CN104049229B - 一种标准高频交变磁场的产生方法 - Google Patents

Abstract

目前磁传感器动态标定过程中使用的通电螺旋管无法产生高频交变激励磁场源，本发明公开一种用于为磁传感器进行动态标定的标准高频交变磁场的产生方法，在固定空间中产生高频交变磁场，为磁传感器动态特性标定提供了标准磁场激励源。采用长直导线产生高频激励磁场，使用高磁导率的屏蔽筒屏蔽外界地磁场、设备干扰磁场等，同时还使用了高精度磁传感器作为反馈探测，进一步提高了磁屏蔽筒内的磁场源精度。

Description

一种标准高频交变磁场的产生方法

技术领域

本发明涉及磁场的产生方法，具体是一种用于为磁传感器进行动态标定的标准高频交变磁场的产生方法。

背景技术

传感器性能特性的研究，一般可从两个方面进行，即静态特性研究和动态特性研究。在高频磁场的探测领域中，磁传感器的频率特性决定了探测精度，而准确的确定磁传感器的带宽是关键问题，如何准确的标定磁传感器的动态特性急待解决。现有磁传感器标定主要集中在静态特性测试标定方面，而对其动态特性标定较少。究其原因是目前的标准磁场发生器是基于电流源和线圈组合方案，适于产生静态磁场或低频磁场。但该方案受线圈高频阻抗的影响，难于产生标准的高频交变磁场，无法满足磁传感器动态标定对高频磁场激励源的要求。

发明内容

为了解决现有技术中的标准磁场发生器是基于电流源和线圈组合方案，难于产生标准的高频交变磁场的技术问题，提供一种用于为磁传感器进行动态标定的标准高频交变磁场的产生方法。

为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。

一种标准高频交变磁场的产生方法，该方法包括：将一长直导线置于磁屏蔽筒的中心轴线上；将一高精度磁传感器置于所述磁屏蔽筒内与所述长直导线具有一定垂直距离的位置处，所述高精度磁传感器与所述磁屏蔽筒的口部的水平距离为所述磁屏蔽筒长度的二分之一；所述高精度磁传感器实时检测所述长直导线产生的磁信号，并将所述磁信号转换为电信号，作为负反馈量反馈给信号源；计算高精度磁传感器与所述长直导线的垂直距离；所述信号源为所述长直导线提供典型的周期信号；由毕奥-萨伐尔定律计算得出激励磁场源的场强、方向和频率。

优选的，所述高精度磁传感器与所述长直导线的垂直距离小于所述磁屏蔽筒直径的0.1倍。

其中，所述信号源提供的周期信号可以为电压源或电流源的扫频信号。

进一步的，所述计算高精度磁传感器与所述长直导线的垂直距离包括：所述信号源为所述长直导线提供已知的静态电流；读出所述高精度磁传感器所在位置处的磁感应强度；由毕奥-萨伐尔定律计算得出所述垂直距离。

再进一步的，还包括测量所述磁屏蔽筒的长度。

其中，所述长直导线产生的磁场方向与所述高精度磁传感器的敏感轴向重合。

优选的，所述磁屏蔽筒为材料选用高磁导率的坡莫合金、镍铁合金等制作而成的圆柱面的套筒。

优选的，所述磁屏蔽筒长度为0.5米至1米。

本发明所带来的有益效果：使用高磁导率的屏蔽筒屏蔽了外界地磁场、设备干扰磁场等，避免了通电螺线管无法产生高频磁场源信号的缺陷，同时，高精度磁传感器作为反馈探测，整个装置组成闭环系统，进一步提高了磁屏蔽筒内的磁场源精度和稳定度，结构简单。

为了上述以及相关的目的，一个或多个实施例包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明某些示例性方面，并且其指示的仅仅是各个实施例的原则可以利用的各种方式中的一些方式。其它的益处和新颖性特征将随着下面的详细说明结合附图考虑而变得明显，所公开的实施例是要包括所有这些方面以及它们的等同。

