CN104854469B - 磁性检测装置 - Google Patents

Abstract

提供用于改进磁振荡传感器和磁性检测装置的技术以使得可以利用磁振荡传感器的特性的全部优点。构造振荡同步信号网络，其中，用于多个磁振荡传感器的运算放大器电路(8,17,26)经由电连接器(1,2,3)连接以统一磁振荡传感器的振荡频率，从流经上述振荡同步信号网络的振荡同步信号获得的所产生的励磁电流以及从上述运算放大器电路(8,17,26)输出的励磁电流用于强制性地以统一的磁振荡频率励磁磁性感测部件(4,13,22)中的芯(6,15,24)。

Description

磁性检测装置

技术领域

本发明涉及用于测量火车和汽车所生成的以及存在于火车和汽车内外的泄漏磁场的磁振荡传感器和用于检测磁性的设备，以及更具体地涉及能够测量DC磁场以及具有最大约100kHz的频率的AC磁场的用于检测磁性的设备。

此外，本发明涉及要装配在以IEC61786标准或JIS-C1910标准定义的磁通门型磁性检测器(即，“用于通过包括由铁磁材料制成的磁芯的探针或传感器的非线性磁特性来检测磁场的检测器”)中的用于检测磁性的设备。

背景技术

作为用于检测火车或汽车内和/或外存在的泄漏磁场的磁传感器，主要使用通过电磁感应操作的探察线圈型磁传感器。然而，包括线圈的磁传感器伴随着理论上的问题，即它不能检测DC磁场。

已经实际上用于检测磁性的磁通门型设备不仅能够检测DC磁场，而且能够检测AC磁场。然而，可检测AC磁场的频率的有效范围仅为最大几kHz。尚未存在完善的磁通门型磁性检测设备，其不仅能够检测DC磁场，还能检测具有最大约100kHz的频率的AC磁场。这是因为将在DC磁场至具有大约100kHz的频率且与DC磁场具有相同磁场强度的AC磁场的范围中的磁场转换成具有恒定强度的电信号是非常困难的，并且此外，保证这样做的性能也是非常困难的。

在这些年中，制造了许多从其生成强泄漏磁场的火车，并且担心泄漏磁场对人和/或磁存储介质施加有害的影响，因此，日本工业标准研究委员会制定了“铁路车辆-泄漏磁场的测量方法(JIS E 4018)”。

该方法定义了要测量的对象、以及要进行测量所处的条件。对象包括在火车内部和外部存在的泄漏磁场(磁通密度)以及生成磁场的装置。条件根据火车的状态来定义。例如，当火车运行时，火车中和生成磁场的装置附近的泄漏磁场应该以最大电流运行通过装置所处的火车的速度范围来测量。由于具有约1至约2mT的范围的磁通密度的DC磁场在火车开始运行时被测量，因而大多使用包括霍尔元件的测量装置。

具体地，通过具有约±5％的精度的测量装置来测量磁场的X分量、Y分量和Z分量，所测量的分量根据等式(1)来合成，并且利用合成的分量来表示磁通密度。在记录测量结果时，以合成密度和每个轴的分量的形式来记录磁通密度。

B＝(B_x ²+B_y ²+B_z ²)^1/2 (1)

在磁场的测量中，基本上同时地测量X分量、Y分量和Z分量。由于传统的测量装置是显示有效值或波高值的广泛使用的装置，因而不能保证用于完成波形和宽带频率特性的即时测量的性能，因此，基于与X轴、Y轴和Z轴相关联的有效值、或者波高值，根据等式(1)来计算AC磁场的测量时的合成值。结果，由于在X分量、Y分量和Z分量之间的数据同时性和相位关系被忽视的情况下计算合成磁场的最大值，由此所计算的值与要利用X、Y、Z轴的瞬时值计算的真实的总磁力(磁场矢量的强度或绝对值)不一致。

这是因为所显示的有效值或波高值没有考虑表示X分量、Y分量和Z分量之间的相位关系的数据。例如，基于所显示的波高值计算的磁场的强度(磁场矢量的强度)除了特殊情况以外总是大于基于在X分量、Y分量和Z分量被同时测量时获得的数据所计算的真实的总磁力，并具有等于或大于若干10％的误差，其显著地超过测量装置的所允许的±5％的精度。结果，基于所显示的波高值计算的磁场的合成值伴随这以下问题：其由于忽略相位关系所导致的误差而与磁场矢量的真实强度显著不同。

从另一观点，用于基于所显示的有效值或波高值来测量磁场的传统的测量装置是忽视磁场的波形的失真和/或相位关系并测量关于时间的平均值作为磁场的强度的装置，并且不保证对具有高频率分量的磁场的瞬时响应性能和精确再现测量磁场的波形的特性。

从汽车和火车生成的磁场的频带广泛地覆盖在DC磁场至逆变频率的范围中的磁场和由开关导致的高频噪声磁场。为了利用FFT(快速傅里叶变换)分析这些磁场，需要使用用于测量磁场的宽带型装置作为能够利用恒定检测灵敏度测量磁场的实际装置，磁场不仅包括诸如DC磁场、可变磁场和针对商业频率的磁场的低频带，还包括约100kHz的高频带。

此外，用于测量磁场的宽带型装置需要具有非常宽的动态范围，具体而言，需要能够测量从几mT的强磁场至几百nT至几十nT的范围的弱磁场的范围的磁场，这恐怕会对人体施加有害影响。

