CN107271933B - 一种球面型三轴磁通门传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球面型三轴磁通门传感器，包括球面型三轴磁通门探头、激磁电路和信号处理电路，球面型三轴磁通门探头包括激磁绕线、三轴检测绕线和三轴反馈绕线，激磁电路用于给激磁绕线提供电压激励；三轴信号处理电路用于接收三轴检测绕线感应脉冲信号并给反馈绕线提供反馈电流及输出模拟电压信号；激磁电路包括线性稳压源、振荡器、分频器、单稳态触发器、P‑NMOS管H桥和高速电子隔离器，信号处理电路包括仪表放大器、相敏解调器、积分器和伺服跨导放大器，本发明可调节脉冲宽度来调节无磁球芯处于磁导通状态和磁饱和状态所占时间长短，还实现了反馈电流和最终输出电流相互独立，降低共用导致的测量误差。

Description

一种球面型三轴磁通门传感器

技术领域

本发明涉及磁场探测技术领域，特别涉及一种球面型三轴磁通门传感器。

背景技术

磁测技术的原理是通过周期性的交变磁场使得磁芯周期性地处于磁饱和状态，利用磁芯对激励磁场的调制作用将环境磁场转化为电信号输出。通过对感应电动势的分析确定环境磁场的大小。

激磁电路：用于激励磁芯；传统的激励方法是通过调节提供给激磁绕线的激励信号的频率使得球面型三轴磁通门探头周期性地处在磁导通状态和磁饱和状态，该方法不能细调磁导通状态和磁饱和状态所占时间长短，电路的Q值得不到提高，无法使磁测量设备获得最大灵敏度(只有当磁导通状态和磁饱和状态各占1/2周期时，磁测量设备才能获得最大灵敏度)，降低了整个磁测量设备的测量精度。

信号处理电路：用于将环境磁场转化为电信号输出；传统的三轴信号处理电路是通过将积分器的输出端的电压信号通过电阻反馈到球面型三轴磁通门探头的反馈绕线，积分器的输出端对模拟地有一个采样电阻实现输出，即积分器的输出端既作反馈又作测量，降低了整个磁测量设备的测量精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电路Q值高、测量精度高的球面型三轴磁通门传感器。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种球面型三轴磁通门传感器，包括球面型三轴磁通门探头、激磁电路和信号处理电路，球面型三轴磁通门探头包括激磁绕线、检测绕线和反馈绕线；激磁绕线与激磁电路连接，检测绕线、信号处理电路和反馈绕线依次连接；激磁电路包括振荡器、分频器和高速电子隔离器，振荡器分别与分频器和高速电子隔离器相连接；信号处理电路包括依次连接的仪表放大器、相敏解调器和积分器；

所述激磁电路还包括依次连接在分频器后的单稳态触发器和P-NMOS管H桥，单稳态触发器用于将方波信号进行脉冲宽度调节，即调节无磁球芯的磁导通状态和磁饱和状态所占时间长短；P-NMOS管H桥提高电流驱动能力；

所述信号处理电路还包括连接在积分器后的伺服放大器，伺服跨导放大器用于将模拟电压信号转换成两路大小相同的电流输出，即为反馈电流和最终输出电流，反馈电流输入至反馈绕线，最终输出电流输入接地电阻后输出模拟电压信号。

进一步的，所述球面型三轴磁通门探头包括无磁球芯、激磁绕线、检测绕线骨架、检测绕线、反馈绕线骨架和反馈绕线，所述无磁球芯是由三个可导磁的正方体环沿X轴、Y轴、Z轴方向相互正交形成，无磁球芯上绕置有多匝激磁绕线；所述检测绕线骨架上加工有沿X轴、Y轴、Z轴方向且相互正交的凹槽，检测绕线绕置在凹槽内，无磁球芯安装在检测绕线骨架的内腔中；所述反馈绕线骨架呈球形，其上刻有多条等宽、等高且不等深的绕线槽，反馈绕线绕置在三轴绕线槽内；反馈绕线骨架内部开有沿X轴、Y轴、Z轴方向的通孔，通孔的两端安装有可拆卸球盖，检测绕线骨架安装在反馈绕线骨架内且位于中心处；所述无磁球芯、检测绕线骨架和反馈绕线骨架的X轴、Y轴、Z轴同轴。

