CN108469593A - 一种基于非晶丝正交阵列的高分辨率正交磁通门全方位磁场梯度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于非晶丝正交阵列的高分辨率正交磁通门全方位磁场梯度传感器。将六个紧凑型轴对称的单根非晶丝探头分成三组，每组两个，相隔一定距离L，配置在正交坐标系的三个坐标轴上，组成非晶丝探头正交阵列。反向串接在同一坐标轴上的两个探头上的采杆线圈，非晶丝探头正交阵列就可被看作是三分量磁场梯度计的探头系统(图4)。采用中国专利“一种高分辨率非晶丝正交磁通门磁场传感器及其制造技术”中使用的低噪声正负电源电路和非晶丝激励电流电路，并联激励来自三组单轴磁场梯度传感器探头系统中非晶丝，用三个信号处理系统分别处理来自三组反向串联采样线圈采集的磁场梯度信息(图2)，即可测得正交坐标系中X，Y和Z轴方向上的磁场梯度分量的电压模拟量，并据此可算出总的磁场梯度的大小和方向，成为名副其实的三分量磁场梯度传感器。

Description

一种基于非晶丝正交阵列的高分辨率正交磁通门全方位磁场 梯度传感器

技术领域

本发明涉及一种基于非晶丝正交阵列的高分辨率正交磁通门全方位磁场梯度传感器，

技术背景

在现代社会中，磁场梯度传感器的应用领域不断扩展，不仅可应用于地下管道和电缆的探测、考古、救灾、探矿等民用领域，而且也广泛应用于测潜、水雷等水下武器的探测、各种导弹和炸弹的近炸磁引信等军事领域。应用磁场梯度传感器进行磁探测的技术优势在于：该技术可以完全不受当时当地的地磁场变化的影响，有效地探测到造成外磁场异常变化的目标。但是可能由于被探测的目标磁场过于微弱(如经过消磁处理的潜艇，带有微弱磁性的水雷....)，也可能因为目标距离太远(如航空磁探测的目标)，纳特(nT)级水平的磁场测量分辨率很难满足探测的要求。因此，开发高分辨率磁场梯度传感器就成了当今急需解决的课题。现在，高分辨率非晶丝正交磁通门磁场传感器的磁场测量噪声已经降低到皮特(pT)级的水平^[1]，因此，如何将该技术应用于研发高分辨率磁场梯度传感器是本发明的主要内容之一。

当今世界各国已经开发成功的矢量型磁场梯度传感器有两种：单轴磁场梯度传感器和三轴磁场梯度传感器。所谓“三轴磁场梯度传感器”实际上是由相隔一定距离的两台三轴磁场传感器组装成的，只有在磁场梯度传感器的轴线方向与两台三轴磁场传感器的X，Y，Z三根轴中的某一根轴相平行时，才能给出这个轴上的磁场梯度分量，而其余两个轴上的磁场梯度分量是无法测定的，因为这时两台三轴磁场传感器的另外两根轴并不在一条直线上。只有运用AD转换和数学计算将三轴磁场梯度传感器升级为数字式三轴磁场梯度传感器，得到两台三轴磁强计所在处的磁场强度总量，才能求得磁场梯度总量。但这只是一个标量，不能给出磁场梯度的方向，因此也就无法快速和简便地确定产生异常磁场目标的位置。本发明通过设计一个由六个非晶丝正交磁通门传感器探头构成的正交阵列，实现了X，Y和Z轴方向上磁场梯度分量的测定，通过计算给出磁场梯度的总量和方向，从而确定导致产生磁场梯度的目标在磁场梯度传感器的笛卡尔坐标系八个象限中的位置。无须移动和转动磁场梯度传感器，就能全方位地确定磁场梯度总量以及导致产生磁场梯度的异常磁性目标的位向。

