CN102944853A - 一种利用噪声驱动的磁通门传感器精密测量磁场的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用噪声驱动的磁通门传感器测量磁场的方法，包括：（1）在磁通门的激励线圈中加入噪声，获取有噪声驱动和待测磁场的磁通门感生电动势输出；（2）通过感生电动势输出信号测得时间T内磁芯材料处于上饱和状态的累计时间和下饱和状态的累计时间；（3）将两累计时间减，得到累计驻留时间差；（4）标定累计驻留时间差与待测磁场的关系，即可实现待测磁场的精密测量。本发明运用噪声作为输入源在磁通门传感器中的非线性效应实现对磁场的高灵敏度传感检测，解决了磁通门传感器在测量磁场过程中因噪声的存在难以提高测量精度的问题，降低了系统的功耗，提高了磁通门传感器的灵敏度，具有较大的测量范围。

Description

一种利用噪声驱动的磁通门传感器精密测量磁场的方法

技术领域

本发明涉及一种磁场测量方法，特别是一种利用磁通门传感器测量磁场的方法。

背景技术

磁场探测在国防建设、科学研究、工业生产以及日常生活等领域都有广泛应用。在众多的磁测技术中，应用磁通门对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芯材料的饱和现象，在足以使磁芯材料达到饱和的大驱动电信号作用下产生感生电动势输出，当待测磁场存在时，感生电动势输出的某些特征会发生变化，通过对感生电动势的有关特征变化的监测实现待测磁场的传感与测量。磁通门磁场测量方法的价值在于两点，一是要有足够高的灵敏度，能对微小磁场做高分辨率检测；二是检测方案要足够简单、和低的功耗，能够微型化以至于可以在卫星、导弹等关键设备上运行。影响磁通门传感器精度的关键因素在于噪声，它们主要来自环境背景噪声、传感器探头本身的噪声以及后续检测电路产生的噪声。当待测磁场的变化较小时，这种微小变化就会被噪声淹没而检测不到。如何处理好噪声问题，同时又能在技术上简单方便的实现，是实现磁通门磁场测量的应用所面临的待解决的关键问题。

目前，磁通门磁场测量方法主要有两种：

一种是采用周期性信号（如正弦波或者方波）作为激励信号，利用相关分析的手段对存在于输出信号当中的偶次谐波幅度进行检测，从而从噪声中提取待检测信号来计算被测磁场的大小（中国专利文献200720117622.8）。这种方法实际上是在利用激励信号的周期性和相关计算提高输出信号的幅度，但并不能削弱噪声。为实现精确测量，这种方法还必须设法消除磁通门自身探头中含有的奇次谐波噪声，但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，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都会产生噪声，这就使得现有采用调制方法在进一步提高磁通门传感器精度上无法见效。

另一种方法则是采用周期驱动，不用复杂的信号处理，而用简单的时差测量获得磁场测量。这种方法也采用周期性驱动信号激励，使磁通门工作在上下饱和区。在没有磁场时，磁通门在上下两个饱和区的驻留时间相等，在有待测磁场时，磁通门在上下两个饱和区的驻留时间存在差值，这个差值随待测磁场强度变化，对这个时间差的测量，可以实现磁场强度测量。这种测量方法省却了前一种方法中的滤波-相敏解调-平滑滤波处理的复杂电路设计，结构简单，但却缺少前一种方法增强信号对付噪声的效果，不能有效地解决环境的背景噪声、驱动信号噪声和传感器探头本身的噪声对其精度的负面影响，无法实现高精度精密磁场测量。

目前出现了一种运用噪声非线性效应的低频信号精密传感测量方法（中国专利文献201110007361.5），其利用噪声而不是消除噪声来实现高灵敏传感测量。这种方法可以在有些特定场合使用，但在磁通门磁场测量中却因如下两个问题而不能使用。一是此方法是对有噪声驱动的传感器输出信号进行时间长度积分作为测量输出，计算仍然繁重，运算量较大，降低了数据结果的可靠性。另一个是磁通门传感器实际的输出信号是感应线圈输出的电压信号，并非上述方法所需用作积分的传感器输出信号--磁感应强度，该方法所需的传感输出积分运算并不可行。

发明内容

本发明的目的是提出一种利用噪声驱动的磁通门传感器精密测量磁场的方法，运用噪声作为输入源在磁通门传感器中的非线性效应实现对磁场的高灵敏度传感检测，从而解决了磁通门传感器在测量磁场过程中因噪声的存在难以提高测量精度的问题。