磁传感器中用于检测磁性的系统根据用于测量磁性的理论包括适于测量从DC磁场至几Hz的DC可变磁场的系统、适于测量从DC磁场至几百Hz的DC可变磁场的系统、仅能够测量在几Hz至几十kHz的范围中的AC磁场的系统、仅能够测量弱磁场的系统、以及仅能够测量强磁场的系统等。

例如，霍尔元件型磁传感器具有约几十μT的实际有效精度，并且因此适于测量强磁场，因为当约1至约2mT的范围的强磁场被测量时，约几十μT的小磁场可以作为误差被忽略。然而，当测量几μT或更小的恐怕对人体施加有害影响的弱泄漏磁场时，误差大于信号，因此，表示弱磁场的信号与噪声混合，由此不能被发现。由此，霍尔元件型磁传感器具有优点和缺点。

由此，作为对上述问题的解决方案之一，发明了一种技术，其中，包括DC磁场的低频带和高频带分别通过两种类型的磁传感器来测量。

具体地，名称为“An apparatus for and a method of measuring a magneticfield in railway rolling stock(用于测量铁路车辆中的磁场的设备和方法)”的专利文献1公开了一种复合型磁传感器，包括磁振荡传感器和探察线圈型磁传感器的组合，两者补充相互的缺点，以由此能够测量宽带磁场。在此，磁振荡传感器属于通过具有铁磁芯的探针或感测部件的非线性磁特性来测量磁场的磁通门(IEC 61786标准的定义)。

更具体地，复合型磁传感器包括善于检测具有几十Hz以上的频率的AC磁场的探察线圈型传感器作为第一三轴磁传感器，以及适于测量DC磁场或可变磁场的磁振荡传感器作为第二三轴磁传感器。通过组合这两种类型的磁性检测系统的强项，复合型磁传感器没有不能被其自身测量的对象。

第一和第二三轴磁传感器中的每一个被设计为包括具有磁性检测轴(磁性感测部件感测到最大磁性的方向)的磁性感测部件。三个磁性检测轴被配置为相互垂直以使得可以通过将外部磁场分成X分量、Y分量和Z分量来检测外部磁场。

图7示出了在专利文献1中公开的磁传感器的实施例，其具有基本构造，其中每个磁性感测部件容纳在传感器外壳中并与传感器外壳集成。

第一三轴磁传感器51包括仅用于测量AC磁场的磁性传感器。该磁性传感器包括相互垂直的三个探察线圈。由配置在X、Y和Z轴中的探察线圈检测的磁场信号(感应电压)经由传感器线缆53被传输至主测量单元，在信号电路中被处理，并且之后输出。

第二三轴磁振荡传感器52包括用于测量DC磁场和低频磁场的磁振荡传感器。该磁振荡传感器包括具有三个芯线圈的磁性传感器，三个芯线圈各自包括由铁磁材料制成的磁芯。芯线圈的磁性检测轴沿着X、Y和Z轴配置以使得它们相互垂直。

图8示出了作为用于测量三个轴中的磁场的装置的磁振荡传感器的基本电路。在图8中，100表示X轴电路部件，104表示用于X轴的磁性感测部件，200表示Y轴电路部件，204表示用于Y轴的磁性感测部件，300表示Z轴电路部件，以及304表示用于Z轴的磁性感测部件。由于用于三个轴的电路具有相互相同的结构，以下说明X轴电路部件。

磁振荡传感器具有多谐振动器的变形电路。具体地，多谐振动器的变形电路被改造为能够通过以下方式振荡：将电容器端子之间的电压的波动(即振荡时电压波动的重复)替代为在AC电流流经其中时具有非线性特性的芯线圈的端子之间的电压的特定波动的现象。

由于多谐振动器电路中的振荡通过磁性材料的非线性励磁特性来生成，因而振荡电路被称为“磁振荡电路”，以及应用磁振荡现象的磁传感器被称为“磁振荡传感器”或“磁振荡型磁传感器”。

流经磁振荡电路的振荡电流通过芯线圈105，以及因此在正或负方向上交替地使芯106励磁以使芯106磁性地饱和。

因此，振荡电流也被称为“励磁电流”。

在X轴电路中的磁振荡传感器包括磁性传感器104、运算放大器108、以及电连接至运算放大器108的电阻器107、109和110，该磁性传感器104包括包含芯106(作为磁芯)的芯线圈105。芯线圈105包括电连接至运算放大器108的非反相输入端子的端子P20，并且在另一端接地。附图标记111表示低通滤波器，其具有衰减磁性检测信号中包括的磁振荡频率分量的主要功能。附图标记112表示放大电路，其根据由磁性传感器检测的外部磁场的强度来控制电压的幅度，并经由端子Q10输出由此控制的电压。

如果仅由振荡电流生成的励磁磁场被施加至芯106，则芯106要在正方向上磁性饱和所需的励磁时间等于芯106要在负方向上磁性饱和所需的励磁时间，这是由于磁性材料的磁化特性(B-H曲线)关于原点的对称性。

从另一观点，由于芯106开始其动作的原点是B-H曲线的坐标轴的原点，因而芯106要在正和负方向上磁性饱和所需的正和负励磁时间相互相等，由此，时间差等于零。因此，在运算放大器108中具有矩形波形的输出电压的积分等于零。