进一步的，所述三轴绕线槽均沿各自的赤道面对称设置。

进一步的，所述可拆卸球盖的外端面为平面。

进一步的，所述反馈绕线为单匝线圈。

进一步的，所述单稳态触发器在引脚1和引脚2之间连接一个电容C₁，引脚2与基准高电平VDD之间连接一个电阻R₁，引脚14和引脚15之间连接一个电容C₂，引脚14与基准高电平VDD之间连接一个电阻R₂。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明球状的反馈绕线产生的磁场均匀度较高、均匀范围较大，有利于提高球面型三轴磁通门探头磁测的准确度以及稳定度；三个正方体环正交构成的无磁球芯提高了球面型三轴磁通门探头磁测的精度；

2、本发明提供的激磁电路在传统的激磁电路的基础上添加了单稳态触发器以及P-NMOS管H桥，单稳态触发器不仅可细调无磁球芯的磁导通状态和磁饱和状态所占时间长短，还可改善激磁绕线的电流波形；P-NMOS管H桥提高了电流驱动能力，从而提高线路的Q值，提高测量精度；

3、本发明提供的轴信号处理电路中增加了伺服跨导放大器，用于将反馈电流和最终输出电流分开，提高了磁测量设备的精度。

附图说明

图1为本发明球面型三轴磁通门探头的结构示意图；

图2为图1的A—A剖视图；

图3本发明无磁球芯的结构示意图；

图4本发明检测绕线骨架的结构示意图；

图5本发明球面型三轴磁通门传感器的结构示意图；

图6本发明激磁电路的结构示意图；

图7本发明三轴信号处理电路的结构示意图。

图中标记：1、球面型三轴磁通门探头；2、线性稳压源；3、振荡器；4、分频器；5、单稳态触发器；6、P-NMOS管H桥；7、高速电子隔离器；8、仪表放大器；9、相敏解调器；10、积分器；11、伺服跨导放大器；101、无磁球芯；102、检测绕线骨架；103、反馈绕线骨架；104、绕线槽；105、可拆卸球盖；106、通孔；107、凹槽。

具体实施方式

如图1～图7所示，本实施例提供的球面型三轴磁通门传感器包括球面型三轴磁通门探头1、激磁电路和电路结构相同的X轴、Y轴以及Z轴信号处理电路，所述球面型三轴磁通门探头1包括激磁绕线、三轴检测绕线和三轴反馈绕线，激磁电路用于给激磁绕线提供电压激励；三轴信号处理电路用于接收三轴检测绕线感应脉冲信号并给反馈绕线提供反馈电流及输出三轴模拟电压信号。

如图1～图4示，所述球面型三轴磁通门探头1包括无磁球芯101、检测绕线骨架102、反馈绕线骨架103、激磁绕线、检测绕线和反馈绕线，所述无磁球芯101是由三个正方体环沿X轴、Y轴、Z轴方向相互正交形成，三个正方体环均由导磁薄片压制而成且厚度和大小相同，无磁球芯101上绕置有多匝激磁绕线。

所述检测绕线骨架102上加工有沿X轴、Y轴、Z轴方向相互正交的凹槽107，检测绕线绕置在凹槽107内，无磁球芯101安装在检测绕线骨架102的内腔中，无磁球芯101和检测绕线骨架102的X轴、Y轴、Z轴同轴。

