CN106054094A - 螺线管线圈及应用其的磁场传感器标定系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种螺线管线圈及应用其的磁场传感器标定系统。该螺线管线圈包括：固定中空管材；以及分离的N匝线圈，缠绕于固定中空管材上；其中，固定中空管材中间位置的线圈最密，越靠近固定中空管材外侧的位置，线圈越稀疏。可以看出，本发明螺线管线圈采用非均匀结构的线圈匝，这种线圈相对于传统的磁场线圈，在有限的空间内，具有更高的均匀度，加之本发明的其他部分，组成完整的磁场传感器标定系统，能够更加精确的测量磁场传感器的频率响应曲线。

Description

螺线管线圈及应用其的磁场传感器标定系统

技术领域

本发明涉及电子行业传感器技术领域，尤其涉及一种螺线管线圈及应用其的磁场传感器标定系统。

背景技术

磁场传感器可分为感应式、磁通门、磁阻式、磁电式、量子式等多种，广泛应用于工业、医疗、航天和科学研究等领域，是基本物理量传感器之一。磁场传感器性能指标大致包括：频率响应、灵敏度和测量动态范围等参数，准确测量这些性能参数是磁场传感器研制和应用的基本工作之一，也直接影响着所研制磁场传感器的质量。

磁场传感器的频率响应是指磁场传感器的输出电压值随不同频率点的磁场激励变化关系，是磁场传感器基本指标之一，如何测量磁场传感器的频率响应一直是磁场传感器研制和应用领域的难题之一，通常情况需要产生一个已知的磁场，将磁场传感器放置在该磁场中，可以读出磁场传感器的输出电压，高均匀度磁场是准确测量磁场传感器频率响应特性的前提保证，尤其对于较大体积的磁场传感器，因此，如何在足够大的空间内产生足够均匀的磁场，并实施磁场传感器频率响应的精确测量一直是该领域的研究热点之一。

产生均匀磁场的方式主要有两种：一种是采用均匀长直螺线管线圈，另一种是采用亥姆赫兹线圈，前者通在中心某一定范围内磁场是均匀的，越接近线圈两端，均匀度越差，往往均匀度较好的地方不足长直螺线管线圈的50％，空间利用率较低；第二种形式为亥姆赫兹线圈，这种线圈采用一对线圈实现，线圈之间的距离和线圈直径相等，可以证明这种线圈的均匀区范围在两个线圈之间，相对于螺线管线圈这种线圈所需要的空间更大，空间利用率更低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种螺线管线圈及应用其的磁场传感器标定系统。

(二)技术方案

本发明实施例的一个方面提供了一种螺线管线圈。该螺线管线圈包括：固定中空管材；以及分离的N匝线圈，缠绕于固定中空管材上；其中，固定中空管材中间位置的线圈最密，越靠近固定中空管材外侧的位置，线圈越稀疏。

本发明实施例的另一个方面提供了一种磁场传感器标定系统。该磁场传感器标定系统包括：上述的螺线管线圈、标准电阻R_t和动态信号分析仪，其中：待标定磁场传感器放置于螺线管线圈的固定中空管材的中心位置；动态信号分析仪将源信号送给螺线管线圈和标准电阻R_t串联的两端，从而在螺线管线圈内部形成磁场；动态信号分析仪的通道1输入采集出来的标准电阻R_t两端的电压信号；动态信号分析仪的通道2输入采集出来的螺线管线圈内部磁场中的待标定传感器的输出信号。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明螺线管线圈采用非均匀结构的线圈匝，这种线圈相对于传统的磁场线圈，在有限的空间内，具有更高的均匀度，加之本发明的其他部分，组成完整的磁场传感器标定系统，能够更加精确的测量磁场传感器的频率响应曲线。

附图说明

图1为根据本发明实施例螺线管线圈的结构示意图；

图2为图1所示螺线管线圈中线圈匝缠绕的示意图；

图3为根据本发明实施例磁场传感器标定系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明采用通过非均匀绕制方法制成一种非均匀线圈，这种线圈改善了螺线管在边缘处的均匀度，即相同尺寸的螺线管线圈，该非均匀线圈结构获得均匀度更好，空间利用率更好。

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。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种螺线管线圈。该螺线管线圈包括：固定中空管材；分离的N匝线圈，缠绕于固定中空管材上；N匝线圈环，通过隔板固定在管材上。其中，固定中空管材中间位置的线圈最密，越靠近管材外侧位置，线圈越稀疏。

以下对本实施例螺线管线圈的各个组成部分进行详细说明。

本实施例中，选择聚乙烯管材作为固定中空管材，其内径为26厘米，外径为27厘米。这个内径对于现在已知的所有需要进行频率响应测量的磁场传感器都足够粗。

为了固定线圈匝，采用PVC环，将线圈一匝匝固定其中。由于所用的聚乙烯管材的外形不可能是绝对的圆形，所以PVC环的内径也应适当的大一些，这样使得聚乙烯管材的形状偏差尽可能地不会影响到回线。

PVC环通过三块隔板固定在聚乙烯管材之上。其中，该三块隔板在PVC环上间隔120°分布，其中的一个隔板上开槽走线，这样可以使导入和导出线产生的场尽可能地抵消。如图1所示。

需要说明的是，虽然本实施例采用PVC环固定线圈，但本发明并不以此为限。在本发明其他实施例中，还可以采用其他形状或材质的构件来固定线圈，例如：采用矩形或者椭圆形等形状的尼龙、聚乙烯等材料制作构建固定线圈。