然而，如果外部磁场在上述条件下被施加至芯106，则外部磁场与励磁磁场重叠。结果，动作点以由外部磁场的强度定义的程度从B-H曲线的坐标轴的原点(其是芯开始其动作的原点)移动，因此导致了芯被正或负磁性饱和所处的时刻的间隔。具体地，芯中的正半周期持续时间和负半周期持续时间之间的比(被称为“占空比”)由于外部磁场而变化，由此，来自运算放大器108的输出电压的积分也因此变化。

换句话说，外部磁场由磁振荡传感器检测为来自运算放大器108的输出电压的积分的波动。

磁振荡传感器的振荡频率最初通过改变电连接至运算放大器108的输出端子的电阻器109和110之间的部分电压比来调整(在装运时调整)。

然而，上述的这种电路结构伴随着以下问题。

第一个问题是：如果导致了多个磁振荡传感器的振荡频率的差异，则生成具有拍频的信号(在具有相互稍微不同的频率的两个波重叠时生成的“拍”频)。

换句话说，具有拍频分量并且在外部磁场中不存在的信号与作为噪声的检测信号重叠。从磁振荡传感器所发送的磁性检测信号识别拍频分量非常困难，导致以下问题：具有拍频分量的磁场不得不被识别为外部磁场。此外，如果这种现象发生，则从磁振荡传感器发送的输出将根据干扰磁场的强度包含甚至在约几十nT至约几千nT的范围的DC电平的波动误差，导致不能精确地测量环境磁场或者不能在强场中测量磁场。

磁振荡传感器在处于强磁场的情况下具有以下趋势：磁振荡频率在磁场被测量的同时降低，因此，拍现象容易由于频率的波动而发生，这是严重的缺陷，其抵消了磁振荡传感器关于其性能的各种优点。由此，需要快速地解决该问题。

第二个问题是：干扰磁场被测量的精度由于在三轴磁振荡传感器中的芯线圈之间生成的电磁噪声或在相邻的探察线圈型磁传感器中生成的电磁噪声而降低。

为了解决该问题，当配置在传感器外壳中时，需要将三个轴中的磁性感测部件和电路部件相互分离，或者将磁传感器中的磁性感测部件相互分隔。具体地，磁振荡传感器被随机设置为在它们之间具有足够的空间，芯线圈或探察线圈被随机设置为在它们之间具有足够的空间，和/或容纳传感器的传感器外壳被设计为足够大以在其中容纳磁传感器。

然而，由于在上述解决方案中，在传感器的每个位置处测量磁场，因而新导致的问题是，由于测量磁场的点随机存在，因此测量磁场的精度下降，并且测量误差增大。

如果磁场是均匀的平行磁场，在磁场的测量时不考虑磁传感器的随机位置是没有问题的。然而，在测量由于火车或汽车内部或外部的磁场的强度的急剧的干扰而局部变形的磁场时，磁强度可能根据磁传感器的随机位置而相互之间非常不同，导致了以下严重的问题：由于磁传感器的磁性感测部件的位置间隙而不可避免地导致测量误差，并且因此，所测量的磁场强度不可靠。

现有技术参考

专利文献

专利文献1：日本专利申请公开No.2005-69829

发明内容

发明要解决的问题

考虑将励磁电流供给至装配在磁性感测部件中的芯线圈的过程，通过由铁磁材料制成的磁芯的非线性磁特性来测量磁场的磁通门型磁传感器被分组成磁化系统和自励磁系统。

前述磁化系统是外部励磁系统，其中，从都独立地与芯线圈分离的外部振荡电路或外部AC电源供给励磁电流。该系统在1939年公布，并且现在广泛地用作磁通门型磁传感器中的基本励磁系统。由于包括该系统的磁通门型磁传感器不仅能够有效地测量DC磁场，还能测量具有几kHz的频率的AC磁场，磁通门型磁传感器广泛地用于测量低频带中的弱磁场。

外部励磁系统必须从外部电源接收励磁电流。当具有几千μT以上的强度的外部强场要被测量时，具有比几千μT大几倍的强度的励磁电流需要被供给至磁传感器作为具有均匀强度的AC电流，此外，对磁传感器的芯进行励磁的励磁电流的电力需要增大。

相反，当弱磁场被测量时，使芯磁性饱和的励磁电流可能很小。然而，为了测量弱磁场和具有几千μT的强度的强场两者，磁传感器需要保持过励磁，以用于测量作为最大磁场的强场。为此，需要白费力地将具有比几千μT大几倍的强度的励磁电流供给至磁性感测部件。

由此，需要解决困难的技术问题，诸如磁性感测部件的重新构造、异常加热线圈的对策、以及用于稳定励磁电流的对策，所有这些在测量弱磁场时都不是问题。

不存在满足性能的商业可用的磁传感器，对上述问题的解决方案保持未被解决。

相反，后述的自励磁磁通门型磁传感器被称为磁振荡传感器。用于磁振荡传感器的最简单的电路包括可变多谐振动器，可变多谐振动器通过以下重新构造：将在包括运算放大器的非稳定多谐振动器的振荡电路中在电容器端子处电压的波动所生成的振荡替换为通过芯线圈的非线性磁特性而变化的电压的波动。