附图说明

图1是本发明一种标准高频交变磁场的产生方法的流程图；

图2是本发明一种标准高频交变磁场的产生方法的相关装置示意图；

图3是本发明本发明磁屏蔽筒内空间任意位置坐标系示意图；

图4是本发明当I＝1A、L＝0.5m、R＝0.2m时，理论上磁屏蔽筒的内部磁场分布图。

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。如图1至2所示，该方法包括：

101：将一长直导线固定在磁屏蔽套筒中央内部，尽可能在所述磁屏蔽筒的中心轴线上。以避免磁屏蔽筒内部聚磁效应，使测试点处所述长直导线产生的标准磁场源更精确。

102：将一高精度磁传感器置于所述磁屏蔽筒内，所述高精度磁传感器位于所述长直导线的上方或者下方，并且所述高精度磁传感器与所述长直导线具有一定垂直距离。所述高精度磁传感器与所述磁屏蔽筒的口部的水平距离为所述磁屏蔽筒长度的二分之一，因为在二分之一处的磁场是最标准的，如图4所示。

其中，应使的所述长直导线产生的磁场方向尽可能与所述高精度磁传感器敏感单元的X轴、Z轴或Y轴重合，使得产生的高频交变磁场更加的精准。

103：所述高精度磁传感器可实时检测所述长直导线产生的磁感应强度，并将所述磁信号转换为电信号，作为负反馈量反馈给信号源，如图1所示，这样就组成了负反馈，使磁屏蔽筒内的测试点具有稳定、精确的磁场源。

采用所述高精度磁传感器实时检测目的是为了使整个磁场产生装置是闭环系统，以便更为精确的控制长直导线中的电流。激励磁场的交变频率与信号源频率同步，激励磁场的幅值特性由毕奥-萨伐尔定律决定，带电线导线附近的磁场与电流关系，为整个磁屏蔽套筒内微元电流产生磁场的积分。

104：计算高精度磁传感器与所述长直导线的垂直距离。

所述计算高精度磁传感器与所述长直导线的垂直距离包括：

1041：所述信号源为所述长直导线提供已知的静态电流，此时，所述长直导线周围产生稳定的磁场；

1042：并且此时，所述高精度磁传感器可测出所述高精度磁传感器所在位置处的磁感应强度；

1043：由毕奥-萨伐尔定律计算得出所述垂直距离，事先可测量所述磁屏蔽套筒的长度，并且在步骤1041中，已经得知静态电流的具体数值，因此可求解出所述垂直距离，由此作为已知的垂直距离，当要产生高频磁场时，此时静态电流下求解的所述垂直距离就作为已知距离，带入相应的公式，下面将会具体说明，使产生激励磁场的理论值和实际值达到最小误差。

105：所述信号源为所述长直导线提供典型的周期信号，作为扫频源，目的是让激励磁场具有动态特性，正弦波、三角波、方波均可。

在一些可选的实施例中，所述信号源提供的周期信号可以为电压源或电流源的扫频信号，信号线经过限流电阻后导通。通过信号源设备可直接获得长直导线的电流和高精度磁传感器的输出电信号。

106：由毕奥-萨伐尔定律计算得出激励磁场源的场强、方向和频率。

下面结合具体公式和具体数值做进一步说明。

首先，建立如图3所示的坐标系，由毕奥-萨伐尔定律：

式1： $B=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I}{4\mathrm{\πr}}{\∫}_{{\mathrm{\θ}}_1}^{{\mathrm{\θ}}_2}\sin \mathrm{\θd\θ}=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I}{4\mathrm{\πr}}(\cos {\mathrm{\θ}}_1-\cos {\mathrm{\θ}}_2)$

式2： $\cos {\mathrm{\θ}}_1=\frac{x}{\sqrt{x^2+r^2}},\cos {\mathrm{\θ}}_2=-\frac{L-x}{\sqrt{{(L-x)}^2+r^2}}$

由式1和式2得到：

式3： $B=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I}{4\mathrm{\πr}}(\frac{x}{\sqrt{x^2+r^2}}+\frac{L-x}{\sqrt{{(L-x)}^2+r^2}})$

