CN104635185A - 环形交流磁场传感器 - Google Patents

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许洪光
牛雪松
张霆廷
张钦宇
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Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
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Abstract

本发明提供了一种环形交流磁场传感器，该环形交流磁场传感器包括高频信号发生器、检波器、低通滤波器、放大器和探头，所述高频信号发生器与所述探头中的圆弧状非晶材料部件相连，且所述高频信号发生器为所述圆弧状非晶材料部件提供高频激励信号，所述探头、所述检波器、所述低通滤波器、所述放大器依次相连。本发明的有益效果是：本发明的环形交流磁场传感器可以测量给定半径和圆心位置的环形分布的交流磁场，实现对位于圆弧状非晶材料圆心处直线流动的交流电流的检测。

Description

环形交流磁场传感器
技术领域
本发明涉及弱磁场测量、交流磁场测量装置技术领域，尤其涉及环形交流磁场传感器。
背景技术
交流磁场传感器广泛应用于工业、测量和医学等领域，目前的应用中存在很多磁场测量手段和测量技术，常用的有霍尔效应、巨磁电阻效应、巨磁阻抗效应和超导量子干涉效应等多种类型的技术，产生了探测线圈传感器、巨磁电阻传感器、巨磁阻抗传感器、霍尔传感器、磁通门传感器和超导量子干涉仪等相关产品。
霍尔传感器可用于测量场强为Oe的磁场，其灵敏度较低；探测线圈传感器、巨磁电阻传感器、磁通门传感器可用于测量场强为Oe的磁场，其灵敏度一般；超导量子干涉仪可用于测量场强为Oe的磁场，其灵敏度很高但设备复杂价格昂贵。
采用巨磁阻抗效应的传感器与磁通门传感器、巨磁电阻传感器等其它传感技术相比，在机械、力学、化学和电磁性能上都有明显优势，测量场强为Oe的磁场时具有较高的灵敏度，尤其是具有微型尺寸和快速响应等优点，在此技术基础上已经研制成大量的新型基于磁场测量的传感器。
采用巨磁阻抗效应制作的磁场传感器，其主要工作原理是当非晶材料上施加高频激励电流信号时，通过非晶材料轴向的被测磁场信号使非晶材料两端的阻抗随被测磁场信号的变化而变化，使用相应电路形式把这种阻抗变化转变为其它信号形式，可以实现对磁场的测量。
非晶材料传感器具有空间磁场的分辨能力，当前运用此种材料制成的传感器都没有很好地利用这一特性。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种环形交流磁场传感器。
本发明提供了一种环形交流磁场传感器，包括高频信号发生器、检波器、低通滤波器、放大器和探头，所述高频信号发生器与所述探头中的圆弧状非晶材料部件相连，且所述高频信号发生器为所述圆弧状非晶材料部件提供高频激励信号，所述探头、所述检波器、所述低通滤波器、所述放大器依次相连。
作为本发明的进一步改进，所述探头包括圆弧状非晶材料部件、前置放大器、圆弧状高磁导率铁氧体材料制成的空心磁管，所述圆弧状非晶材料部件从所述空心磁管轴心穿过，并与所述前置放大器输入端相连，所述高频信号发生器与所述非晶材料部件相连，所述前置放大器输出端与所述检波器相连。
作为本发明的进一步改进，所述圆弧状非晶材料部件为Co基或Fe基具有巨磁阻抗效应的非晶态合金材料。
作为本发明的进一步改进，所述圆弧状非晶材料部件为非晶丝或非晶带。