由于芯线圈本身用作上述磁传感器中振荡电路的一部分，因而流经振荡电路的振荡电流自然地流经芯线圈作为励磁电流。在该系统中，由于流经振荡电路的振荡电流用作励磁电流以磁化芯线圈，因而不再需要使用外部AC电源用于励磁。可以说，该系统是独立的自励磁系统。

在磁振荡传感器中，作为用于磁振荡的励磁电流分量的AC分量以及与干扰磁场的强度成比例的分量流经芯线圈。由于流经磁振荡传感器的芯线圈的励磁电流的积分与外部磁场的强度成比例，因而磁振荡传感器没有浪费励磁电流，并且可以高效率地节省能量，不像诸如励磁磁通门型磁传感器的励磁系统一样，在励磁磁通门型磁传感器中，必须始终生成具有比测量极限大的强度的磁化磁场。

本发明的目标是改进磁性检测设备，其能够最大程度地完成磁振荡传感器的上述性能以使得可以根据国际标准IEC/TS62597(关于火车内外的泄漏磁场的测量的国际标准)来测量不仅包括DC磁场还包括AC磁场的磁场。

具体地，要由本发明完成的第一目标是最小化测量磁场的点处的位置间隙。

要由本发明完成的第二目标是建立用于防止由于磁振荡传感器之间振荡频率的差异而生成的拍现象的发生的技术。

问题的解决方案

为了解决上述问题，在本发明的第一方面，提供一种磁振荡传感器包括：包括芯线圈的磁性传感器，该芯线圈包括由磁性材料制成的芯和围绕芯缠绕的线圈；以及运算放大器电路，其使得AC励磁电流流经线圈以根据施加至芯的磁场的强度生成输出，其特征在于空芯线圈，其中，空芯线圈位于磁性传感器的芯线圈的附近，其特征还在于电流被供给至空芯线圈，其中，利用所述电流生成与由于流经芯线圈的励磁电流生成的泄漏磁场的强度相同的强度的磁场，所述磁场还具有与泄漏磁场的方向相反的方向。

重要的是，最小化在测量磁场的点处的位置间隙，以提高测量磁场的精度。为了提高精度，需要将磁性传感器的芯线圈传感器相互靠近放置以将它们容纳在小尺寸的传感器外壳中。为此，需要尽可能地避免磁性传感器的芯线圈之间的电磁感应以尽可能地抑制感应噪声。

在本发明的第一方面，改造了一种系统，其中，为了减少施加至相邻轴的芯线圈上的影响以尽可能地抑制感应噪声，励磁电流不仅被供给至测量磁场的磁性传感器的芯线圈，还被供给至空芯线圈，以使得空芯线圈生成以下磁场：该磁场具有与泄漏磁场的强度相同的强度并且还具有与泄漏磁场的方向相反的方向以用于抵消泄漏磁场。

由于该系统可以最小化泄漏磁场从磁性传感器泄漏出所进入的空间，因而系统在仅通过磁振荡传感器测量磁场时是有用的，确保在相邻的电子装置和电路中生成的感应噪声可能被抑制。

在本发明的第二方面，提供一种磁性检测装置，包括多个磁振荡传感器，磁振荡传感器各自包括磁性传感器以及多谐振动器，磁性传感器具有芯线圈，该芯线圈包括由磁性材料制成的芯和围绕芯缠绕的线圈，多谐振动器包括芯线圈的线圈、电路元件和运算放大器电路，其特征在于，重新构造一种振荡同步信号电路网络，其中，磁振荡传感器中的运算放大器电路经由电连接器相互电连接以统一磁振荡传感器的振荡频率，磁性传感器的芯中的每一个强制性地通过合成励磁电流以统一的磁振荡频率被励磁，该合成励磁电流包括流经振荡同步信号电路网络的振荡同步信号和从运算放大器电路输出的励磁电流。

在本发明的第二方面，构造一种电路以共享多个磁振荡传感器的磁振荡频率分量。为了使芯中的每一个以由电路的共享数据统一的公共磁振荡频率励磁，运算放大器电路相互电连接以构造振荡同步信号电路网络。通过流经电路网络的振荡同步信号来避免拍现象。

在本发明的第三方面，在本发明的第二方面中所述的振荡同步信号电路网络中，磁振荡传感器中的运算放大器电路的输出端子经由无源或有源元件以环连接。

在本发明的第三方面，运算放大器电路的输出端子经由无源或有源元件连接以限定环型振荡同步信号电路网络。磁性传感器的芯中的每一个强制性地通过合成励磁电流以统一的磁振荡频率被励磁，该合成励磁电流包括流经振荡同步信号电路网络的振荡同步信号和从运算放大器电路输出的励磁电流。

在本发明的第四方面，在本发明的第二方面中所述的振荡同步信号电路网络中，磁振荡传感器中的运算放大器电路的输出端子经由无源或无源元件以星形连接。

在本发明的第四方面，运算放大器电路的输出端子经由无源或有源元件连接以限定星型振荡同步信号电路网络。磁性传感器的芯中的每一个强制性地通过合成励磁电流以统一的磁振荡频率被励磁，该合成励磁电流包括流经振荡同步信号电路网络的振荡同步信号和从运算放大器电路输出的励磁电流。

本发明的第五方面的特征在于，在本发明的第二方面，发送具有与上述统一磁振荡频率的频率相同的频率的电信号的外部信号发送电路经由电连接器电连接至运算放大器电路以构造具有固定的统一磁振荡频率的振荡同步信号电路网络。