一种利用噪声驱动的磁通门传感器精密测量磁场的方法，包括如下步骤：

（1）在磁通门的激励线圈中加入噪声η(t)，获取有噪声驱动和待测磁场H_x的磁通门感生电动势输出v(t)。

（2）通过感生电动势输出v(t)测得一段时间T内磁芯材料处于上饱和状态B＝B₊＝a的累计时间

处于下饱和状态B＝B_-＝-a的累计时间

（3）将处于上饱和状态的累计时间

与处于下饱和状态的累计时间

相减，得累计驻留时间差

（4）优化并标定累计驻留时间差ΔT与待测磁场的关系，实现待测磁场的精密测量。

（4.1）优化

以待测磁场H_x作为输入，以累计驻留时间差作为输出，计算磁通门传感器的信息输出I(H_x,ΔT)：

$I(H_x;\mathrm{\ΔT})=I(H_x,T,\mathrm{\σ})=\∫\∫p\left(\mathrm{\ΔT}\right|H_x)p_{H_x}\left(H_x\right)\log \frac{p(H_x,\mathrm{\ΔT})}{p_{\mathrm{\ΔT}}\left(\mathrm{\ΔT}\right)p_{H_x}\left(H_x\right)}{\mathrm{dH}}_x\mathrm{d\ΔT}$

从上面公式可以看出，该信息输出I(H_x,ΔT)是待测磁场强度动态范围、磁通门磁芯参数、累计时间T和驱动噪声强度σ的函数。在待测磁场强度动态范围、磁通门磁芯参数固定后，传感信息输出并不是随噪声增加而变坏，而是在一定范围内随噪声强度增加而改善。找到使信息输出有最大值的噪声强度，以此作为优化的激励噪声强度。

（4.2）标定

在最佳噪声驱动下，标定驻留时间差

与待测磁场强度的对应关系。

本发明同样利用噪声来驱动，但以磁通门在上、下饱和区的累积驻留时间差作为待测磁场输出，而不是以磁通门磁感应强度积分为输出。这个时间差可以通过磁通门输出线圈的电压信号--感生电动势信号测得，且测量方法简单，容易实现。同时，这种方法仍然可以通过对噪声加以利用和优化，实现精密磁场传感测量。本发明的方法不需要复杂信号处理电路与计算，只需要做时差测量就可非常简单实现磁场测量。同时该方法还可以利用噪声，而不是消除噪声，通过调整累积时间T和噪声强度σ，实现磁场的精密测量，解决了磁通门传感器在测量磁场过程中因噪声的存在难以提高测量精度所面临的困难，实现过程与结构极其简单，并且拥有较大的测量动态范围，计算简单、运算量小，功耗低等适于航天、军事用途的特征。

附图说明

图1为磁通门传感器线圈绕组结构图。

图2为磁芯为矩磁材料的磁通门磁场测量传感（H-B）关系图。

图3为噪声驱动磁通门传感器得到的磁感应强度及电压输出图。

图4为采用本发明方法后以噪声作为驱动源，磁通门传感输出信息量与所加噪声强度σ以及累积时间（图中用N表示，T＝N·Δt，N为整数，Δt为数值计算中离散时间间隔）的关系图。

图5为本发明运用噪声非线性效应实现精密磁通门传感器测量磁场的实际操作结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。以下实施例仅是示例性的，并不构成是对本发明的限定。

本发明运用噪声作为输入源在磁通门传感器中的非线性效应实现对磁场的高灵敏度传感测量，其具体步骤包括如下：

（1）在磁通门（图1）的激励线圈中加入噪声η(t)，获取有噪声驱动和待测磁场Hx的磁通门感生电动势输出v(t)。

将待测磁场信号H_x及噪声η(t)构成的输入磁场强度H(t)=H_x+η(t)加入磁通门传感器的激励端。输入磁场强度H(t)经过磁滞回线输出的磁感应强度B(t)（图2），当磁场强度H(t)大于磁通门传感器的矫顽力H_c时，输出上饱和磁感应强度固定值B₊＝a，小于磁通门传感器矫顽力-H_c时，输出下饱和磁感应强度固定值B_-＝-a，a表示的是正数，处于两个矫顽力之间的饱和磁感应强度输出值取决于上一个状态的输出值。因此得到的磁感应强度B(t)由一系列的a与-a构成的方波形式的磁感应强度信号。