工作原理和本发明的关键技术

工作原理：将六个紧凑型轴对称的单根非晶丝探头分成三组，每组两个，相隔一定距离L配置在细铜管的中心线上，反向串接两个非晶丝探头上的采样线圈，构成单轴磁场梯度传感器探头系统(图4)。将三组单轴磁场梯度传感器的探头系统设置在正交坐标系的三个坐标轴上，组成非晶丝探头正交阵列，并以此作为三分量磁场梯度传感器的探头系统(图1)。采用“非晶丝高分辨率正交磁通门磁场传感器”的一个电源电路和一个非晶丝激励电流电路，并联激励来自三组单轴磁场梯度传感器探头系统中非晶丝，用三个独立的信号处理系统分别处理来自三组反向串联采样线圈的磁场梯度信息(图2)，即可获得正交坐标系中X，Y和Z轴方向上的磁场梯度分量的电压模拟量，并据此可算出总的磁场梯度的大小和方向，成为名副其实的三分量磁场梯度传感器。

关键技术：

1.设计和构建一个非晶丝传感器探头正交阵列，并以此作为三分量磁场梯度传感器的探头系统的技术，是本发明的关键技术之一。包括如何保障构建非晶丝传感器探头正交阵列的探头电磁参数一致性的技术和如何设计非晶丝探头正交阵列的骨架，如何保证构成正交阵列的三根轴线互相垂直，正交度误差小于0.1°的技术。

2.并联激励非晶丝探头正交阵列中的三组串联着的非晶丝串的技术是消除三组六个非晶丝探头之间因激励电流的位相差造成的相互干扰和降低功耗的关键技术。

3.在本发明中采用了相关专利“一种高分辨率非晶丝正交磁通门传感器及其制造技术”^[1]中的专利技术，包括紧凑型轴对称直线形非晶丝传感器探头制备技术，低噪声非晶丝激励电流电路和信号处理电路等关键技术。

[1].常州微磁非晶丝传感器有限公司，南京麦科尼传感技术有限公司，“一种高分辨率非晶丝正交磁通门磁场传感器及其制造技术”，中国专利申请号201710461605.4

本发明的目的是提供一种基于非晶正交阵列的高分辨率正交磁通门全方位磁场梯度传感器。即：利用非晶丝正交磁通门传感器的高分辨率和非晶丝类传感器只对轴向外磁场敏感的特点，提出了一个以非晶丝探头正交阵列为探头系统的三分量磁场梯度传感器。这种新型的三分量磁场梯度传感器可以测量传感器周围任一方向上存在的磁场梯度矢量的三个分量，从而可算出磁场梯度矢量的大小和方向，快速而准确地判定造成磁场梯度的磁性目标相对于传感器坐标系统的位向。

为实现上述目标，本发明提出以下技术内容：

设计一个由六个紧凑型轴对称单根非晶丝正交磁通门传感器探头组成的正交阵列：六个探头分为三组，每组两个。将同组的两个探头中心之间距离设为L，将两个探头的轴线设置在三维正交坐标系的一个坐标轴上。三组探头对分别设置在正交坐标系的X，Y和Z轴上，构成非晶丝探头正交阵列。

设计了一个安装非晶丝正交阵列探头系统的骨架结构，骨架由无磁、刚性的立方体支座和三根分别垂直穿过立方体三对基准面的准直细铜管组成。通过精密的机械加工和精细的装配，可以保证每根铜管内的两个非晶丝探头的轴线与细铜管的中心线处于同一直线上，同时可保证作为非晶丝探头正交阵列三个坐标轴的三根细铜管之间的正交度误差小于0.1°。从而成为非晶丝探头正交阵列的X，Y和Z轴的依托骨架(图1)。

采用准直细铜管作为正交阵列的X，Y和Z轴的另一个好处是：在细铜管内两个非晶丝探头可在细铜管的轴线上平移，可以根据测量的需要，通过调节两探头之间的距离，进行各种不同测量基准线长度L下的磁场梯度测量。

紧凑型轴对称单根非晶丝传感器探头对磁场强度的测量有强烈的方向性。这是由于所述的非晶丝探头是在单根非晶丝上直接绕制线圈制成的，非晶丝的轴线方向就是传感器所探测磁场的方向。经挍直和加工的准直细铜管应保证在L+S(S为非晶丝的长度)长度上其内径中心线和外径中心线的偏差小于0.1°。精确设计和加工将非晶丝探头接入相关电路的电路板，可将两个非晶丝探头的轴线精确地调整到细铜管的中心线上，图3为铜管中非晶丝探头配置图。由此制成的磁场梯度传感器可精确地确定异常磁场源的方向，其精准度是其它类型磁场梯度传感器无法比拟的。

