信号进行测量。现有磁通门产品均通过检测输出信号的偶次谐波幅度来计算被测磁场的大小，其灵敏度受磁通门探头噪声制约，一般需采用差分等能够抑制噪声或带有补偿结构的探头结构。现有众多专利也是基于此方面的设计，如CN200420110012.1和CN200810047217.2公开的《磁通门传感器探头》和CN200610026869.7公开的《正交磁通门磁场传感器》，现有磁通门产品所应用的谐波选择法决定为实现精确测量，必须设法消除磁通门探头的奇次谐波噪声。同时由于偶次谐波磁通门传感器基于谐波幅度对磁信号进行测量，因此其对应的检测电路较为复杂，包括谐振、选频放大、积分滤波和相敏解调器等环节。现有磁通门必需反馈电路以保证测量的稳定度和线性度，然而却降低了自身的分辨力。采用此原理的磁通门传感器后续数据处理方面也较为复杂，在要求高灵敏度及高精度的情况下，不利于实时检测。

发明内容：

本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种在时域内检测并计算磁通门探头输出的正负脉冲时间差值的双向磁饱和时间差磁通门传感器。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

传感器磁芯1的两端绕有与电压电流转换电路4连接的激励线圈2，中段绕有感应线圈3，感应线圈3的输出极均与放大电路5连接，放大电路5经带通滤波电路6、整形电路7与计数显示电路8连接，周期电压信号经过电压电流转换器4转换成激励电流，输入传感器磁芯1上的激励线圈2，产生磁芯激励磁场，激励磁场对传感器磁芯1进行周期性激励，使传感器磁芯1周期性达到过饱和状态，当双向磁饱和时间差磁通门传感器轴向存在微弱磁场时，实际激励磁芯的磁场为激励磁场与待测磁场之和，其含有的直流分量处于非对称状态，正向磁饱和状态和负向磁饱和状态存在时间差，感应线圈3输出的感应电压和磁感应强度为微分关系，得到的感应电压呈正负脉冲状，将感应线圈3检测的微弱感应电压，经放大电路5放大后输入带通滤波电路6，输出经整形电路7整形成占空比不同的矩形波信号，送入计数显示电路8采样计数，通过计算方波信号高电平与低电平持续时间的差值算出待测磁场的大小。

当双向磁饱和时间差磁通门传感器工作在外界净磁场为零的理想环境时，对激励线圈2输入频率为f_e的周期激励电流I_e，使传感器磁芯1周期性达到过饱和状态，根据软磁材料自身特性，传感器磁芯1输出的磁感应强度信号是受磁导率调制的关于时间的函数，因双向磁饱和时间差磁通门轴向方向只存在激励磁场，故激励信号被调制成的磁感应强度信号B₀(t)处于正磁饱和状态与负磁饱和状态的时间相等，故感应线圈3感应输出的脉冲信号e₀(t)， $e_0\left(t\right)=\frac{{\mathrm{dN}}_2{B}_0\left(t\right)S}{\mathrm{dt}},$ 为一对称信号。即正脉冲与负脉冲之间的时间间隔和负脉冲与下一个正脉冲之间的时间间隔相等，时间差为零。

当双向磁饱和时间差磁通门传感器所处环境沿双向磁饱和时间差磁通门轴向方向存在一个微弱磁场信号H_x时，同样对激励线圈2输入频率为f_e的周期激励电流I_e，使传感器磁芯1周期性达到过饱和状态，此时磁导率调制的磁感强度信号B₁(t)，由于在双向磁饱和时间差磁通门传感器的轴向方向存在外界弱磁信号，故调制的磁感强度信号B₁(t)在处于正磁饱和状态与负磁饱和状态的时间并不相同。因此，感应线圈3感应输出的脉冲信号e₁(t)为非对称信号。即正脉冲与负脉冲之间的时间间隔和负脉冲与下一个正脉冲之间的时间间隔不相等，存在时间差。通过时间差与弱磁场的对应关系即可计算出存在于双向磁饱和时间差磁通门轴向弱磁信号的大小，达到测量弱磁场的目的。