本发明还可以检测直线流动的电流产生的环形磁场，直线流动的电流既可以是直导线中流动的电流，也可以是金属板中流动的电流。金属板中流动的电流可以由金属板上方的激励线圈通过的交流信号，在金属表面感应出交流电流。
本发明的有益效果是：本发明的环形交流磁场传感器可以测量给定半径和圆心位置的环形分布的交流磁场，实现对位于圆弧状非晶材料圆心处直线流动的交流电流的检测。
附图说明
图1是本发明的原理框图。
图2是本发明的探头原理框图。
图3是本发明的圆弧状非晶材料部件与空心磁管的结构示意图。
图4是是测量直导线电流产生的空间磁场时，本发明的圆弧状非晶材料部件、空心磁管与直导线相对位置示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明公开了一种环形交流磁场传感器，包括高频信号发生器1、检波器4、低通滤波器5、放大器6和探头10，所述高频信号发生器1与所述探头10中的圆弧状非晶材料部件2相连，且所述高频信号发生器1为所述圆弧状非晶材料部件2提供高频激励信号，所述探头10、所述检波器4、所述低通滤波器5、所述放大器6依次相连。
所述探头10包括圆弧状非晶材料部件2、前置放大器3、圆弧状高磁导率铁氧体材料制成的空心磁管9，所述圆弧状非晶材料部件2从所述空心磁管9轴心穿过，并与所述前置放大器3输入端相连，所述高频信号发生器1与所述非晶材料部件2相连，所述前置放大器3输出端与所述检波器4相连。
所述圆弧状非晶材料部件2为Co基或Fe基具有巨磁阻抗（GMI，Giant magneto-impedance）效应的非晶态合金材料。
或者，所述圆弧状非晶材料部件2也可以是非晶丝或非晶带。
所述空心磁管9：用于屏蔽其它方向的磁场，只有半径接近于磁管内径，且圆心位置与磁管圆心相同的环形分布磁力线能够通过磁管空心部分，其它方向的磁力线会沿着高磁导率空心磁管管壁传播。
所述圆弧状非晶材料部件2：在高频激励频率信号作用下，所述圆弧状非晶材料部件2两端的复阻抗随着通过其轴向分量的被检测交流磁场信号的变化而变化，在电路中所述圆弧状非晶材料部件2两端产生反映被检测交流磁场信号幅度变化的交流电压信号。
所述前置放大器3：用于对圆弧状非晶材料部件2输出的交流电压信号进行初步放大。
因为该圆弧状非晶材料部件2采用圆弧形状，只有半径和圆心位置与非晶材料圆弧相同的磁力线才能完整通过非晶材料轴心，从而获得最大的磁场检测灵敏度。
作为本发明一较佳实施例，空心磁管9采用圆弧状，且小于或等于四分之一圆周长。
所述检波器4：用于前置放大器3输出的交流电压信号检波，检波器4输出信号的平均幅度反映了通过非晶材料部件2环形交流磁场的强弱。
所述低通滤波器5：用于滤除检波器4输出信号的交流成份。
所述放大器6：用于对滤波器5输出信号的放大。
非晶材料部件2具有巨磁阻抗效应，对非晶材料部件施加高频激励电流，当环形分布交流磁场通过非晶材料部件2时会使其复阻抗发生变化，使电路中非晶材料部件2两端输出的交流电压幅度也随之变化，通过检波、滤波以及放大，本发明可以实现对环形分布交流磁场信号的测量。
为保证后续信号处理电路不影响非晶材料部件2的工作状态，以及对非晶材料部件2两端输出电压信号进行初步放大，非晶材料部件2两端的输出电压首先送入到前置放大器3。前置放大器3具有很高的输入阻抗和很低的输出阻抗，同时对输入信号进行初步放大。前置放大器3的输入是非晶材料部件2上的电压信号，前置放大器3输出端连接到检波器4的输入端。
前置放大器3输出的高频交流电压信号的幅度反映被测交流磁场信号的强弱，检波器4对高频交流信号进行检波，输出的低频交流信号就是被测交流磁场信号。
检波器4输出的信号中还混有部分高频交流信号，低通滤波器将检波器输出信号中的纹波（高频部分）滤波，将高频信号进一步衰减。