非晶丝探头正交阵列可以作为三分量磁场梯度传感器的探头系统，也可以作为信噪比倍增的双探头三分量磁场传感器探头系统使用。

若将非晶丝探头正交阵列中同一坐标轴的两个非晶丝探头的采样线圈反向串接，即一个线圈的出口端与另一个线圈的入口端相连接，则构成了单轴磁场梯度传感器探头系统(图4)。若对非晶丝探头正交阵列三个轴上探头对的采样线圈都进行反向串接，则构成了互相正交的三个单轴磁场梯度传感器探头系统，即三分量磁场梯度传感器的探头系统。

采用一个电噪声低于纳伏(nV)级的正、负双电源电路和一个激励电流电路向非晶丝正交阵列并联的三组串接的非晶丝链提供直流偏置I_dc和双极性方波激励电流I_ac.采用三个低噪声、高信噪比信号处理电路，分别处理从非晶丝探头正交阵列的三组单轴磁场梯度传感器探头系统的反串采样线圈中采集的信息，输出各自表征磁场梯度的电压模拟量ΔVx，ΔVy和ΔVz(图2)。因L是一对非晶丝探头中心之间的距离，即磁场梯度测量基准线，故可测出磁性目标或磁异常源在X，Y和Z轴上产生的磁场梯度分量的电压模拟量，ΔVx/L，ΔVy/L和ΔVz/L。由此，磁场梯度总量的电压模拟量为ΔV/L＝[(ΔVx/L)²+(ΔVy/L)²+(ΔVz/L)²]^1/2，磁场梯度矢量的方向，即磁性目标或异常磁场源相对于磁场梯度传感器X，Y和Z坐标系的方向，可以分别用磁场梯度矢量与X，Y和Z轴之间的夹角α，β和γ来确定：α＝arctg[(ΔVy)²+(ΔVz)²]^1/2/ΔVx]，β＝arctg[(ΔVx)²+(ΔVz)²]^1/2/ΔVy]和γ＝arctg[(ΔVy)²+(ΔVx)²]^1/2/ΔVz]。由于本发明采用了相关专利“一个高分辨率非晶丝正交磁通门磁场传感器及其制造技术”使用的低噪声电路技术，因此，本发明也具有低噪声和高分辨率的特征。

采用一个正、负双电源电路和一个非晶丝激励电流电路并联激励三组串联着的非晶丝链的技术，不但消除了六个非晶丝探头之间因激励电流的位相差造成的相互干扰，而且还有效地降低了功耗(图2)。

所述的基于非晶丝正交阵列的全方位磁场梯度传感器电路的一个替代方案是：用一个电源电路和一个激励电流电路并联激励非晶丝正交阵列中的六个非晶丝传感器探头，用六套信号处理系统分别处理来自六个探头采样线圈中的信号，得到各自的磁场电压模拟量输出。来自同一组不同非晶丝传感器探头的电压模拟量相加或相减，可以分别构成信噪比倍增的三轴磁强计或全方位磁场梯度传感器，实现一机两用的目标。

如果将六套独立的信号处理系统输出的三对电压模拟量两两相加，即Vx＝Vx₁+Vx₂，Vy＝Vy₁+Vy₂，Vz＝Vz₁+Vz₂，同时将同一坐标轴上的一对非晶丝探头之间的距离L减小到尽可能小，如1-2mm，此时全方位磁场梯度传感器就变成了一台输出信号倍增，以致信噪比倍增的三分量双探头磁强计。这为进一步降低“基于非晶丝的高分辨率正交磁通门三轴磁强计”的噪声提供了一个有效的手段。

基于非晶丝正交阵列的磁场梯度传感器可以测定磁场梯度矢量在X，Y，Z轴方向上的三个分量，因此，无需移动和转动传感器，根据三个磁场梯度分量ΔVx，ΔVy和ΔVz的正负，就可以确定磁场梯度矢量出现在传感器正交坐标系八个象限的哪个象限，这个特点为探测异常磁场源提供了一个非常有力的武器。例如，ΔVx＞0，ΔVy＞0，ΔVz＞0，磁场梯度矢量出现在第一象限；

