CN103472409B - 感应式三轴磁场传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种感应式三轴磁场传感器。该感应式三轴磁场传感器中的传感器本体包括：磁芯结构，纵剖面呈工字型，中间部分为细长棒状的磁芯，两端部分为扁平状磁通量聚焦器；感应线圈，均匀缠绕于磁芯结构磁芯的外围。本发明通过在细长型磁芯两端加磁盘聚集磁通，等效的提高了磁芯的长径比，突破了传统感应式磁场传感器在有限空间内的噪声极限。

Description

感应式三轴磁场传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种感应式三轴磁场传感器。

背景技术

感应式磁场传感器是指基于法拉第电磁感应原理测量磁场微弱变化的仪器。在海洋地球物理观测中，主要用于海洋科学观测网建设、海洋油气勘探中的大地电磁测深(MMT)和海洋可控源电磁(CSEM)仪器中。是海洋地球物理观测中最为广泛磁场测试仪器之一。

海洋科学观测领域，观测并研究海洋地磁其空间和时间分布规律，是海洋科学观测的基本内容之一，高灵敏度感应式磁场传感器是该项科学活动的必备工具之一，利用高灵敏度的感应式磁场传感器可以精确获取0.1mHz-100Hz的天然磁场变化信息，该频段信息对海底地质结构、板块构造运动等地学研究有极其重要的参考价值。

随着深水油气勘探的兴起，海洋电磁法已成为海洋油气勘探的重要手段之一，国内外海洋油气勘探的实践表明：海洋电磁方法通过对目标地质体的电阻率识别，大大提高了钻井成功率，有效降低了海洋石油勘探开采的成本。几乎所有的海洋电磁方法仪器的磁场分量测量均采用感应式磁场传感器进行，如美国SIO研究所、斯伦贝谢等公司的海洋电磁仪器。

因此，无论是海洋科学活动还是海洋资源能源领域，感应式磁场传感器均是不可或缺的核心技术，直接制约着我国海洋电磁仪器的发展。

对于海洋磁场探测，感应式磁场传感器的灵敏度在10^-4nT/√Hz-10^-3nT/√Hz(1Hz时)。现有的感应式磁场传感器包括加拿大PHOENIXGeophysicsLimited公司的MTC-80型、MTC-50型磁场传感器，德国MetronixGeophysics公司的MFS-06(e)型、MFS-07型磁场传感器等等。这些感应式磁场传感器，外观为细长圆柱形，长度在1m-1.4m，直径10cm左右，质量一般在8kg-12kg。用于海洋探测时，需要将三支磁场传感器分别采用长圆柱形的承压舱密封，材料为塑料或者铝材，信号通过防水电缆传给浮球内部的接收机。整个仪器体积超过1m³，重量大于400kg，同时需要4-5个深海浮球，用来保证足够的浮力，过大的体积和过高的成本给勘探作业带来巨大的挑战。然而，如果缩小感应式磁场传感器的体积，则会导致其灵敏度降低，等效输入噪声增加，从而不能满足海洋电磁法勘探的需求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种感应式三轴磁场传感器，以在保证测量精度的前提下实现感应式三轴磁场传感器的小型化。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种传感器本体。该传感器本体包括：磁芯结构，纵剖面呈工字型，中间部分为细长棒状的磁芯，两端部分为扁平状磁通量聚焦器；感应线圈，均匀缠绕于磁芯结构磁芯的外围。

根据本发明的一个方面，还提供了一种感应式三轴磁场传感器。该感应式三轴磁场传感器包括：传感器本体模块，包括探测方向两两垂直的三支如上所述的传感器本体；三组斩波放大电路，分别对三支传感器本体感应线圈输出的信号通过斩波方式进行幅度增强。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明感应式三轴磁场传感器具有以下有益效果：