在本发明的第五方面，发送具有与上述统一磁振荡频率的频率相同的频率的电信号的外部信号发送电路经由电连接器电连接至运算放大器电路以构造具有统一磁振荡频率的振荡同步信号电路网络。磁性传感器的芯中的每一个强制性地通过合成励磁电流以统一的磁振荡频率被励磁，该合成励磁电流包括流经振荡同步信号电路网络的振荡同步信号和从运算放大器电路输出的励磁电流。

本发明的第六方面的特征在于，在本发明的第二至第五方面的每一个中，磁振荡传感器中的每一个被设计为包括在第一方面中所述的空芯线圈。

通过将包括空芯线圈的磁振荡传感器应用至本发明的第二至第五方面中的每一个，可以防止从磁振荡传感器中每一个的芯线圈泄漏的泄漏磁场对其他磁振荡传感器进行的检测施加有害的影响，确保测量磁场的精度的提高。

本发明所提供的优点

本发明涉及在国际标准IEC/TS62597下对传统的磁振荡传感器施加的改进。本发明的最大的优点是所施加的磁场可以由流经芯线圈的电流抵消，只要维持正常的振荡条件即可，因此，可以测量具有几千μT以上的强度的磁场、以及在从DC磁场至具有约100kHz的频率的AC磁场的范围内的磁场。

要测量的磁场的强度的下限通过噪声水平的降低下降至几nT，要测量的磁场的强度的动态范围处于具有几mT的强度的强场至具有几nT以下的强度的弱磁场的范围。可以测量宽范围的磁场。

此外，可以通过单个磁性检测系统(具体地，磁振荡感测系统)测量从DC磁场至具有约几百kHz的频率的AC磁场的宽范围频率的磁场，而不将多个磁性检测系统分别应用至测量范围。该性能比具有约5kHz的最大频率的传统的磁通门型磁传感器的性能大约20倍。

由于磁振荡传感器是能量节省型磁传感器，其中，用于磁化芯的励磁电流与外部磁场的强度成比例，因而其适用于在多个测量点同时测量可变磁场的强度分布。

如上所述，根据本发明的磁性检测装置提供足够的性能，如用于测量火车或汽车中的磁场的磁传感器那样。另外，根据本发明的磁性检测装置被期望作为有用的高性能磁传感器之一广泛地用在其他技术领域的学习和研究中，工业领域中，和/或从供电线生成的磁场或环境磁场的测量中。

附图说明

图1示出了根据本发明实施例的磁振荡传感器的磁性感测部件的周围环境。图1(a)是电路图，以及图1(b)用于说明泄漏磁场。

图2示出了传统的磁振荡传感器的磁性感测部件的周围环境。图2(a)是电路图，以及图2(b)用于说明泄漏磁场。

图3是根据本发明实施例的磁振荡传感器的磁性感测部件的周围环境的电路图。

图4是根据本发明第一实施例的磁性检测装置的电路图。

图5是根据本发明第二实施例的磁性检测装置的电路图。

图6是根据本发明第三实施例的磁性检测装置的电路图。

图7用于说明在专利文献1中公开的磁传感器。

图8是用于测量磁场的三轴装置的电路图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明根据本发明的优选实施例。

图1示出了根据本发明实施例的磁振荡传感器的磁性感测部件的周围环境，以及图2示出了传统的磁振荡传感器的磁性感测部件的周围环境。

如图2(a)或图8所示，在传统的磁振荡传感器中，励磁电流从端子P10经由诸如电阻的无源元件107供给至配置在磁性感测部件的芯106周围的芯线圈105，之后，通过运算放大器108检测端子P20处的电压的波动，以由此检测外部磁场的强度。在磁振荡传感器中，当励磁电流流经芯线圈105时，在芯线圈周围生成泄漏磁场，如图2(a)所示。图2(b)所示的箭头示出在芯线圈105中生成的磁场的极性的方向。

在仅使用芯线圈105的情况下，从芯线圈105泄漏的励磁磁场围绕线圈传播。因此，空间中存在的电子装置、通信装置和电子电路自然地被感应噪声影响。

为了保护它们以免受感应噪声的影响，需要移动它们远离磁性感测部件，或减小感应噪声存在的空间的大小。

前一解决方案不能用于磁场测量装置中，因为进行测量的精度降低。

在后一减小噪声空间的大小的解决方案中，在磁性材料周围存在磁屏蔽。然而，如果磁屏蔽位于磁性感测部件的附近，则不能精确地测量外部磁场，因为外部磁场被磁屏蔽影响。最后，用于屏蔽泄漏磁场的唯一解决方案是在相反方向上施加与励磁磁场相同的磁场以由此抵消泄漏磁场。

为了解决该问题，根据本发明实施例的磁振荡传感器被设计为使用空芯线圈70来代替图2所示的无源元件107，如图1(a)所示。空芯线圈70可能地靠近芯线圈5放置以生成反向的磁场。图1(b)示出通过空芯线圈70来抵消泄漏磁场的思想。可以理解，在图1(b)中，电子装置被感应噪声影响的噪声空间的大小减小。图1所示的箭头示出在芯线圈5和空芯线圈70中生成的磁场的极性的方向。