本发明的目的还可以通过以下技术方案实现：

传感器磁芯1外对称压装有由PCB基料、ABS塑料和PVC材料制作的骨架，激励线圈2和感应线圈3绕在其上；传感器磁芯1采用开磁路棒状、片状结构或闭磁路曰字结构；传感器磁芯1的材料为纳米微晶铁基合金、铁基非晶合金、坡莫合金或钴基合金；激励线圈2和感应线圈3的绕组方式采用对称绕组或交互绕组。

有益效果：双向磁饱和时间差磁通门传感器通过在时域内检测并计算磁通门传感器输出的正负脉冲时间差值，即用双向磁饱和时间差来判定被测磁场的大小。本发明制作的磁通门传感器与现有的磁通门传感器相比，检测电路较为简单，不需反馈结构来保证系统测量的稳定，有效减小传感器整体体积和功耗；数据处理较简单，所测量相关量较少，较快得到测量结果。本发明设计的磁通门传感器由于不需要复杂的后续电路，所需的激励电流较小，有效地降低磁通门传感器的功耗。利用双向磁饱和时间差原理制作的磁通门传感器回避了传统磁通门传感器的滤波-相敏解调-平滑滤波电路，不仅弥补了现有磁通门传感器在工艺上要求苛刻的不足，而且为磁通门传感器数字化磁测量的实现提供了可能。

附图说明：

图1是双向磁饱和时间差磁通门传感器结构图。

图2是双向磁饱和时间差磁通门传感器线圈对称绕组结构图。

图3是双向磁饱和时间差磁通门传感器线圈交互绕组结构图。

图4是双向磁饱和时间差磁通门传感器轴向无外界磁场工作图。

图5是双向磁饱和时间差磁通门传感器轴向存在外界弱磁磁场工作图。

1传感器磁芯，2激励线圈，3感应线圈，4电压电流转换电路，5放大电路，6带通滤波电路，7整形电路，8计数显示电路。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例作进一步的详细说明：

传感器磁芯1的两端绕有与电压电流转换电路4连接的激励线圈2，中段绕有感应线圈3，感应线圈3的输出极均与放大电路5连接，放大电路5经带通滤波电路6、整形电路7与计数显示电路8连接，周期电压信号经过电压电流转换器4转换成激励电流，输入传感器磁芯1上的激励线圈2，产生磁芯激励磁场，激励磁场对传感器磁芯1进行周期性激励，使传感器磁芯1周期性达到过饱和状态，当双向磁饱和时间差磁通门传感器轴向存在微弱磁场时，实际激励磁芯的磁场为激励磁场与待测磁场之和，其含有的直流分量处于非对称状态，正向磁饱和状态和负向磁饱和状态存在时间差，感应线圈3输出的感应电压和磁感应强度为微分关系，得到的感应电压呈正负脉冲状，将感应线圈3检测的微弱感应电压，经放大电路5放大后输入带通滤波电路6，输出经整形电路7整形成占空比不同的矩形波信号，送入计数显示电路8采样计数，通过计算方波信号高电平与低电平持续时间的差值算出待测磁场的大小。

传感器磁芯1外对称压装有由PCB基料、ABS塑料和PVC材料制作的骨架，激励线圈2和感应线圈3绕在其上。传感器磁芯1采用开磁路棒状、片状结构或闭磁路曰字结构。传感器磁芯1的材料采用纳米微晶铁基合金、铁基非晶合金、坡莫合金或钴基合金。激励线圈2和感应线圈3的绕组方式采用对称绕组或交互绕组。

实施例1

传感器磁芯1采用纳米微晶铁基合金做成开磁路棒状，传感器磁芯1外对称压装有由PCB基料制作的骨架，在其上交互绕有与电压电流转换电路4连接的激励线圈2和输出极与放大电路5相连接的感应线圈3，感应线圈3的输出极均与放大电路5连接，放大电路5经带通滤波电路6、整形电路7与计数显示电路8连接，周期电压信号经过电压电流转换器4转换成激励电流，输入传感器磁芯1上的激励线圈2，产生磁芯激励磁场，激励磁场对传感器磁芯1进行周期性激励，使传感器磁芯1周期性达到过饱和状态，当双向磁饱和时间差磁通门传感器轴向存在微弱磁场时，实际激励磁芯的磁场为激励磁场与待测磁场之和，其含有的直流分量处于非对称状态，正向磁饱和状态和负向磁饱和状态存在时间差，感应线圈3输出的感应电压和磁感应强度为微分关系，得到的感应电压呈正负脉冲状，将感应线圈3检测的微弱感应电压，经放大电路5放大后输入带通滤波电路6，输出经整形电路7整形成占空比不同的矩形波信号，送入计数显示电路8采样计数，通过计算方波信号高电平与低电平持续时间的差值算出待测磁场的大小。