(1)通过在原有的细长型磁芯两端加磁盘聚集磁通，等效的提高了磁芯的长径比，突破了传统感应式磁场传感器在有限空间内的噪声极限；

(2)通过信号补偿模块，使得三轴信号串扰信号最小，提高了磁场测量精度，实现在有限空间内集成三轴磁场传感器。

附图说明

图1为根据本发明实施例传感器本体的纵剖面示意图；

图2为由仿真软件得到的图1所示传感器本体与传统磁场传感器磁通量的对比图；

图3为根据本发明实施例感应式三轴磁场传感器的结构示意图；

图4为图3所示感应式三轴磁场传感器中传感器本体模块的示意图；

图5为图3所示感应式三轴磁场传感器中斩波放大电路将传感器带宽进行拓展的曲线；

图6为图3所示感应式三轴磁场传感器中斩波放大电路的结构示意图；

图7为图6所示斩波放大电路中匹配网络模块的电路图；

图8为图6所示斩波放大电路中调制模块的电路图；

图9为图6所示斩波放大电路中电流放大模块的电路图；

图10为图6所示斩波放大电路中解调模块的电路图；

图11为图6所示斩波放大电路中滤波模块的电路图；

图12为本发明实施例感应式三轴磁场传感器频率响应测量方法的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明传感器本体及应用其的感应式三轴磁场传感器通过在原有的细长型磁芯两端加磁盘聚集磁通，等效的提高了磁芯的长径比，并且通过信号补偿模块，使得三轴信号串扰信号得到抑制，从而在保证精度的前提下实现了感应式三轴磁场传感器的小型化。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种传感器本体。图1为根据本发明实施例传感器本体的纵剖面示意图。请参照图1，磁芯的剖面呈工字型，中间部分为细长的圆柱体磁芯，长度为20cm，直径为1.0cm，两端部分呈扁平圆柱状，长度为1.0cm，直径为11cm。这三部分磁芯紧密的固定在一起。

两端部分的扁平状圆柱体磁芯，称为磁通量聚集器。本发明传感器本体中，两端部分磁通量聚焦器直径与中间部分直径的比例介于2：1～10：1之间，磁通聚集器直径与中间部分的长度的比例介于1:1～1:5之间。

传感器本体磁芯结构材料均采用软磁铁氧体材料，优选为铁氧体材料。该材料的初始磁导率高、电导率低，可以实现磁感应强度的无损耗放大，从而达到所需灵敏度。

对于一般有形状的磁芯，无磁通量聚集器，由于退磁场的存在，磁芯有效磁导率μ_app远远小于材料本身的初始磁导率。对于棒状磁芯，其退磁因子为：

$N=\frac{1}{m^2-1}\{\frac{m}{2{\left(m^2-1\right)}^{\frac{1}{2}}}\ln \left(\frac{m+{\left(m^2-1\right)}^{\frac{1}{2}}}{m-{\left(m^2-1\right)}^{\frac{1}{2}}}\right)-1\}---\left(1\right)$

则有效磁导率为：

${\mathrm{\μ}}_{app}=\frac{{\mathrm{\μ}}_r}{1+N({\mathrm{\μ}}_r-1)}---\left(2\right)$

其中，m为棒状磁芯的长径比，μ_r为磁性材料初始磁导率。

在磁芯两端紧密贴合上直径D，高度t的磁通聚集器后，式(1)中的长径比为有效磁导率为：

${\mathrm{\μ}}_{app}=\frac{{\mathrm{\μ}}_r}{1+N\×{\left(\frac{d}{D}\right)}^2({\mathrm{\μ}}_r-1)}---\left(3\right)$

式(1-3)为磁芯实现方式主要依据，可以算到，带有磁通聚集器的磁芯，即磁芯有效磁导率μ_app显著增大。

图2为由仿真软件得到的图1所示传感器本体与传统磁场传感器磁通量的对比图。如图4所示，对于同一磁芯，有、无磁通聚集器的平均有效磁导率分别为709和168，本实施例磁芯部分达到了与长度1.2m的磁芯相同的有效磁导率。同时由图4可知，磁通聚集器不仅提高了有效磁导率，还使得有效磁导率在整个磁芯长度范围内分布的更平坦，使得可利用的磁芯部分更多。

在磁芯结构的外围，采用工程塑料作为骨架支撑和保护磁芯结构，在骨架上均匀缠绕多匝线圈。

多匝线圈采用无氧铜漆包线的方式实现，漆包线直径在0.1mm-0.42mm，缠绕时，至左向右均匀缠绕一层，再从右往左均匀缠绕第二层，依次往复缠绕，每层圈数在1000-8000匝，共缠绕10-40层，总圈数约为10000-80000匝，保证足够的灵敏度。