图3示出单个磁振荡传感器的电路的实施例，其能够防止在外部振荡同步信号施加至外部强场时可能生成的振荡频率的波动。所示出的电路是多个磁振荡传感器中的外部同步型磁振荡传感器的基本电路。

“A”表示用于发送外部信号的电路。该电路在外部新添加至磁振荡传感器电路。外部信号发送电路A被设计为具有磁振荡传感器使振荡最稳定的频率。该频率的分量作为振荡同步信号从输出端子PA经由端子P1发送至磁性感测部件。

通过包括振荡同步信号和从运算放大器电路发送的励磁电流的合成励磁电流，由与振荡同步信号同步的稳定励磁电流来励磁在磁性感测部件4中的芯线圈5中配置的芯6。

连接器B包括电无源或有源元件。

P13表示包括电阻或线圈的无源元件，并且被设计为具有最佳的阻抗以使得甚至在电路短路的情况下磁振荡也稳定地继续。

根据实施例，通过将空芯线圈70放置在芯线圈5的附近，有可能减小从磁性感测部件4泄漏的泄漏磁场存在的空间的大小。由此，本实施例在仅通过磁振荡传感器测量磁场时是有效的，确保可以防止感应噪声影响邻近的电子装置或电路。

图4是根据本发明第一实施例的用于测量磁场的三轴装置的电路图。所示出的装置包括三个磁振荡传感器，作为包括多个磁振荡传感器的装置的典型示例。

作为包括多个磁振荡传感器的电路的另一示例，在单个磁振荡传感器位于多个测量点的多点同时测量可以被解释为下述的装置的变形，因此为了避免复杂不再进行说明。

在通过具有各自的灵敏轴的磁传感器测量外部磁场的情况下，通常选择将其总磁力分离成矢量中的X分量、Y分量和Z分量并单独地测量每个正交分量的过程。

用于测量磁场的三轴装置具有包括各自相互分离的X轴电路部分1000、Y轴电路部分2000、和Z轴电路部分3000的组合的电路。

磁振荡传感器具有方向。磁振荡传感器对磁场最敏感的轴方向被称为磁场检测轴。作为示例，包括笔直线状芯和在与芯的纵轴垂直的方向上围绕芯缠绕的芯线圈5、14或23的磁性感测部件具有与芯6、15或24的纵轴平行延伸的磁场检测轴。

在根据本实施例的用于测量磁场的三轴装置中，磁振荡传感器的磁性感测部件4、13和22被容纳在传感器外壳中以使得其磁场检测轴通过轻微调整芯6、15和24在其轴方向上的角度而相互垂直。

为了以高精度测量磁场，必须防止拍现象发生。为此，需要统一磁振荡传感器的磁振荡频率，并利用具有由此统一的频率的励磁电流来磁化磁性感测部件的芯6、15和24。

本发明中最重要的技术是多个磁振荡传感器中的运算放大器电路经由电连接器电连接以构造振荡同步信号电路网络作为用于统一频率以避免拍现象的构件，并且磁性感测部件的芯6、15和24通过合成励磁电流被具有统一频率的励磁电流励磁，其中该合成励磁电流包括流经振荡同步信号电路网络的振荡同步信号和从运算放大器电路输出的励磁电流的组合。

具体地，运算放大电路8、17和26的输出端子P3、P6和P9分别经由无源元件P13、P46和P79电连接至输出端子P1、P4和P7。端子P1和P9经由电连接器1相互电连接，端子P3和P4经由电连接器2相互电连接，以及端子P6和P7经由电连接器3相互电连接，以构造环型振荡同步信号电路网络，以使得它们可以共享具有统一磁振荡频率的信号。由此，磁性感测部件的芯6、15和24可以通过合成励磁电流来励磁，其中该合成励磁电流包括从运算放大器电路输出的励磁电流和具有统一磁振荡频率的振荡同步信号的组合。

电连接器1、2和3中的每一个包括电无源或有源元件。

例如，具有最简单结构的无源元件是包括单个电阻器的连接器。作为替换，无源元件可以包括电阻、电容器和/或线圈等。电连接器可以包括添加了放大功率的功能的电路。

在由附图标记7、16和25以及P13、P46和P79表示的元件中的每一个包括无源元件的情况下，可以使用电阻或线圈。其阻抗在短路的情况下可以是0欧姆，即在根据振荡电路的电路常数或构造而不需要使用无源元件的情况下。

由此，说明书中的术语“运算放大器电路的输出端子”不仅包括端子P3、P6和P9，还包括输出端子P1、P4和P7，与无源元件P13、P46和P79的阻抗无关。

运算放大器电路8、17和26中的每一个包括放大电路，并且可以被设计为附加地具有放大电力的功能(如果必要的话)，该放大电路包括作为主要部件的运算放大器。

运算放大器电路8、17和26的输出端子P3、P6和P9处的输出电压分别被电阻器9和10、电阻器18和19、以及电阻器27和28分割。电阻器10、19和28的端子电压被输入至运算放大器电路的反向端子。由于磁振荡频率由电阻器9和10之间的分压比、电阻器18和19之间的分压比、以及电阻器27和28之间的分压比来限定，因此分压比被设计为能够通过具有可变电阻的微调器来轻微改变。

附图标记11、20和29中的每一个表示滤波电路，其具有防止不被测量的不必要的频率分量和/或不必要的磁振荡频率分量包括在经由输出端子Q1、Q2和Q3的输出电压中的功能。