周期电压信号经过电压电流转换器(V-I)4转换成激励电流I_e输入磁芯1上面的激励线圈2，产生磁芯激励磁场H_e(t)，H_e(t)∝I_e(t)。激励磁场H_e(t)对高磁导率、高矩形比、低饱和磁感应强度及低矫顽力的传感器磁芯1进行周期性激励，使传感器磁芯1周期性达到过饱和状态，当双向磁饱和时间差磁通门传感器轴向存在微弱磁场时，实际激励磁芯的磁场H₁(t)为激励磁场与待测磁场之和，其含有直流分量，处于非对称状态，即激励磁芯的周期性磁场处于非对称状态，因此调制成的磁芯磁感应强度B₁(t)处于正向磁饱和状态和负向磁饱和状态的时间并不相同，存在时间差。输出的感应电压和磁感应强度为微分关系，因而感应线圈3感应的输出电压信号e₁(t)正脉冲与负脉冲之间的时间间隔T⁺和负脉冲与下一个正脉冲之间的时间间隔T^-不相等。T⁺＝t₂-t₁，T^-＝t₃-t₂，其中：

$\left\{\begin{array}{c}{t}_1:H_x+H_e\left(t_1\right)=H_c\\ t_2:H_x+H_e\left(t_2\right)=-H_c\\ t_3:t_1+\mathrm{\τ}\end{array}\right.\⇒\left\{\begin{array}{c}{t}_1=H_e^{-1}(H_c-H_x)\\ t_2=H_e^{-1}(-H_c-H_x)\\ t_3=t_1+\mathrm{\τ}\end{array}\right.$

将感应线圈3感应到的微弱感应电压e₁(t)，经放大器5放大成可供后续电路处理的电压。随后将该电压信号输入带通滤波电路6，滤除不相关的噪声信号。经整形电路7整形成占空比不同的矩形波信号，其可供计数器8采样计数，通过计算方波信号高电平与低电平持续时间的差值，即可按照计算公式推算双向磁饱和时间差磁通门传感器轴向磁场的大小。其分辨力靠提高计数频率来提高，同时整形的比较器精度的提高也有助于提高双向磁饱和时间差磁通门的精度。

实际激励双向磁饱和时间差磁通门传感器磁芯交替饱和的激励磁场一般选用三角波或者正弦波信号。现根据前述公式对双向磁饱和时间差与弱磁场对应关系进行具体计算。

当激励磁场为三角波的时候

$H_e\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&alpha;t}& \mathrm{N\&tau;}-\frac{\mathrm{\&tau;}}{4}<t<\mathrm{N\&tau;}+\frac{\mathrm{\&tau;}}{4}\\ -\mathrm{\&alpha;}(t-\frac{\mathrm{\&tau;}}{2})& \mathrm{N\&tau;}+\frac{\mathrm{\&tau;}}{4}<t<\mathrm{N\&tau;}+\frac{3\mathrm{\&tau;}}{4}\end{array}\right.,$ 故可知

$\left\{\begin{array}{c}{t}_1:H_x+\mathrm{\&alpha;}{t}_1=H_c\\ t_2:H_x-\mathrm{\&alpha;}(t_2-\frac{\mathrm{\&tau;}}{2})=-H_c\\ t_3:t_1+\mathrm{\&tau;}\end{array}\right.\&DoubleRightArrow;\left\{\begin{array}{c}{t}_1=(H_c-H_x)/\mathrm{\&alpha;}\\ t_2=(H_c+H_x)/\mathrm{\&alpha;}+\frac{\mathrm{\&tau;}}{2}\\ t_3=t_1+\mathrm{\&tau;}\end{array}\right.$