线圈阻抗大小，结合后续电路的噪声水平、输入阻抗等参数统筹优化考虑。一般来讲，电路的噪声水平一定，针对这一噪声水平，将线圈圈数N、线径d_w、绕筒直径d_coil等参数设为可变量，将由其决定的线圈电阻R_sc，线圈电感L_pc，线圈电容C_sc等参数及磁芯等效面积S等已知参数带入噪声计算公式进行优化。假设e_nw为电路电压噪声，i_nw为电路电流噪声，K_b＝1.38×10^-23是Boltzmann常数，T_c是绝对温度，一般取300K，A_core为磁芯等效面积。

放大器电压噪声等效输入磁场噪声：

$b_{nie}\left(f\right)=\frac{e_w}{\left|2{\mathrm{\πf\μ}}_{app}NS\right|}---\left(4\right)$

放大器电流噪声等效输入磁场噪声：

$b_{iie}\left(f\right)=\frac{i_w\×\left|R_{sc}+j2{\mathrm{\πfL}}_{pc}\right|}{\left|j2{\mathrm{\πf\μ}}_{app}NS\right|}---\left(5\right)$

线圈内阻的热噪声等效输入磁场噪声，包括漆包线电阻和磁芯损耗：

$b_{rsce}\left(f\right)=\frac{\sqrt{4K_b{T}_c{R}_{sc}}}{\left|j2{\mathrm{\πf\μ}}_{app}NS\right|}---\left(6\right)$

假设忽略其他微小噪声，传感器总的等效输入磁场噪声：

$b_{nte}\left(f\right)=\sqrt{{b^2}_{nie}\left(f\right)+{b^2}_{iie}\left(f\right)+{b^2}_{rsce}\left(f\right)}---\left(7\right)$

优化式(7)，使得等效输入磁场噪声最小的线圈参数即为线圈参数的最佳结果。

本实施例传感器本体中，通过采用磁通量聚集器，每一个传感器本体以较小的长度就能够实现与较长磁芯相等的磁导率，等效的提高了磁芯的长径比，即在较小的体积内，实现了较高的灵敏度。

基于上述传感器本体模块，在本发明的另一个示例性实施例中，还提供了一种感应式三轴磁场传感器。图3为根据本发明实施例感应式三轴磁场传感器的结构示意图。

请参照图3，本实施例感应式三轴磁场传感器包括：传感器本体模块、三组斩波放大电路和信号补偿模块。其中，传感器本体模块即为上述实施例的传感器本体模块。三组斩波放大电路的信号输入端分别连接至相应传感器本体模块中感应线圈的两端。信号补偿模块的信号输入端连接至三组斩波放大电路的信号输出端。其中，被测磁场在三支传感器本体上分别产生感应电压信号，该三组感应电压信号分别经过斩波放大电路后信号幅度增强，并由信号补偿模块对三轴串扰信号的抑制后得到三维磁场信息。

以下分别对本实施例感应式三轴磁场传感器的另外两个组成部分进行详细说明。

1、传感器本体模块

图4为图3所示感应式三轴磁场传感器中传感器本体模块的示意图。请参照图4，该传感器本体模块包括探测方向两两垂直的三支上述实施例的传感器本体。其中，该三支传感器本体分别沿x轴方向、y轴方向和z轴方向。为了避免三轴传感器正交串扰，同时也为了屏蔽外界电磁干扰，每一支传感器本体均放置在铝屏蔽盒中。

整个传感器本体模块总体积不超过23cm*23cm*23cm，可直接集成在一个直径为17英寸的海洋密封浮球中，实现海底的磁场测量。该传感器本体模块既能满足海洋电磁勘探测量灵敏度，又满足质量最轻、体积最小的要求。

2、斩波放大电路

对于三轴传感器而言，为克服串扰，每一轴传感器即配有一斩波放大电路，共三组电路。该三组斩波放大电路的结构相同，以下用其中一组为例进行说明。

斩波放大电路的信号输入端连接至传感器本体模块中感应线圈的两端。斩波放大电路主要实现两个功能：第一，拓展带宽，对于感应式三轴磁场传感器的前端感应线圈来说，为了实现高灵敏度，线圈圈数较大，因此导致线圈的谐振频率不会太高，有可能落在工作带宽内。而这一谐振峰值会使得传感器在工作带宽内工作不稳定，造成震荡，因此，该斩波放大电路采用匹配网络和电流放大模式，同时将传感器带宽进行拓展，如图5所示；第二，降低1/f噪声，在低频放大中，受电子器件本身1/f噪声的影响，直接放大时有用信号将被噪声淹没，因此低频磁场信号的放大需要克服1/f噪声的影响，才能得到有益的放大。