附图标记12、21和30中的每一个表示用于为了校准的目的而控制放大的放大电路。为了使测量的磁场强度可靠，需要使测量的强度与满足国家标准的强度一致。在校准中，使用了相对于国家标准具有可追溯性的标准磁场发生器。磁性感测部件位于由标准磁场发生器生成的磁场中以控制放大电路12、21和30的放大。

第一实施例的特征在于，即使由于三轴磁性感测装置中电路部件的温度波动和/或施加至磁振荡传感器的外部干扰磁场而生成了振荡频率的波动，拍现象也不会发生，因为磁振荡传感器的所有振荡频率都一起改变。

图5示出根据本发明的第二实施例。具体地，图5示出了具有针对泄漏磁场的对策的用于三轴磁感测装置的电路的示例。该电路包括空芯线圈以抵消从磁性感测部件的芯线圈泄漏和辐射的泄漏磁场。电路抵消从芯线圈辐射的泄漏磁场以防止电磁噪声所导致的有害影响施加在邻近装置上。用于抑制对邻近装置的电磁噪声的对策甚至在单个磁振荡传感器中也是有用的。

通过将在图4所示的第一实施例中的电阻器7、16和25分别替换为图5中所示的第二实施例中的空芯线圈70、160和250来限定电路，以抵消从芯线圈5、14和23辐射的泄漏磁场。

空芯线圈70、160和250分别放置在磁性感测部件的芯线圈5、14和23的附近，以使得测量磁场所在的它们的轴相互平行。

空芯线圈70、160和250、以及连接端子P2、P5和P8(空芯线圈经由连接端子P2、P5和P8电连接至磁性感测部件)分别电连接至运算放大器电路8、17和26的非反向端子，以限定用于磁振荡传感器的电路。

磁性感测部件4、13和22的芯线圈5、14和23中的芯6、15和24中的每一个分别用作磁振荡传感器，通过合成励磁电流由具有统一磁振荡频率的励磁电流来励磁该磁振荡传感器，其中该合成励磁电流包括流经振荡同步信号电路网络的振荡同步电流(与图4类似)和从运算放大器电路输出的励磁电流。

图6示出了根据第三实施例的电路，其中，星型振荡同步信号电路网络被构造用于发送振荡同步信号，并且用于发送外部信号的电路被添加至电路网络。由从外部信号发送电路输出的振荡同步信号来固定磁振荡频率，以完全防止由磁振荡频率之间的差异导致的拍现象的发生。

用于发送振荡同步信号的星型振荡同步信号电路网络包括以下电路：在该电路中电连接至多个磁振荡传感器的运算放大器电路的无源或有源元件的端子中的一个经由电连接器电连接至公共端子PA。如果从公共端子PA朝向磁振荡传感器观察电路，线路朝向磁振荡传感器像星光一样径向分布以限定星形电路网络。由此，这被称为星型振荡同步信号电路网络。

即，流经振荡同步信号电路网络的振荡信号是从外部信号发送电路输出的具有固定频率的信号。由于励磁电流通常具有作为振荡频率的固定频率，因而通过合成励磁电流由统一磁振荡频率来励磁磁性感测部件的芯，其中该合成励磁电流包括振荡同步电流和从运算放大器电路输出的励磁电流。星型振荡同步信号电路网络是实际非常有用的振荡同步信号电路网络之一。

然而，由于磁振荡传感器是独立的自励磁系统，其中励磁电流由传感器本身的电路生成，因而它可以根据要测量的磁场的强度被磁场影响。具体地，生成了振荡频率的波动和/或统一磁振荡频率的轻微波动。

由于这些现象阻碍了以高精度测量磁场，因而需要防止统一磁振荡频率中轻微波动的发生。为此，需要使用从外部振荡电路发送的振荡同步信号，以由此完全固定磁振荡频率，如在图6所示的实施例中进行那样。

从外部振荡电路发送并具有统一磁振荡频率的振荡同步信号通过由电连接器的连接构造的星型振荡同步信号电路网络，结合从运算放大器电路发送的励磁电流，并且作为具有统一磁振荡频率的合成励磁电流来磁化磁性感测部件的芯中的每一个。

即，从外部信号发送电路发送并流经振荡同步信号电路网络的固定振荡同步信号以及励磁电流强制地以统一磁振荡频率磁化磁性感测部件的芯的每一个。

在图6中，附图标记A表示用于发送外部信号的电路。该电路另外地连接至磁振荡传感器电路的星型振荡同步信号电路网络外部的公共端子PA。外部信号发送电路A被设计为具有使得磁振荡传感器可以最稳定地振荡的频率。具有该频率的振荡同步信号经由公共端子PA、电连接器B、C和D、以及端子P1、P4和P7发送至线圈中的每一个。

磁性感测部件4、13和22的芯线圈5、14和23中的芯6、15和24中的每一个由合成励磁电流励磁，该合成励磁电流包括从外部信号发送电路发送的固定振荡同步信号和从运算放大器电路发送的励磁电流，该合成励磁电流具有统一的磁振荡同步频率，其是稳定的并且不具有频率波动。

