CN102798828A - 频率域感应式磁场传感器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种频率域感应式磁场传感器，由磁芯、感应线圈与线圈骨架、电场屏蔽、前放与频率补偿、输出驱动组成。其中：磁芯由高导磁材料铁基坡镆合金淬火产生，用于增强流过感应线圈的磁场密度；感应线圈与骨架用于在交变磁场作用下产生感应电动势；电场屏蔽用于减少电场对传感器输出的干扰；前放与频率补偿用于对传感器线圈输出信号的放大和频率补偿，使得传感器的输出灵敏度在1Hz-10000Hz范围内基本保持不变；输出驱动用于将传感器输出信号由单端信号变换成差动信号，以便提高输出信号的抗干扰能力和长距离传输能力。

Description

频率域感应式磁场传感器

技术领域

本发明涉及一种频率域感应式磁场传感器，特别适合于在野外环境下开展地球物理电磁法探测使用，用于测量1-10000Hz范围内的交变磁场信号。

背景技术

目前，常用的磁场传感器有磁通门磁传感器、核旋磁传感器、超导磁传感器等，各种类型的磁场传感器。但它们均不适合在野外环境下开展地球物理电磁法探测使用。

发明内容

鉴于上述，本发明的目的是提供一种基于电磁原理的频率域感应式磁场传感器，该传感器通过电路调整，可在1-10000Hz范围内输出灵敏度基本一致的磁场感应信号，满足在野外环境下频率域磁场测量的需要。

为此，本发明采用以下技术方案：

一种频率域感应式磁场传感器，其特征在于包括：

磁芯，用于增强流过感应线圈的磁场密度；

固定在磁芯上的线圈骨架与感应线圈，用于在交变磁场作用下产生感应电动势；

套状电场屏蔽层，用于减少外界电场对传感器输出的干扰，所述磁芯、线圈骨架与感应线圈纳于该电场屏蔽层内；

外壳，套在所述电场屏蔽层外，起到密封保护传感器和减少与外界进行热交换的作用；

前放与频率补偿电路，用于对传感器线圈输出信号的放大和频率补偿；

输出驱动电路，用于将传感器输出信号由单端信号变换成差动信号；

感应线圈的输出连接前放与频率补偿电路的输入，前放与频率补偿电路的输出连接输出驱动电路的输入；

所述前放与频率补偿电路、输出驱动电路安装在外壳内。

进一步地：

所述前放与频率补偿电路由两级放大器电路组成；

所述输出驱动电路为放大器电路，该输出驱动电路的输入连接前放与频率补偿电路的输出。

所述电场屏蔽层由薄铜板卷制而成，该薄铜板上沿卷曲方向裁出多条条带呈带梳状。

本发明的以电磁感应定律为基础的感应式磁场传感器，具有体积下小、灵敏度高、工作稳定等特点，特别适合于对交变磁场的测量。

附图说明

图1为本发明结构图；

图2为感应线圈输出幅频特性曲线图；

图3为频率域感应式磁场传感器幅频特性曲线图；

图4为频率域感应式磁场传感器放大电路原理图；

图5为磁场传感器电场梳状屏蔽示意图。

具体实施方式

本发明涉及一种频率域感应式磁场传感器，包括：磁芯、线圈骨架、感应线圈、套状电场屏蔽层，外壳、前放与频率补偿电路、输出驱动电路。其中：

线圈骨架与感应线圈固定在磁芯上，磁芯、线圈骨架与感应线圈纳于电场屏蔽层内，外壳套在电场屏蔽层外，感应线圈的输出连接前放与频率补偿电路的输入，前放与频率补偿电路的输出连接输出驱动电路的输入，前放与频率补偿电路、输出驱动电路安装在外壳内。

所述前放与频率补偿电路由两级放大器电路组成；

所述输出驱动电路为放大器电路，该输出驱动电路的输入连接前放与频率补偿电路的输出。

所述电场屏蔽层由薄铜板卷制而成，该薄铜板上沿卷曲方向裁出多条条带呈带梳状。

下面结合附图详细说明。

如图1所示，本发明包括：磁芯2、线圈骨架3、感应线圈4、套状电场屏蔽层5，外壳6、前放与频率补偿电路及输出驱动电路1。其中：

由高导磁材料铁基坡镆合金淬火产生的磁芯2用于增强流过感应线圈的磁场密度。固定在磁芯2上的线圈骨架3与感应线圈4，用于在交变磁场作用下产生感应电动势。套状电场屏蔽5用于减少外界电场对传感器输出的干扰，磁芯2、线圈骨架3与感应线圈4纳于该电场屏蔽5内。外壳6套在电场屏蔽5外，起到密封保护传感器和减少与外界进行热交换的作用。前放与频率补偿电路，用于对传感器线圈输出信号的放大和频率补偿，使得传感器的输出灵敏度在1Hz-10000Hz范围内基本保持不变。输出驱动电路用于将传感器输出信号由单端信号变换成差动信号，以便提高输出信号的抗干扰能力和长距离传输能力。感应线圈4的输出连接前放与频率补偿电路的输入，前放与频率补偿电路的输出连接输出驱动电路的输入，前放与频率补偿电路及输出驱动电路1安装在外壳6内。