如图6所示，斩波放大电路主要由五个模块组成，包括：匹配网络模块、调制模块、电流放大模块、解调模块和滤波模块。其中，匹配网络模块用于对感应线圈输出谐振点进行补偿，拓展感应线圈的工作带宽。调制模块用于采用预设频率的方波信号将匹配网络模块输出的信号调制至高频，从而实现斩波信号。电流放大模块采用运算放大器或者对管放大器对调制模块输出的斩波信号进行低噪声电流放大。解调模块采用与调制完全一致的电路结构，将电流放大模块输出信号中的有用信号解调至低频，放大器引入的1/f噪声被调制到高频。滤波模块，将调制解调带来的高频信号滤掉，保留有用信号。

2.1匹配网络模块

匹配网络模块，用于对感应线圈输出谐振点进行补偿，拓展线圈工作带宽。

匹配网络模块主要采用电阻、电感、电容串并联网络。如图7所示，从感应线圈输出的感应信号通过第一电阻R1串联接地；并且该感应线圈输出的感应信号经过第二电阻R2和第一电感L1的并联电路后作为匹配网络模块的输出V_in。其中，第一电阻R1为25.5kOhm，第二电阻R2为10kOhm，第一电感L1为220mH。

2.2调制模块

调制模块主要采用CMOS模拟开关芯片ADG413(U1)实现，用于采用预设频率的方波信号将匹配网络模块输出的信号调制至高频，从而实现斩波信号。

请参照图8，U1的管脚13连接VCC，即供电的正电压；管脚12连接VL，为逻辑电压值，为5V；管脚3和管脚11连接匹配网络模块输出的正信号V_in；管脚1、管脚8、管脚9、管脚16连接时钟信号CLK；管脚6、管脚14连接信号地；管脚2、管脚15为信号输出正，管脚7、管脚10号为信号输出负，分别连接放大模块的输入端V_m1和V_m2。

2.3电流放大模块

请参照图9，放大模块分为第一、二、三级串联放大电路。其中，第一级放大电路用于低噪声前置放大，第二级放大电路用于功率放大，第一、二两级之间采用负反馈方式连接，形成一个整体；第三级放大电路极性反转。

第一级放大部分由FET对管组成(Q1和Q2)(Q1、Q2的型号为INF146)。其中：Q1、Q2的G极分别连接至调制模块的输出V_m1和V_m2；Q1和Q2的S极短接，其公共端经过电流源I1连接至供电负电压VSS，I1的型号为J507；Q1、Q2的D极分别通过第三电阻R3、第四电阻R4连接至供电正电压VCC，其中，第三电阻R3和第四电阻R4均为3.0kOhm。Q1、Q2的D极分别作为第一级放大电路的输出端。

第二级放大电路采用MAX4101ESA(U2)实现。其中：U2的管脚2依次经过第五电阻R5和第一电容C1连接至第一级放大电路中Q2的D级。U2的管脚3依次通过第六电阻R6和第二电容C2连接至第一级放大电路Q1的D极。其中，第一电容C1和第二电容C2相等，均为100nF，第五电阻R5和第六电阻R6相等，均为1kOhm。U2管脚6经过第四电容C4和第八电阻R8并联回路和管脚2连接，第四电容C4值为10pF，第八电阻R8为200kOhm。U2的管脚3经过第七电阻R7和第三电容C3的并联电路和地连接，第七电阻R7为200kOhm，第三电容C3为10pF。U2的管脚6通过第二十电阻R20、第十八电阻R18串联和Vm1连接，第十八电阻R18和第二十电阻R20之间采用与第十九电阻R19串联连接到地上。U2的管脚4连接电源负VSS。U2的管脚7连接电源正VCC。U2的管脚6作为第二级放大电路的输出端。U2的管脚6通过第五电容C5与Vma2连接，Vma2通过第十二电阻R12与地连接。第五电容C5为100nF，第十二电阻R12为1kOhm。

第三级放大亦采用MAX4101ESA(U3)实现。其中：U3的管脚2(输入负端)依次经过第九电阻R9连接至第二级放大电路中U6的管脚6。U3的管脚2(输入正端)接地。第九电阻R9阻值为1kOhm。U3的管脚2和管脚6之间采用第十电阻R10实现串联回路，第八电阻R10为1kOhm。U3的管脚4连接电源负VSS。U3的管脚7连接电源正VCC。U3的管脚6通过第六电容C6相连到输出端V_ma1，V_ma1通过第十一电阻R11与地连接。第六电容C6为100nF，第十一电阻R11为1kOhm。V_ma1和V_ma2作为第三级放大电路的输入端。