所述反馈绕线骨架103呈球形，反馈绕线骨架103上刻有多条等宽、等高、且不等深的三轴绕线槽104(X、Y、Z三轴绕线槽104相互正交)，各绕线槽104分别沿各自的赤道面(赤道面是指与轴垂直且直径最大的那个圆面)对称设置，反馈绕线为单匝线圈，且反馈绕线绕置在绕线槽104内，采用单匝线圈可规避电容以及线圈缠绕方式等不可控因素的影响，使检测绕线采集到的感应脉冲更理想，从而提高磁测的准确度。本发明还在反馈绕线骨架103内部开有沿X轴、Y轴、Z轴方向的通孔106，通孔106的两端安装有可拆卸球盖105，检测绕线骨架102(内腔中已安装了无磁球芯101)可通过打开可拆卸球盖105后从通孔106放入至反馈绕线骨架103的中心处。可拆卸球盖105的外端面为平面，可保证球面型三轴磁通门探头工作时姿态稳定，并可在绕线骨架放入反馈绕线骨架103时作为基台，以方便绕线骨架放入。检测绕线骨架102和反馈绕线骨架103的X轴、Y轴、Z轴同轴。

本发明所采用的上述反馈绕线绕置方式使磁测系统构成闭环系统，反馈绕线产生均匀反馈磁场，使无磁球芯101工作在零场状态，提高了磁测的线性度和稳定度。球面型结构的反馈绕线又使所产生的磁场均匀范围更大，可提高环境磁场测量的准确度。

本发明所采用的无磁球芯101的磁化方向是沿正方体环的方向，即沿正方体环的4个边的方向，在磁导通的状态下，无磁球芯101上沿X轴、Y轴、Z轴方向设置的三个正方体环的4个边的导磁薄片聚集环境磁场的磁力线，使无磁球芯101的聚磁效果更强，检测绕线内的磁感应强度也就更强。在磁饱和状态下，无磁球芯101上沿X轴、Y轴、Z轴方向设置的三个正方体环的4个边扩散环境磁场的磁力线，使无磁球芯101的散磁效果更强，检测绕线内的磁感应强度也就更弱，从而检测绕线产生的四个感应脉冲信号更强、更精确，进一步提高了环境磁场测量的精度。

如图6所示，所述激磁电路包括线性稳压源2、振荡器3、分频器4、单稳态触发器5、P-NMOS管H桥6和高速电子隔离器7，线性稳压源2的输入端连接外部电压源，输出端输出基准高电平VDD，为振荡器3、分频器4、单稳态触发器5、P-NMOS管H桥6和高速电子隔离器7提供电源电压。振荡器3用于产生频率为2f的方波信号，分频器4将振荡器3输出的频率为2f的方波信号进行二分频，输出频率为f的方波信号；单稳态触发器5将分频器4输出的频率为f的方波信号进行脉冲宽度调节，即细调无磁球芯101磁导通状态以及磁饱和状态所占时间长短；单稳态触发器5通过P-NMOS管H桥6与激磁绕线连接，用于给激磁绕线提供电压激励，P-NMOS管H桥6提供了电流驱动能力，从而提高线路的Q值，提高了测量精度。高速电子隔离器7将振荡器3输出的频率为2f数字方波信号转变为频率为2f模拟方波信号。

所述单稳态触发器5的引脚1和引脚2之间连接一个电容C₁，引脚2与基准高电平VDD之间连接一个电阻R₁，引脚14和引脚15之间连接一个电容C₂，引脚14与基准高电平VDD之间连接一个电阻R₂；通过调整电容C₁、电阻R₁、电容C₂以及电阻R₂，调节输出信号的脉冲宽度，即细调无磁球芯101的磁导通状态和磁饱和状态所占时间长短。

激磁绕线在P-NMOS管H桥6输出的频率为f的方波激励下，使无磁球芯101的磁导率在磁导通、磁饱和状态周期性转变。在磁导通状态下，无磁球芯101的磁导率较高，磁力线向无磁球芯处聚集，检测绕线内的磁感应强度变强；在磁饱和状态下，无磁球芯101的磁导率接近于空气的磁导率，磁力线从无磁球芯101处散开，检测绕线内的磁感应强度变弱。在方波电压的一个激磁周期内，检测绕线内的磁感应强度变化四次，使得检测绕线产生四个感应脉冲。