换句话说，图6所示的实施例进一步改善了星型振荡同步信号电路网络的弱点，并且是磁性检测装置的实施例，其中，星型振荡同步信号电路网络中的振荡同步信号的频率通过以下方式与从外部信号发送电路发送的电信号的频率同步并固定至该频率：经由电连接器将发送具有与统一磁振荡同步频率相同的频率的电信号的外部信号发送电路与运算放大器电路相互电连接。

连接器B、C和D中的每一个包括电无源或有源元件，与图4所示的连接器类似。

在P13、P46和P79中的每一个包括作为无源元件的电阻或线圈的情况下，其阻抗最佳地被确定以使得甚至在电路短路的情况下磁振荡也稳定地继续。

涉及外部同步信号的技术抑制了在通过单个磁振荡传感器或甚至多个磁振荡传感器测量强场时所生成的磁振荡频率的波动，并且可以应用至在外部磁场被以高精度单轴地测量或在多个点处同时测量时使用的磁传感器。由此，该技术在实践中非常有用。

工业适用性

本发明可以优选地用于测量在火车或汽车的主体内部或外部存在的泄漏磁场，作为用于改进磁振荡传感器和磁性检测装置的技术，从而允许磁传感器实现其最好的性能。

附图标记的表示

1,2,3 连接器

4,13,22 磁性感测部件

5,14,23 芯线圈

6,15,24 芯

7,16,25 无源元件

8,17,26 运算放大器电路

9,10,18,19,2728 电阻器

11,20,29 滤波电路

12,21,30 放大电路

70,160,250 空芯线圈

1000 X轴电路部分

2000 Y轴电路部分

3000 Z轴电路部分

Claims (3)

1.一种用于检测磁性的设备，包括相互垂直的三个轴的每一个中的自励磁磁通门型磁振荡传感器，

所述磁振荡传感器包括：包括芯线圈的磁性传感器，该芯线圈包括由磁性材料制成的芯和围绕所述芯缠绕的线圈；以及运算放大器电路，其使得AC励磁电流流经所述线圈以根据施加至所述芯的外部磁场的强度生成输出，

其特征在于：

不围绕芯缠绕的空芯线圈被配置为与每个轴中配置的每个磁振荡传感器的芯线圈并列且平行放置，

节点被电连接至所述运算放大器电路的非反向输入端子，其中，每个轴中的芯线圈的非接地端子经由所述节点与所述空芯线圈的端子中的一个电连接，

所述空芯线圈的另一端子和所述运算放大器电路的输出端子经由无源元件相互电连接，

为了抵消在所述磁性传感器的芯线圈被励磁电流励磁时从所述芯线圈辐射的向外泄漏的泄漏磁场，所述运算放大器电路生成电流并将所述电流供给至所述空芯线圈，其中利用所述电流生成具有与所述泄漏磁场的强度相同的强度并具有与所述泄漏磁场的方向相反的方向的磁场，

在每个轴中的磁振荡传感器中包括的所述运算放大器电路的输出端子以及后一轴中的所述空芯线圈的端子经由电连接器相互电连接以构造用于统一每个轴中的所述磁振荡传感器的振荡频率的环型振荡同步信号电路网络，从而避免由各轴中的所述磁振荡传感器的振荡频率之间的差异所导致的拍现象，以及

通过包括流经所述振荡同步信号电路网络的振荡同步信号和从所述运算放大器电路输出的励磁电流的组合的励磁电流以统一的磁振荡频率强制性地励磁所述磁性传感器的芯。

2.一种用于检测磁性的设备，包括相互垂直的三个轴的每一个中的自励磁磁通门型磁振荡传感器，

所述磁振荡传感器包括：包括芯线圈的磁性传感器，该芯线圈包括由磁性材料制成的芯和围绕所述芯缠绕的线圈；以及运算放大器电路，其使得AC励磁电流流经所述线圈以根据施加至所述芯的外部磁场的强度生成输出，

其特征在于：

不围绕芯缠绕的空芯线圈被配置为与每个轴中配置的每个磁振荡传感器的芯线圈并列且平行放置，

节点被电连接至所述运算放大器电路的非反向输入端子，其中，每个轴中的芯线圈的非接地端子经由所述节点与所述空芯线圈的端子中的一个电连接，

所述空芯线圈的另一端子和所述运算放大器电路的输出端子经由无源元件相互电连接，

为了抵消在所述磁性传感器的芯线圈被励磁电流励磁时从所述芯线圈辐射的向外泄漏的泄漏磁场，所述运算放大器电路生成电流并将所述电流供给至所述空芯线圈，其中利用所述电流生成具有与所述泄漏磁场的强度相同的强度并具有与所述泄漏磁场的方向相反的方向的磁场，

在每个轴中的所述空芯线圈的端子和公共端子经由电连接器相互电连接以构造用于统一每个轴中的所述磁振荡传感器的振荡频率的星型振荡同步信号电路网络，从而避免由各轴中的所述磁振荡传感器的振荡频率之间的差异所导致的拍现象，以及

通过包括流经所述振荡同步信号电路网络的振荡同步信号和从所述运算放大器电路输出的励磁电流的组合的励磁电流以统一的磁振荡频率强制性地励磁所述磁性传感器的芯。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，外部信号发送电路与所述公共端子相互电连接以构造振荡同步信号电路网络，所述外部信号发送电路用于发送具有与所述统一的磁振荡频率的频率相同的频率的电信号，其中，统一的磁振荡频率是固定的。