2.4解调模块

请参照图10，解调模块与调制模块对称，采用ADG413(U4)实现。U4的管脚3和14分别接入来自放大模块的信号V_ma1和信号V_ma2；U4的管脚1和管脚16同时接CLK信号；U4的管脚4接电源负VSS信号；U4的管脚5接GND信号；U4的管脚12接VL，管脚13接电源正VCC；U4的管脚2和管脚15分别串联第十三电阻R13和第十四电阻R14后短接，为本模块的输出V_dm。第十三电阻R13和第十四电阻R14为1kOhm。

2.5滤波模块

请参照图11，滤波模块采用MAX4101ESA(U5)实现。

解调模块的输入端V_dm通过第十五电阻R15和U5的管脚2(U5的输入负)连接；输入端V_dm通过第七电容C7与地连接，第十五电阻R15为1kOhm，C7的电容值为1nF；U5的管脚3串联第十六电阻R16后接地，第十六电阻R16为1kOhm；U5的管脚6通过第八电容C8和第十七电阻R17的并联电路连接到管脚2，第八电容C8的电容值为4.7nF，第十七电阻R17为200kOhm；U5的管脚7接电源正VCC；U5的管脚4接电源负VSS；U5的管脚6为本模块的输出信号，即为斩波放大电路的信号输出端V_out；其他模块如供电模块，为斩波放大电路提供VCC、VSS、VL等电压，采用常规供电+/-5V的供电电源实现；CLK信号采用常规时钟信号实现，重复频率为3.5kHz，幅度为+/-5V，在此不再复述。

3、信号补偿模块

该信号补偿模块，用于对斩波放大电路输出的信号按照以下公式进行补偿，从而减少甚至抵消三轴传感器之间的串扰响应。

通过该信号补偿模块，传感器输出的电压值为：

${V^{\′}}_x=\frac{1}{(a-1)(2a-1)}\[(1+a+2{\mathrm{abP}}_x/S_x)V_x-\frac{a+{\mathrm{bP}}_y/S_y}{P_y/P_x}{V}_y-\frac{a+{\mathrm{bP}}_z/S_z}{P_z/P_x}{V}_z\]$

${V^{\′}}_y=\frac{1}{(a-1)(2a-1)}\[(1+a+2{\mathrm{abP}}_y/S_y)V_y-\frac{a+{\mathrm{bP}}_x/S_x}{P_x/P_y}{V}_y-\frac{a+{\mathrm{bP}}_z/S_z}{P_z/P_y}{V}_z\]$

${V^{\′}}_z=\frac{1}{(a-1)(2a-1)}\[(1+a+2{\mathrm{abP}}_z/S_z)V_z-\frac{a+{\mathrm{bP}}_x/S_x}{P_x/P_y}{V}_x-\frac{a+{\mathrm{bP}}_y/S_y}{P_y/P_x}{V}_y\]$

其中，参数a为感应磁场横向串扰比例，参数b为线圈电流磁场横向串扰比例，P_x，P_y，P_z为感应磁场频率响应，S_x，S_y，S_z为线圈电流磁场频率响应，V_x，V_y，V_z为通过信号补偿模块之前的传感器输出电压值。

以下介绍该信号补偿模块的原理：请参照图12，首先利用三对正交的亥姆霍兹线圈，产生三维矢量均匀磁场空间，利用卡具，固定三轴磁场传感器的三轴方向与亥姆霍兹线圈的三个方向平行。假设三轴传感器完全一致，绝对对称，则只需要以其中一轴测量值为参考即可。这里，以Z方向为例说明：

首先，让Z方向的亥姆霍兹线圈产生均匀磁场，三轴磁场传感器在该磁场的激励下，X，Y，Z三个方向均有输出，其中Z方向分量为主分量，X，Y方向的磁场传感器的输出为串扰信号，为次分量，将次分量与主分量的比例记为感应磁场横向串扰比例a，严格来讲，该感应磁场横向串扰比例a为在某一方向磁场的作用激励下，与之正交的任一横向分量输出的磁场分量与激励分量之间的比例；