固定在高导磁率坡镆合金磁芯上的感应线圈，在外界变化磁场的作用下，产生感应电动势，由于线圈分布电容的存在使得感应线圈输出的幅频曲线如图2所示。

从图2中看出，感应电动势只在谐振点f₀附近有较高的灵敏度，在其它频率灵敏度较低，不利于频率域磁场的测量。为了使传感器满足频率域磁场测量要求，需要对传感器的输出进行频率补偿，使之输出如图3所示的幅频特性曲线。

为此，在本发明中设计信号放大、频率补偿、输出驱动电路如图4所示。

在图4中，L₀为感应线圈(L₀也是图1中的感应线圈4)，C₁为感应线圈的分布电容与谐振电容的总和，通过调整C₁，使得感应线圈的谐振频率f₀在2KHz附近；U₁、R₁、L₁、R₂、C₂组成第一级频率补偿放大器，该放大器在f₀附近的增益为400倍，直流增益为30000倍，在高频段增益为20倍；U₂、R₃、C₃、R₄、R₅、C₄组成第二级频率补偿放大器，该放大器的增益转折点在1Hz，直流增益为0，高频增益为4倍；U₃、R₆、R₇组成第三级输出驱动放大器，用于产生反相输出信号，R₈、R₉为信号输出匹配电阻。

传感器的输出经图4电路调整后，就可以得到与图3的曲线近似的输出幅频特性曲线。

如图4中虚线所示，频率域感应式磁场传感器的电场屏蔽也是传感器研制的重要组成部分。采用普通的电场屏蔽方式，虽然可以屏蔽掉大部分电场干扰，但同时带来屏蔽系统涡流损耗加大，降低传感器的信噪比。为此在本发明中设计了如图5所示的梳状电场屏蔽层，它不仅很好地解决了涡流损耗加大问题，同时还能起到电场屏蔽作用。

在图5所示的梳状电场屏蔽层(黑色部分)中，屏蔽层采用0.5mm厚的铜板制成，电场屏蔽层被裁成许多条带，呈带梳状，条带宽度10mm，间隙0.5mm，电场屏蔽层卷成卷曲面的两端不相连的不完整筒状。这样整个电场屏蔽层既可以完全包裹住传感器起到电场屏蔽作用，又不会形成闭合回路引起涡流损耗。

对于线圈骨架的设计说明如下：线圈骨架被设计成了多槽“工”字型结构，绕线槽宽5mm，各槽间隔5mm，绕线方式采用分槽乱绕方式，从而有利于减小线圈的分布电容，提高感应线圈的谐振频率。同时骨架材料选择可塑性较好且温度形变很小的绝缘材料制成，保证在外界温度变化时线圈与磁芯的相对位置变化很小，保证传感器稳定。

传感器外壳采用热传导能力较差、对磁场无影响的材料制成，尽量减小外界温度对内部结构的影响。内部紧固件均采用无磁性的材料制成。

上述的实施例并不对本发明所要求的保护范围构成任何形式的限制，本发明的权利要求书覆盖了所有的修改和变更，因此，针对上述实施例做出种种修改和变化均属于本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种频率域感应式磁场传感器，其特征在于包括：

磁芯，用于增强流过感应线圈的磁场密度；

固定在磁芯上的线圈骨架与感应线圈，用于在交变磁场作用下产生感应电动势；

套状电场屏蔽层，用于减少外界电场对传感器输出的干扰，所述磁芯、线圈骨架与感应线圈纳于该电场屏蔽层内；

外壳，套在所述电场屏蔽层外，起到密封保护传感器和减少与外界进行热交换的作用；

前放与频率补偿电路，用于对传感器线圈输出信号的放大和频率补偿；

输出驱动电路，用于将传感器输出信号由单端信号变换成差动信号；

感应线圈的输出连接前放与频率补偿电路的输入，前放与频率补偿电路的输出连接输出驱动电路的输入；

所述前放与频率补偿输出驱动电路电路、安装在外壳内。

2.如权利要求1所述的频率域感应式磁场传感器，其特征在于：

所述前放与频率补偿电路由两级放大器电路组成；

所述输出驱动电路为放大器电路，该输出驱动电路的输入连接前放与频率补偿电路的输出。

3.如权利要求1或2所述的频率域感应式磁场传感器，其特征在于：

所述电场屏蔽层由薄铜板卷制而成，该薄铜板上沿卷曲方向裁出多条条带呈带梳状。

Images