图2为图1所示螺线管线圈中线圈匝缠绕的示意图。如图2所示，整个螺线管线圈长4.5m，共56匝线圈。缠绕在PVC环上的螺线管线圈的直径为30cm，每匝线圈距离约为8cm，这一距离在朝向管材外侧的方向上逐渐有所缩小，依次缩小至7cm，6cm等，如图2所示。N匝线圈之间的距离决定着整个螺线管线圈中心磁场的均匀度，为了评价标定线圈内部的磁场均一性，需要在线圈内部不同的位置上观测磁流密度。

基于Biot-Savart定律，任意通电导体上的磁流密度为：

$\begin{array}{cc}\stackrel{\→}{H}\left(\stackrel{\→}{r}\right)=\frac{1}{4\mathrm{\π}}\∫\frac{j\·\stackrel{\→}{r}}{r^2}d\mathrm{\τ}& \[A/m\]\end{array}---\left(1\right)$

其中j为电流密度[A/m²]，r为观测点到体积元dτ见的距离。基于此公式，可以计算螺线管线圈内容任意位置的磁场强度，评估磁场均匀度，一般采用数值仿真方法，得到最优的线圈匝距。

可见，本实施例螺线管线圈采用非均匀结构的线圈匝，这种线圈相对于传统的磁场线圈，在有限的空间内，具有更高的均匀度，能够满足磁场传感器频率响应测量的需要。

基于上述的螺线管线圈，本发明还提供了一种磁场传感器标定系统。请参照图3，在本发明的一个示例性实施例中，该磁场传感器标定系统包括：上述实施例的螺线管线圈、标准电阻R_t和动态信号分析仪。

在实际使用过程中，为了安放测试感应线圈，在螺线管线圈固定一个滑轨。对其的要求是：无论用来测试的磁场传感器的长度和直径是多少，都能将之带入螺线管线圈的对称中心位置。在螺线管线圈前还可以加装一个前置机构，用来更换固定测试感应线圈。

(1)标准电阻

本实施例采用的标准电阻Rt为精密1Ohm电阻，与螺线管线圈串联，将电流转换成电压，供动态信号分析仪采集。

(2)动态信号分析仪

本发明中动态信号分析仪用于产生螺线管线圈的激励信号，采集精密电阻上的电压信号，采集传感器感应的电压信号，得到响应曲线。本发明采用的动态信号分析仪为Stanford Research System(美国)SR785动态信号分析仪。该动态信号分析仪频率范围大于100kHz，动态范围大于90dB，本底噪声小于满足整个标定系统的需求。

请参照图3，磁场传感器标定系统的电路连接方式及测量原理如下：

动态信号分析仪将源信号送给螺线管线圈和标准电阻串联的两端，从而在螺线管内部形成磁场；形成磁场的电流流过标准电阻，将标准电阻两端的电压信号采集出来输送给动态信号分析仪的通道1，记为V₁(f)，则送给长直螺线管线圈的电流信号I₁(f)＝V₁(f)/R_t。同时，采集螺线管线圈内部磁场中的待标定传感器的输出信号到动态信号分析仪的通道2，记为V₂(f)。因此，待标定传感器的频率响应即为：

$\begin{array}{cc}response\left(f\right)=\frac{\frac{V_2\left(f\right)}{V_1\left(f\right)}\×R_t}{S_t}& (V/T)\end{array}$

本实施例中，螺线管线圈决定该磁场传感器标定系统的带宽为DC-100kHz，转换因子St＝15.65nT/mA，均匀度在直径10cm×长度2.5m(轴向中心处)范围内维持着0.1％以下。

整个标定系统需建立在天然磁场干扰较为平静的地方，如农村地区，这样外界的干扰磁场较小，标定结果更加准确。

至此，已经结合附图对本发明两个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螺线管线圈及应用其的磁场传感器标定系统有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

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。

综上所述，本发明采用一种非均匀绕制方法，形成一种特殊螺线管线圈，这种线圈改善了螺线管在边缘处的均匀度，即相同尺寸的螺线管线圈，本发明提出的非均匀线圈结构获得均匀度更好，空间利用率更好。基于该螺线管线圈，本发明还提供了一种磁场传感器标定系统。该磁场传感器具有标定准确的优点，具有较好的实用价值。

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 (6)

1.一种螺线管线圈，其特征在于，包括：

固定中空管材；以及

分离的N匝线圈，缠绕于固定中空管材上；

其中，所述固定中空管材中间位置的线圈最密，越靠近固定中空管材外侧的位置，线圈越稀疏。

2.根据权利要求1所述的螺线管线圈，其特征在于，还包括：

N匝线圈环，通过隔板固定在所述固定中空管材上；

其中，所述N匝线圈通过该N匝线圈环缠绕于固定中空管材上。

3.根据权利要求2所述的螺线管线圈，其特征在于，所述N匝线圈环为PVC环；

其中，所述PVC环通过三块隔板固定在所述固定中空管材上，该三块隔板在PVC环上间隔120°分布，其中的一个隔板上开槽走线。

4.一种磁场传感器标定系统，其特征在于，包括：权利要求1至3中任一项所述的螺线管线圈、标准电阻R_t和动态信号分析仪，其中：

待标定磁场传感器放置于所述螺线管线圈的所述固定中空管材的中心位置；

所述动态信号分析仪将源信号送给所述螺线管线圈和所述标准电阻R_t串联的两端，从而在所述螺线管线圈内部形成磁场；

所述动态信号分析仪的通道1输入采集出来的所述标准电阻R_t两端的电压信号；

所述动态信号分析仪的通道2输入采集出来的所述螺线管线圈内部磁场中的所述待标定传感器的输出信号。

5.根据权利要求4所述的磁场传感器标定系统，其特征在于，所述动态信号分析仪频率范围大于100kHz，动态范围大于90dB，本底噪声小于

6.根据权利要求4所述的磁场传感器标定系统，其特征在于，所述标准电阻R_t为标准1Ohm电阻。