其次，给Z方向传感器通过一定大小的电流，测量该电流产生的磁场在X，Y轴方向引起的输出，该比例即为b，严格来讲，所述线圈电流磁场横向串扰比例b为某一方向线圈在一定电流的作用激励下，与之正交的任一横向分量输出的电流分量与激励分量之间的比例。

在获取串扰的测量值之后，可以采用以下算法进行补偿。

假设平行于x，y，z方向的外加磁场分别为Φ'_xp，Φ'_yp，Φ'_zp，无串扰情况下三轴传感器感应到的电压分别为：V'_x，V'_y，V'_z，有串扰情况下，三轴传感器感应到的磁场和电压分别为Φ_x，Φ_y，Φ_z，V_x，V_y，V_z，线圈中通过的电流产生的感应磁场分别为Φ_xs，Φ_ys，Φ_zs，则可以得到下列磁场方程：

Φ_x＝Φ'_xp+a(Φ'_yp+Φ'_zp)+b(Φ'_ys+Φ'_zs)

Φ_y＝Φ'_yp+a(Φ'_xp+Φ'_zp)+b(Φ'_xs+Φ'_zs)(12)

Φ_z＝Φ'_zp+a(Φ'_yp+Φ'_xp)+b(Φ'_ys+Φ'_xs)

带入频率响应P_x，P_y，P_z，S_x，S_y，S_z，无串扰情况下三轴传感器感应到的电压分别为：V'_x，V'_y，V'_z，有串扰情况下，三轴传感器感应到的电压分别为V_x，V_y，V_z，可得下列电压方程：

$\begin{array}{c}{V}_x={V^{\′}}_x+a(\frac{{V^{\′}}_y}{P_y}+\frac{{V^{\′}}_z}{P_z})P_x+b(\frac{V_y}{S_y}+\frac{V_z}{S_z})P_x\\ V_y={V^{\′}}_y+a(\frac{{V^{\′}}_x}{P_x}+\frac{{V^{\′}}_z}{P_z})P_y+b(\frac{V_z}{S_z}+\frac{V_z}{S_z})P_y\\ V_z={V^{\′}}_z+a(\frac{{V^{\′}}_y}{P_y}+\frac{{V^{\′}}_x}{P_x})P_z+b(\frac{V_y}{S_y}+\frac{V_x}{S_x})P_z\end{array}---\left(13\right)$

联立解方程组(13)，可得：

$\begin{array}{c}{V^{\′}}_x=\frac{1}{\left(a-1\right)\left(2a-1\right)}\[\left(1+a+2{\mathrm{abP}}_x/S_x\right)V_x-\frac{a+{\mathrm{bP}}_y/S_y}{P_y/P_x}{V}_y-\frac{a+{\mathrm{bP}}_z/S_z}{P_z/P_x}{V}_z\]\\ {V^{\′}}_y=\frac{1}{\left(a-1\right)\left(2a-1\right)}\[\left(1+a+2{\mathrm{abP}}_y/S_y\right)V_y-\frac{a+{\mathrm{bP}}_x/S_x}{P_x/P_y}{V}_y-\frac{a+{\mathrm{bP}}_z/S_z}{P_z/P_y}{V}_z\]\\ {V^{\′}}_z=\frac{1}{\left(a-1\right)\left(2a-1\right)}\[\left(1+a+2{\mathrm{abP}}_z/S_z\right)V_z-\frac{a+{\mathrm{bP}}_x/S_x}{P_x/P_y}{V}_x-\frac{a+{\mathrm{bP}}_y/S_y}{P_y/P_x}{V}_y\]\end{array}---\left(14\right)$

上述解组即为三轴磁传感器补偿算法，其中参数a，b，P_x，P_y，P_z，S_x，S_y，S_z都由且只由传感器本身决定，可由仪器测量得到，不随外磁场而改变。在最终输出里加入补偿算法，利用本方法测量和计算，可使得三轴之间的串扰显著减小，有效提高三轴磁场的观测精度。

需要说明的是，具有信号补偿模块的感应式三轴磁场传感器只是本发明的一个优选实施例，其输出的信号能更准确的反应真实的磁场情况。本发明其他实施例中，该信号补偿模块也可以省略，同样不影响本发明实施。