放大器5对滤波器输出信号的幅度进行放大，达到检测转置要求的工作电压。
本发明的工作原理是：圆弧状非晶材料部件2及空心磁管9构成环状交流磁场检测的探头10，探头10置于被检测交流磁场空间中，高频信号发生器1提供非晶材料部件2驱动。当被测环形分布交流磁场作用于非晶材料部件2时，非晶材料部件2的阻抗发生变化，进而使非晶材料部件2两端的交流电压幅度随外部交流磁场信号的变化而变化，达到检测交流磁场信号的目的。
探头10中的非晶材料弯曲成圆弧状，只有与非晶材料部件2的圆弧半径和圆心位置相同的磁力线才能通过非晶材料部件2轴向，与非晶材料部件半径或圆心位置不同的磁力线会与磁管相交，只有一少部分磁力线与非晶材料相交，其它方向的磁力线会沿着高磁导率空心磁管管壁传播，其余磁力线从空心磁管9的管体部分通过，从而实现了环状分布的、通过非晶材料部件2轴向方向的交流磁场测量。
测量流经直导线11的电流产生的空间磁场：当被测直导线11位于非晶材料部件2圆弧的圆心时，直导线11产生的、与非晶材料部件2半径相同磁力线会通过非晶材料部件2的轴向，在非晶材料两端产生与磁场强度成比例的交流电压；与圆弧状非晶材料部件2半径不同的或不在非晶材料部件2圆心的磁力线将会偏转到空心磁管9的管体，不会从非晶材料中通过，从而实现了对流经直导线11电流产生的磁场进行高空间分辨率测量，图中电流方向垂直于纸面，方向为流出纸面。
本发明的环形交流磁场传感器的有益效果是可以测量给定半径的、环形分布的交流磁场，具有检测流经直导线或金属平面电流产生的空间磁场功能，具体为：
1. 能够测量给定半径和圆心位置的、环形分布的交流磁场，可以实现对位于圆弧状非晶材料圆心处直线流动的交流电流的检测，通过传感器在金属平面导体上方做平面移动可以测量金属平面的空间磁场分布。
2. 使用检波器4将非晶材料部件2输出的高频交流信号的幅度解调出来，电路结构简单，提高了系统的性价比。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种环形交流磁场传感器，其特征在于：包括高频信号发生器（1）、检波器（4）、低通滤波器（5）、放大器（6）和探头（10），所述高频信号发生器（1）与所述探头（10）中的圆弧状非晶材料部件（2）相连，且所述高频信号发生器（1）为所述圆弧状非晶材料部件（2）提供高频激励信号，所述探头（10）、所述检波器（4）、所述低通滤波器（5）、所述放大器（6）依次相连。
2.根据权利要求1所述的环形交流磁场传感器，其特征在于：所述探头（10）包括圆弧状非晶材料部件（2）、前置放大器（3）、圆弧状高磁导率铁氧体材料制成的空心磁管（9），所述圆弧状非晶材料部件（2）从所述空心磁管（9）轴心穿过，并与所述前置放大器（3）输入端相连，所述高频信号发生器（1）与所述非晶材料部件（2）相连，所述前置放大器（3）输出端与所述检波器（4）相连。
3.根据权利要求1所述的环形交流磁场传感器，其特征在于：所述圆弧状非晶材料部件（2）为Co基或Fe基具有巨磁阻抗效应的非晶态合金材料。
4.根据权利要求1所述的环形交流磁场传感器，其特征在于：所述圆弧状非晶材料部件（2）为非晶丝或非晶带。
5.根据权利要求1所述的环形交流磁场传感器，其特征在于：传感器可以检测直线流动的电流产生的环形磁场，直线流动的电流既可以是直导线中流动的电流，也可以是金属板中流动的电流；金属板中流动的电流可以由金属板上方的激励线圈通过的交流信号，在金属表面感应出交流电流。
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