根据电磁感应效应，在磁通门传感器感应端测得感生电压信号

其中，N为感应线圈的匝数，S为磁芯的横截面面积。在输入噪声的驱动下，传感器输出将随机进入饱和区。此时，传感输出看似被噪声所控制并表现出随机性，实际上是被噪声和信号两个因素所控制。经过磁滞回线输出的磁感应强度B(t)经过求导运算后，在传感器的感应端得到的一系列脉冲形式的电压值v(t)即感生电动势输出（图3）。

（2）通过感生电动势输出信号v(t)测得一段时间T内磁芯材料处于上饱和状态B＝B₊＝a的累计时间

（图3），处于下饱和状态B＝B_-＝-a的累计时间

（图3）。

如图3，一段时间T内磁芯材料处于上饱和状态B＝B₊＝a的累计时间

处于下饱和状态B＝B_-＝-a的累计时间

其中a表示正数。对应图3可知，只有在磁感应强度由a突变到-a或者-a突变到a的过程中，传感器的感应端才会有电压值的输出，因此，上脉冲形式的输出电压与下脉冲形式的输出电压之间的累计时间间隔为

下脉冲形式的输出电压与上脉冲形式的输出电压之间的累计时间间隔为

（3）将处于上饱和状态的累计时间

与处于下饱和状态的累计时间

相减，得累计驻留时间差

（4）标定累计驻留时间差ΔT与待测磁场的关系，实现待测磁场的精密测量。

累计时间T内的信息传递公式如下：

$I(H_x;\mathrm{\ΔT})=I(H_x,T,\mathrm{\σ})=\∫\∫p\left(\mathrm{\ΔT}\right|H_x)p_{H_x}\left(H_x\right)\log \frac{p(H_x,\mathrm{\ΔT})}{p_{\mathrm{\ΔT}}\left(\mathrm{\ΔT}\right)p_{H_x}\left(H_x\right)}{\mathrm{dH}}_x\mathrm{d\ΔT}$

其中 $p_{\mathrm{\ΔT}}\left(\mathrm{\ΔT}\right)=\∫p_{\mathrm{\ΔT}}\left(\mathrm{\ΔT}\right|H_x)p_{H_x}\left(H_x\right){\mathrm{dH}}_x,$ $p(H_x,\mathrm{\ΔT})=p_{\mathrm{\ΔT}}\left(\mathrm{\ΔT}\right|H_x)\·p_{H_x}\left(H_x\right),$

p_ΔT(ΔT)分别是待测磁场H_x和输出ΔT的边缘概率密度函数，p(H_x,ΔT)是联合密度函数。

离散化后，以输出驻留时间差ΔT为检测信号，所传递的信息量为：

$I(H_x;\mathrm{\ΔT})=\∫\underset{n=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}P(\mathrm{\ΔT}=a(2n-N)|H_x)\log P(\mathrm{\ΔT}=a(2n-N)|H_x)p_{H_x}\left(H_x\right){\mathrm{dH}}_x-\underset{n=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}P(\mathrm{\ΔT}=a(2n-N))\log P_{\mathrm{\ΔT}}(\mathrm{\ΔT}=a(2n-N))$

其中n表示0到N之间的整数，P_ΔT(ΔT＝a(2n-N))是输出驻留时间ΔT等于a（2n-N）时的概率密度函数，P(ΔT＝a(2n-N)|H_x)是在输入待测磁场为H_x的情况下，离散输出状态为a(2n-N)时的条件概率密度函数。T＝N·Δt，N为整数，Δt为数值计算中离散时间间隔，a＝B₊，B₊为上饱和磁感应强度固定值。

在待测磁场为H_x的情况下，输入磁场强度H(t)大于磁通门传感器的矫顽力H_c的条件概率密度函数为：

而输入噪声的概率密度函数主要取决于噪声强度σ。那么，通过计算磁通门的信息传递可以发现，利用累计驻留时间差

所传递的待测磁场H_x的信息I(H_x;ΔT)是待测磁场H_x、累计测量时间T、所加噪声η(t)的强度σ的函数，即I(H_x;ΔT)＝I(H_x,T,σ)，且在激励噪声η(t)处于某一强度下有最优值（图4）。