本实施例感应式三轴磁场传感器，长度缩小为0.2m-0.3m，降幅约为75％；重量小于6kg，降幅约为25％，可集成在一个海洋探测密封浮球内，长度和重量将远小于现有商业产品。本实施例感应式三轴磁场传感器的技术指标与长度为1.0m-1.4m的现有感应式三轴磁场传感器的技术指标相当。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明感应式三轴磁场传感器有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如：

(1)铁氧体磁芯还可以用其他软磁材料替代；

(2)电流放大模块还可以由负反馈模块替代。

综上所述，本发明传感器本体及应用其的感应式三轴磁场传感器通过在原有的细长型磁芯两端加磁盘聚集磁通，等效的提高了磁芯的长径比，突破了传统感应式三轴磁场传感器在有限空间内的噪声极限，并利用实验测量和算法补偿使得三轴信号串扰信号最小，长度和重量将远小于现有商业产品，降低海洋电磁勘探仪器的体积、重量和成本，实现了感应式三轴磁场传感器的小型化。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种感应式三轴磁场传感器，其特征在于，包括：

传感器本体模块，包括探测方向两两垂直的三支传感器本体，该传感器本体包括：磁芯结构，纵剖面呈工字型，中间部分为细长棒状的磁芯，两端部分为扁平状磁通量聚焦器；感应线圈，均匀缠绕于所述磁芯结构中间部分的外围；

三组斩波放大电路，分别对三支传感器本体感应线圈输出的信号通过斩波方式进行幅度增强；以及

信号补偿模块，用于按照以下公式对斩波放大电路输出的信号进行补偿，以减少甚至抵消三支传感器本体之间的串扰响应：

${V^{\′}}_x=\frac{1}{(a-1)(2a-1)}\[(1+a+2ab{P}_x/S_x)V_x-\frac{a+{\mathrm{bP}}_y/S_y}{P_y/P_x}{V}_y-\frac{a+{\mathrm{bP}}_z/S_z}{P_z/P_x}{V}_z\]$

${V^{\′}}_y=\frac{1}{(a-1)(2a-1)}\[(1+a+2ab{P}_y/S_y)V_y-\frac{a+{\mathrm{bP}}_x/S_x}{P_x/P_y}{V}_y-\frac{a+{\mathrm{bP}}_z/S_z}{P_z/P_y}{V}_z\]$

${V^{\′}}_z=\frac{1}{(a-1)(2a-1)}\[(1+a+2ab{P}_z/S_z)V_z-\frac{a+{\mathrm{bP}}_x/S_x}{P_x/P_y}{V}_x-\frac{a+{\mathrm{bP}}_y/S_y}{P_y/P_x}{V}_y\]$

其中，参数a为感应磁场横向串扰比例，参数b为线圈电流磁场横向串扰比例，P_x，P_y，P_z为感应磁场频率响应，S_x，S_y，S_z为线圈电流磁场频率响应，V_x，V_y，V_z为通过信号补偿模块之前的传感器输出电压值。

2.根据权利要求1所述的感应式三轴磁场传感器，其特征在于，每一组斩波放大电路包括：

匹配网络模块，用于对感应线圈输出谐振点进行补偿，消除谐振尖峰，平滑谐振点处阻抗；

调制模块用于采用预设频率的方波信号将匹配网络模块输出的信号调制至高频，从而实现斩波信号；

电流放大模块，采用运算放大器或者对管放大器对调制模块输出的斩波信号进行低噪声电流放大；

解调模块，采用与调制完全一致的电路结构，将电流放大模块输出信号中的有用信号解调至低频，从而电流放大模块中运算放大器或对管放大器引入的1/f噪声被调制到高频；以及

滤波模块，将调制解调带来的高频信号滤掉，保留有用信号。

3.根据权利要求2所述的感应式三轴磁场传感器，其特征在于，所述匹配网络模块中：从感应线圈输出的感应信号通过第一电阻(R1)串联接地；并且该感应线圈输出的感应信号经过第二电阻(R2)和第一电感(L1)的并联电路后作为匹配网络模块的输出V_in。

4.根据权利要求2所述的感应式三轴磁场传感器，其特征在于：

所述调制模块采用CMOS模拟开关芯片ADG413(U1)实现，其各管脚设置如下：管脚1、管脚8、管脚9、管脚16连接时钟信号CLK；管脚3和管脚11连接匹配网络模块输出的正信号V_in；管脚6、管脚14连接信号地；管脚2、管脚15为信号输出正,管脚7、管脚10号为信号输出负，分别连接放大模块的输入端V_m1和V_m2；管脚12连接逻辑电压值VL；管脚13连接供电的正电压VCC；