$\&DoubleRightArrow;\left\{\begin{array}{c}{T}^{+}=t_2-t_1=\frac{{2H}_x}{\mathrm{\&alpha;}}+\frac{\mathrm{\&tau;}}{2}\\ T^{-}=t_3-t_2=\frac{\mathrm{\&tau;}}{2}-\frac{{2H}_x}{\mathrm{\&alpha;}}\end{array}\right.\&DoubleRightArrow;\mathrm{BMSTD}=\mathrm{\&Delta;T}=\frac{{4H}_x}{\mathrm{\&alpha;}}=\frac{{4H}_x}{4{\hat{H}}_e{f}_e}=\frac{H_x}{{\hat{H}}_e{f}_e}$

故此时，

当激励磁场为正弦波的时候

$H_e\left(t\right)={\hat{H}}_e\sin \left(\mathrm{\&omega;t}\right),$ 故可知

$\left\{\begin{array}{c}{t}_1:H_x+{\hat{H}}_e\sin \left({\mathrm{\&omega;t}}_1\right)=H_c\\ t_2:H_x-{\hat{H}}_e\sin \left[\mathrm{\&omega;}(t_2-\frac{\mathrm{\&tau;}}{2})\right]={-H}_c\\ t_3:t_1+\mathrm{\&tau;}\end{array}\right.\&DoubleRightArrow;\left\{\begin{array}{c}{t}_1=\arcsin \left(\frac{H_c-H_x}{{\hat{H}}_e}\right)/\mathrm{\&omega;}\\ t_2=\arcsin \left(\frac{H_c+H_x}{{\hat{H}}_e}\right)/\mathrm{\&omega;}+\frac{\mathrm{\&tau;}}{2}\\ t_3=\arcsin \left(\frac{H_c-H_x}{{\hat{H}}_e}\right)/\mathrm{\&omega;}+\mathrm{\&tau;}\end{array}\right.$

$\&DoubleRightArrow;\left\{\begin{array}{c}{T}^{+}=t_2-t_1=\frac{1}{\mathrm{\&omega;}}[\arcsin \left(\frac{H_c+H_x}{{\hat{H}}_e}\right)-\arcsin \left(\frac{H_c-H_x}{{\hat{H}}_e}\right)]+\frac{\mathrm{\&tau;}}{2}\\ T^{-}=t_3-t_2=\frac{1}{\mathrm{\&omega;}}[\arcsin \left(\frac{H_c-H_x}{{\hat{H}}_e}\right)-\arcsin \left(\frac{H_c+H_x}{{\hat{H}}_e}\right)]+\frac{\mathrm{\&tau;}}{2}\end{array}\right.$

$\&DoubleRightArrow;\mathrm{BMSTD}=\mathrm{\&Delta;T}=\frac{2}{\mathrm{\&omega;}}[\arcsin \left(\frac{H_c+H_x}{{\hat{H}}_e}\right)-\arcsin \left(\frac{H_c-H_x}{{\hat{H}}_e}\right)]$ 故此时， $H_x^2=\frac{\frac{{\hat{H}}_e}{2}{\sin }^2\frac{\mathrm{\&omega;\&Delta;T}}{2}-(1+\cos \frac{\mathrm{\&omega;\&Delta;T}}{2})H_c^2}{1-\cos \frac{\mathrm{\&omega;\&Delta;T}}{2}}.$