ΔVx＞0，ΔVy＜0，ΔVz＞0，磁场梯度矢量出现在第二象限；

ΔVx＜0，ΔVy＜0，ΔVz＞0，磁场梯度矢量出现在第三象限；

ΔVx＜0，ΔVy＞0，ΔVz＞0，磁场梯度矢量出现在第四象限；

ΔVx＞0，ΔVy＞0，ΔVz＜0，磁场梯度矢量出现在第五象限；

ΔVx＞0，ΔVy＜0，ΔVz＜0，磁场梯度矢量出现在第六象限

ΔVx＜0，ΔVy＜0，ΔVz＜0，磁场梯度矢量出现在第七象限；

ΔVx＜0，ΔVy＞0，ΔVz＜0，磁场梯度矢量出现在第八象限；

基于非晶丝正交阵列的全方位磁场梯度传感器不仅能测定三个磁场梯度分量，而且通过AD转换和数字化处理可算出磁场梯度总量和相对于X，Y和Z轴坐标系的方向。由于所述传感器排除了随时随地的地磁场变化造成的影响，因此在地质勘探、地震测量和预报，近炸磁引信、水雷传感器，反水雷传感器，潜艇和水下武器的探测等方面具有重大应用价值。

附图说明

图1.基于非晶丝正交阵列的高分辨率正交磁通门全方位磁场梯度传感器探头系统结构图。(a)投影图；(b)直立投影；(c)水平投影；(d)侧立投影。其中，互相垂直的三根细铜管组成非晶丝探头正交阵列的骨架，铜管两端设置有相距L长的两个非晶丝传感器探头，构成非晶丝探头正交阵列，组成三分量磁场梯度传感器的探头系统。

图2.基于非晶丝正交阵列的高分辨率正交磁通门全方位磁场梯度传感器方框电路图。其中，每一组中的两根非晶丝串联连接，三组的非晶丝串并联连接，一个激励电流电路向并联中的三组非晶丝串提供激励电流。每一组中两个探头的采样线圈反向串接。非晶丝上的采样线圈反向串接，向信号处理电路输出两个探头间发生磁场强度存在差异的信号。

图3 单轴磁场梯度传感器的方框电路图，其中激励电流电路向串联连接的两根非晶丝提供激励电流，两根

图4.非晶丝单轴正交磁通门磁场梯度传感器探头的结构图。其中，非晶丝传感器探头1和2的轴线位于细铜管的中心线上，两个非晶丝探头中点之间距离为磁场梯度测量基准线的长度L。在非晶丝单轴正交磁通门磁场传感器探头系统中，串联激励两个探头的非晶丝，两个串联连接的探头上的采样线圈反向串接，向信号处理电路输出两个非晶丝探头处磁场强度发生变化的信号。

具体实施方式

按图纸用数控机床加工和制造非晶丝传感器探头正交阵列的骨架；

采用直径120微米快淬态Co-Fe-Si-B-RE系非晶丝，进行200℃24小时消除应力退火。

制备紧凑型轴对称的单根非晶丝探头，并将非晶丝探头焊在非晶丝探头电路板上，修正电路板外形和尺寸，使非晶丝探头的轴线能与铜管的中心线置于同一直线上。

装配非晶丝探头正交阵列。

设计和加工基于非晶丝正交阵列的高分辨率正交磁通门全方位磁场梯度传感器的电路板。

将非晶丝探头正交阵列接入正交磁通门全方位磁场梯度传感器的电路板。

整机调试，性能测定，提供试验样机。

Claims (10)

1.本发明设计了一种基于非晶丝正交阵列的正交磁通门全方位磁场梯度传感器。通过测定磁场梯度在X，Y和Z轴上的分量，可准确地测定磁场梯度的大小和方向，从而准确确定产生磁场梯度的磁性目标的位向。所述的基于非晶丝探头正交阵列的正交磁通门全方位磁场梯度传感器至少包括：一个由六个紧凑型轴对称单根非晶丝传感器探头组成的正交阵列(图1)；一个正负双电源电路；一个非晶丝激励电流电路和三套信号处理电路(图2)。