其中μ₀＝4π×10^-7N/A^-2，r表示高精度磁传感器到长直导线的垂直距离；θ₁、θ₂分别表示所述高精度磁传感器与所述磁屏蔽筒横截面中心轴之间的夹角；I表示长直导线的交变电流；x表示距离原点的位置；L表示磁屏蔽筒长度。

由此可得出，当电流I＝1A、所述磁屏蔽套筒的长度L＝0.5m、所述磁屏蔽套筒的半径D＝0.2m为定值时，B是r、x的函数，如图4。通过图4中的三维曲线得出磁场分布规律：高精度磁传感器置于磁屏蔽套筒中央且越靠近长直导的磁场强度越强，且不会随着长直导线的通电信号频率增加磁场强度减弱，即所述磁屏蔽套筒的中央且越靠近长直导线的磁场是最理想的标准磁场。

如图2位置时，通过测量确定L、r、x值后，结合式3即可求得所述长直导线电流与所述高精度磁传感器反馈的电信号之间的关系，最后建立信号源与高精度磁传感器反馈电信号的模型关系，使磁屏蔽筒内的测试点具有稳定、精确的磁场源。

所述信号源以典型的周期信号作为扫频源。由公式3得知当x已知、长直导线中的电流I已知，B与r是一次函数关系B=f(r)。最终可解得磁屏蔽筒内任意位置r处的磁场，此处的磁场能够随信号源的频率增高而增高，到达具有高频特性的标准磁场源。

在一些可选的实施例中，所述高精度磁传感器与所述长直导线的垂直距离小于所述磁屏蔽套筒直径的0.1倍，为了避免所述磁屏蔽套筒对其内部磁场的聚磁效应，使测试点处所述长直导线产生的标准磁场源更精确。

在一些可选的实施例中，所述磁屏蔽套筒是由坡莫合金、镍铁合金等具有高磁导率材料制成的多层封闭壳体嵌套而成，用于屏蔽地磁场及外界环境磁场的干扰。所述磁屏蔽套筒套筒长度为0.5米至1米最佳，产生的高频交变磁场更加标准。

本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。

Claims (7)

1.一种标准高频交变磁场的产生方法，其特征在于，该方法包括：

将一长直导线置于磁屏蔽筒的中心轴线上；

将一高精度磁传感器置于所述磁屏蔽筒内与所述长直导线具有一定垂直距离的位置处，所述高精度磁传感器与所述磁屏蔽筒的口部的水平距离为所述磁屏蔽套筒长度的二分之一；

所述高精度磁传感器实时检测所述长直导线产生的磁信号，并将所述磁信号转换为电信号，作为负反馈量反馈给信号源；

计算高精度磁传感器与所述长直导线的垂直距离；

所述信号源为所述长直导线提供典型的周期信号，周期信号为电压源或电流源的扫频信号；

由毕奥-萨伐尔定律计算得出激励磁场源的场强、方向和频率。

2.如权利要求1所述的一种标准高频交变磁场的产生方法，其特征在于，所述高精度磁传感器与所述长直导线的垂直距离小于所述磁屏蔽筒直径的0.1倍。

3.如权利要求2所述的一种标准高频交变磁场的产生方法，其特征在于，所述计算高精度磁传感器与所述长直导线的垂直距离包括：

所述信号源为所述长直导线提供已知的静态电流；

读出所述高精度磁传感器所在位置处的磁感应强度；

由毕奥-萨伐尔定律计算得出所述垂直距离。

4.如权利要求3所述的一种标准高频交变磁场的产生方法，其特征在于，还包括测量所述磁屏蔽筒的长度。

5.如权利要求4所述的一种标准高频交变磁场的产生方法，其特征在于，所述长直导线产生的磁场方向与所述高精度磁传感器的敏感轴向重合。

6.如权利要求1至5任一项所述的一种标准高频交变磁场的产生方法，其特征在于，所述磁屏蔽套筒为材料选用高磁导率的坡莫合金、镍铁合金制作而成的圆柱面的套筒。

7.如权利要求6所述的一种标准高频交变磁场的产生方法，其特征在于，所述磁屏蔽筒长度为0.5米至1米。