最优磁场传感输出的噪声强度受测量动态范围、磁芯材料H-B关系曲线（图2）的参数影响。可以在测量动态范围确定后，选择合适的磁芯材料，然后求所加噪声的最佳强度。也可在噪声强度确定后，选择有合适参数的磁芯材料，使该噪声在所选参数下是最佳的。所加噪声既可以是强度可控的人为外加噪声，也可以是系统内部噪声，或环境噪声，但要求噪声具有如下统计特征：噪声η(t)在其均值或期望值〈ξ(t)〉上下有对称概率分布，即p(η(t)〉-b)＝p(η(t)〉+b)。

在噪声优化的基础上，进一步的提高灵敏度可通过调节累积时间T实现，增加累积时间T可以提高测量精度（图4用N表示）。

通过对优化后的累积驻留时间差ΔT与待测磁场作标定，即可实现磁通门传感器的精密测量。

其中，累积驻留时间差ΔT与待测量之间的对应关系受参数（噪声水平σ、积分时间T）影响。在优化结束，参数确定后，累积驻留时间差ΔT与待测量的关系确定，标定此时的累积驻留时间差ΔT，实现利用噪声驱动的磁通门传感器的精密测量。

在实际操作过程中，输入噪声η(t)除应满足使得传递的信息量达到最大值的噪声强度的要求，同时，由于线圈匝数，驱动磁通门传感器达到饱和状态的电流以及频率存在一定的关系，为了在激励线圈产生的激励电流能够使磁通门传感器达到饱和，又不致使磁芯因温度过高而无法工作，使后续测量磁场过程中数据采集能够顺利进行，可以利用通过低通滤波器对随机输入的噪声进行频率筛选，使其控制在合理范围，以满足上述要求。

本实施例中优选采用的磁通门传感器以磁芯材料牌号为VITROVAC 6025Z为例，图5所示为其结构示意图图。磁通门传感器的磁芯1采用开磁路棒状结构，其一端绕有与低通滤波器4和功率放大器5相连接的激励线圈2，另一端绕有感应线圈3，感应线圈3的输出级与放大电路6连接。

当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，根据软磁材料自身的特性，传感器磁芯1的输出磁感应强度信号是受磁导率调制的关于时间的函数，感应线圈3输出的感应电压和磁感应强度为微分关系

得到呈现正负脉冲形式的感应电压。将感应线圈3检测到的微弱电压信号，经放大电路6放大后得到感应电动势输出。由于存在待测磁场使得产生的感应电动势处于非对称状态，正向磁饱和与负向磁饱和状态存在时间差。通过驻留时间与弱磁场的对应关系即可测量得到存在于磁通门传感器轴向弱磁信号的大小，达到测量弱磁场的目的。但本发明的方法不限于这种类型的传感器，对任意的磁通门传感器都可适用。

Claims (5)

1.一种利用噪声驱动的磁通门传感器测量磁场的方法，包括：

在磁通门的激励线圈中加入噪声η(t)，获取有噪声驱动和待测磁场H_x的磁通门感生电动势输出v(t)；

通过感生电动势输出信号v(t)测得一段时间T内磁芯材料处于上饱和状态的累计时间

处于下饱和状态的累计时间

将处于上饱和状态的累计时间

与处于下饱和状态的累计时间

相减，得累计驻留时间差 $\mathrm{\ΔT}=\mathrm{\Σ}{T}_{B_{+}}-\mathrm{\Σ}{T}_{B_{-}};$

标定所述累计驻留时间差ΔT与待测磁场H_x的关系，即可实现待测磁场的精密测量。

2.根据权利要求1所述的利用噪声驱动的磁通门传感器测量磁场的方法，其特征在于，所述噪声为随机输入的噪声，其可以是环境背景噪声也可以是人为加入的噪声。

3.根据权利要求1或2所述的利用噪声驱动的磁通门传感器测量磁场的方法，其特征在于，所述噪声η(t)在其均值或期望值上下有对称概率分布。

4.根据权利要求1-3之一所述的利用噪声驱动的磁通门传感器测量磁场的方法，其特征在于，可以对所述噪声进行优化，使其强度满足使待测磁场H_x的传递信息I(H_x;ΔT)有最优值。

5.根据权利要求1-4之一所述的利用噪声驱动的磁通门传感器测量磁场的方法，其特征在于，所述噪声在输入磁通门传感器前，可先通过低通滤波器进行预处理。

Images