如图7所示，所述信号处理电路包括仪表放大器8、相敏解调器9、积分器10和伺服跨导放大器11，以X轴为例，球面型三轴磁通门探头1的X轴检测绕线感应到的频率为2f的感应脉冲，仪表放大器8用于将X轴检测绕线感应到的频率为2f的感应脉冲信号放大，相敏解调器9将放大后的频率为2f的感应脉冲与高速电子隔离器7输出的频率为2f的模拟方波信号相乘，得到频率为2f的模拟信号；积分器10将相敏解调器9输出的模拟信号进行积分并输出电压；伺服跨导放大器11将积分器10输出的电压转换成两路大小相同的电流输出，即为反馈电流与最终输出电流，将反馈电流输入到X轴反馈绕线中，最终电流输入接地电阻后输出X轴模拟电压信号，该电压信号与环境磁场成比例关系，即测得了环境磁场的大小。

以上所述仅是本发明优选的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明所提供的技术方案和发明构思进行的改造和替换都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种球面型三轴磁通门传感器，包括球面型三轴磁通门探头、激磁电路和信号处理电路，球面型三轴磁通门探头包括无磁球芯、激磁绕线、检测绕线骨架、检测绕线、反馈绕线骨架和反馈绕线；激磁绕线与激磁电路连接，检测绕线、信号处理电路和反馈绕线依次连接；激磁电路包括振荡器、分频器和高速电子隔离器，振荡器分别与分频器和高速电子隔离器相连接；信号处理电路包括依次连接的仪表放大器、相敏解调器和积分器，相敏解调器还与高速电子隔离器连接；其特征在于：

所述激磁电路还包括依次连接在分频器后的单稳态触发器和P-NMOS管H桥，单稳态触发器用于将方波信号进行脉冲宽度调节，即调节无磁球芯的磁导通状态和磁饱和状态所占时间长短；P-NMOS管H桥提高电流驱动能力；

所述信号处理电路还包括连接在积分器后的伺服放大器，伺服跨导放大器用于将模拟电压信号转换成两路大小相同的电流输出，即为反馈电流和最终输出电流，反馈电流输入至反馈绕线，最终输出电流输入接地电阻后输出模拟电压信号；

所述球面型三轴磁通门探头的无磁球芯由三个可导磁的正方体环沿X轴、Y轴、Z轴方向相互正交形成，无磁球芯上绕置有多匝激磁绕线；所述检测绕线骨架上加工有沿X轴、Y轴、Z轴方向且相互正交的凹槽，检测绕线绕置在凹槽内，无磁球芯安装在检测绕线骨架的内腔中；所述反馈绕线骨架呈球形，其上刻有多条等宽、等高且不等深的绕线槽，反馈绕线绕置在三轴绕线槽内；反馈绕线骨架内部开有沿X轴、Y轴、Z轴方向的通孔，通孔的两端安装有可拆卸球盖，检测绕线骨架安装在反馈绕线骨架内且位于中心处；所述无磁球芯、检测绕线骨架和反馈绕线骨架的X轴、Y轴、Z轴同轴；所述反馈绕线为单匝线圈。

2.根据权利要求1所述的球面型三轴磁通门传感器，其特征在于：所述三轴绕线槽均沿各自的赤道面对称设置。

3.根据权利要求1所述的球面型三轴磁通门传感器，其特征在于：所述可拆卸球盖的外端面为平面。

4.根据权利要求1所述的球面型三轴磁通门传感器，其特征在于：所述单稳态触发器在引脚1和引脚2之间连接一个电容C₁，引脚1与基准高电平VDD之间连接一个电阻R₁，引脚14和引脚15之间连接一个电容C₂，引脚14与基准高电平VDD之间连接一个电阻R₂。