所述解调模块与调制模块对称，采用ADG413(U4)实现，其各管脚设置如下：管脚3和14分别接入来自放大模块的信号V_ma1和信号V_ma2；管脚1和管脚16同时接CLK信号；管脚4接电源负VSS信号；管脚5接GND信号；管脚12接VL；管脚13接电源正VCC；管脚2和管脚15分别串联第十三电阻(R13)和第十四电阻(R14)后短接，为该解调模块的输出V_dm。

5.根据权利要求2所述的感应式三轴磁场传感器，其特征在于，所述解调模块的输出V_dm通过第七电容(C7)接地；所述滤波模块采用MAX4101ESA(U5)实现，其各管脚设置如下：

管脚3作为输入正，通过第十六电阻(R16)接地；

管脚2作为输入负，通过第十五电阻(R15)连接至所述解调模块的输出V_dm；

管脚6通过第八电容(C8)和第十七电阻(R17)的并联电路连接到管脚2；

管脚7接电源正VCC；

管脚4接电源负VSS；

管脚6为本解调模块的输出信号，即为斩波放大电路的信号输出端V_out。

6.根据权利要求2所述的感应式三轴磁场传感器，其特征在于，所述放大模块分为第一、二、三级串联放大电路；

第一级放大部分由FET对管-第一对管(Q1)和第二对管(Q2)组成；其中：第一对管(Q1)、第二对管(Q2)的G极分别连接至调制模块的输出V_m1和V_m2；S极短接，其公共端经过电流源I1连接至供电负电压VSS；D极分别通过第三电阻(R3)、第四电阻(R4)连接至供电正电压VCC，其中，第一对管(Q1)、第二对管(Q2)的D极分别作为第一级放大电路的输出端；

第二级放大电路采用MAX4101ESA(U2)实现，其各管脚设置如下：管脚2依次经过第五电阻(R5)和第一电容(C1)连接至第一级放大电路中第二对管(Q2)的D级；管脚3依次通过第六电阻(R6)和第二电容(C2)连接至第一级放大电路(Q1)的D极；管脚6经过第四电容(C4)和第八电阻(R8)并联回路和管脚2连接；管脚3经过第七电阻(R7)和第三电容(C3)的并联电路和地连接；管脚6通过第二十电阻(R20)、第十八电阻(R18)串联和Vm1连接，第十八电阻(R18)和第二十电阻(R20)之间采用与第十九电阻(R19)串联连接到地上；管脚4连接电源负VSS；管脚7连接电源正VCC；管脚6作为第二级放大电路的输出端；管脚6通过第五电容(C5)与Vma2连接，Vma2通过第十二电阻(R12)与地连接；

第三级放大亦采用MAX4101ESA(U3)实现，其各管脚设置如下：管脚2作为输入负端，依次经过第九电阻(R9)连接至第二级放大电路中管脚6；管脚3作为输入正端接地；管脚2和管脚6之间采用第十电阻(R10)实现串联回路；管脚4连接电源负VSS；管脚7连接电源正VCC；管脚6通过第六电容(C6)相连到输出端V_ma1，V_ma1通过第十一电阻(R11)与地连接；V_ma1和V_ma2作为第三级放大电路的输入端。

7.根据权利要求1所述的感应式三轴磁场传感器，其特征在于：

所述a的取值介于0-5％之间；所述b的取值介于0-10％之间。

8.根据权利要求1所述的感应式三轴磁场传感器，其特征在于，所述磁芯结构中：所述中间部分呈细长圆柱形；所述两端部分呈平圆柱状。

9.根据权利要求8所述的感应式三轴磁场传感器，其特征在于，所述磁芯结构中，磁通量聚焦器直径与中间部分直径的比例介于2：1～10：1之间，磁通聚集器长度与中间部分长度的比例介于1:1～1:5之间。

10.根据权利要求1、8、9中任一项所述的感应式三轴磁场传感器，其特征在于，传感器本体还包括：

骨架，设置于磁芯结构所述中间部分的外围与所述两端部分的内侧，所述感应线圈缠绕于磁芯结构中间部分外围的骨架上。

11.根据权利要求1、8、9中任一项所述的感应式三轴磁场传感器，其特征在于，所述磁芯结构的材料为软磁铁氧体材料。