通过公式进行简单计算，即可得到双向磁饱和时间差磁通门传感器沿轴向方向的外界弱磁场的大小。

实施例2

传感器磁芯1采用铁基非晶合金做成片状结构，传感器磁芯1外对称压装有由ABS塑料制作的骨架，在其两端绕有与电压电流转换电路4连接的激励线圈2，中段绕有感应线圈3，感应线圈3的输出极均与放大电路5连接，放大电路5经带通滤波电路6、整形电路7与计数显示电路8连接，周期电压信号经过电压电流转换器4转换成激励电流，输入传感器磁芯1上的激励线圈2，产生磁芯激励磁场，激励磁场对传感器磁芯1进行周期性激励，使传感器磁芯1周期性达到过饱和状态，当双向磁饱和时间差磁通门传感器轴向存在微弱磁场时，实际激励磁芯的磁场为激励磁场与待测磁场之和，其含有的直流分量处于非对称状态，正向磁饱和状态和负向磁饱和状态存在时间差，感应线圈3输出的感应电压和磁感应强度为微分关系，得到的感应电压呈正负脉冲状，将感应线圈3检测的微弱感应电压，经放大电路5放大后输入带通滤波电路6，输出经整形电路7整形成占空比不同的矩形波信号，送入计数显示电路8采样计数，通过计算方波信号高电平与低电平持续时间的差值算出待测磁场的大小。

计算方法和公式同实施例1，不再赘述。

实施例3

传感器磁芯1采用坡莫合金做成闭磁路曰字结构，传感器磁芯1外对称压装有由PVC材料制作的骨架，在其中梁的两端绕有与电压电流转换电路4连接的激励线圈2，中段绕有感应线圈3，感应线圈3的输出极均与放大电路5连接，放大电路5经带通滤波电路6、整形电路7与计数显示电路8连接，周期电压信号经过电压电流转换器4转换成激励电流，输入传感器磁芯1上的激励线圈2，产生磁芯激励磁场，激励磁场对传感器磁芯1进行周期性激励，使传感器磁芯1周期性达到过饱和状态，当双向磁饱和时间差磁通门传感器轴向存在微弱磁场时，实际激励磁芯的磁场为激励磁场与待测磁场之和，其含有的直流分量处于非对称状态，正向磁饱和状态和负向磁饱和状态存在时间差，感应线圈3输出的感应电压和磁感应强度为微分关系，得到的感应电压呈正负脉冲状，将感应线圈3检测的微弱感应电压，经放大电路5放大后输入带通滤波电路6，输出经整形电路7整形成占空比不同的矩形波信号，送入计数显示电路8采样计数，通过计算方波信号高电平与低电平持续时间的差值算出待测磁场的大小。

计算方法和公式同实施例1，不再赘述。

Claims (4)

1.一种双向磁饱和时间差磁通门传感器，包括传感器磁芯(1)的两端绕有与电压电流转换电路(4)连接的激励线圈(2)，中段绕有感应线圈(3)，感应线圈(3)的输出极均与放大电路(5)连接，放大电路(5)经带通滤波电路(6)、迟滞整形电路(7)与计数显示电路(8)连接，其特征在于，周期电压信号经过电压电流转换电路(4)转换成激励电流输入传感器磁芯(1)上的激励线圈(2)，产生磁芯激励磁场，激励磁场对传感器磁芯(1)进行周期性激励，使传感器磁芯(1)周期性达到过饱和状态，当双向磁饱和时间差磁通门传感器轴向存在待测微弱磁场时，实际激励磁芯的磁场为激励磁场与待测微弱磁场之和，其含有的直流分量处于非对称状态，正向磁饱和状态和负向磁饱和状态存在时间差，感应线圈(3)输出的感应电压和磁感应强度为微分关系，得到的感应电压呈正负脉冲状，将感应线圈(3)检测的微弱感应电压，经放大电路(5)放大后输入带通滤波电路(6)，输出经迟滞整形电路(7)整形成占空比不同的矩形波信号，送入计数显示电路(8)采样计数，通过计算矩形波信号高电平与低电平持续时间的差值算出待测磁场的大小。

2.按照权利要求1所述的双向磁饱和时间差磁通门传感器，其特征在于，传感器磁芯(1)外对称压装有由PCB基料、ABS塑料或PVC材料制作的骨架，激励线圈(2)和感应线圈(3)绕在其上。

3.按照权利要求1所述的双向磁饱和时间差磁通门传感器，其特征在于，传感器磁芯(1)采用开磁路棒状、片状结构或闭磁路曰字结构。

4.按照权利要求1所述的双向磁饱和时间差磁通门传感器，其特征在于，传感器磁芯(1)的材料为纳米微晶铁基合金、铁基非晶合金、坡莫合金或钴基合金。

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