2.由六个紧凑型轴对称单根非晶丝传感器探头组成的正交阵列特征在于：六个探头分为三组，每组两个，相隔一定距离L，分布在同一条轴线上，将三组非晶丝探头对分别配置在笛卡尔坐标的X，Y和Z轴上，组成一个非晶丝探头正交阵列。反向串联同组的两个非晶丝探头的采样线圈，构成单轴磁场梯度传感器探头系统(图4)。三个相互正交配置的单轴磁场梯度传感器探头系统构成三分量磁场梯度传感器的探头系统。

3.根据权利要求2，设计了非晶丝探头正交阵列的骨架，实施方案如下：将三根足够长的准直细铜管分别垂直穿过无磁、刚性支座立方体的三对严格正交的基准面，依靠支座立方体和细铜管的精密加工和精心装配，保证三根细铜管的中心线相互垂直，构成正交度误差小于0.1°的非晶丝探头正交阵列立方坐标系骨架的X，Y和Z轴。

4.根据权利要求2，将六个非晶丝探头按要求安装在作为非晶丝探头正交阵列骨架的正交坐标系X，Y和Z轴的细铜管内，构建成非晶丝探头正交阵列。由于所述的非晶丝探头是在单根非晶丝上直接绕制线圈制成的，非晶丝的轴线方向就是传感器所探测磁场的方向。经挍直和加工的准直细铜管，应保证在L+S(S为非晶丝探头的长度)长度上其内径中心线和外径中心线的角偏差小于0.1°。精确设计和加工将非晶丝探头接入相关电路的电路板，可将两个非晶丝探头的轴线精确地调整到细铜管的中心线上。由此制成的磁场梯度传感器可精确地确定异常磁场源的方向，其精准度是其它类型磁场梯度传感器无法比拟的。

5.根据权利要求4，采用准直细铜管作为非晶丝探头正交阵列的X，Y和Z轴的另一个优点是：在细铜管内两个非晶丝探头可在细铜管的轴线上平移，两探头之间的距离也可灵活调节。因此，可根据目标磁场的大小和距离传感器的远近，选择不同的磁场梯度基准线长度L，如300，500，750，1000毫米，进行磁场梯度的测量。

6.根据权利要求1.采用一个正、负双电源电路和一个非晶丝激励电流电路向非晶丝探头正交阵列并联的三组探头系统提供直流偏置I_dc和双极性方波激励电流I_ac，采用三个低噪声、高信噪比信号处理电路，分别处理从非晶丝探头正交阵列的三组单轴磁场梯度传感器探头系统的反串采样线圈中采集的信息，输出各自表征磁场变化的电压模拟量ΔVx，ΔVy和ΔVz(图2)。若磁场梯度测量基准线长度为L，则磁性目标或磁异常源在X，Y和Z轴上产生的磁场梯度分量的电压模拟量为ΔVx/L，ΔVy/L和ΔVz/L。由此，磁场梯度总量的电压模拟量为ΔV/L＝[(ΔVx/L)²+(ΔVy/L)²+(ΔVz/L)²]^1/2，磁场梯度矢量的方向，即磁性目标或异常磁场源相对于磁场梯度传感器X，Y和Z坐标系的方向，可以分别用磁场梯度矢量与X，Y和Z轴之间的夹角α，β和γ来确定：α＝arctg[(ΔVy)²+(ΔVz)²]^1/2/ΔVx]，β＝arctg[(ΔVx)²+(ΔVz)²]^1/2/ΔVy]和γ＝arctg[(ΔVy)²+(ΔVx)²]^1/2/ΔVz]。由于本发明采用了相关专利“一个高分辨率非晶丝正交磁通门磁场传感器及其制造技术”使用的低噪声电路技术，因此，本发明也具有低噪声和高分辨率的特征。

7.根据权利要求6，在所述的并联激励在三组单轴磁场梯度传感器探头系统中的串联着的非晶丝串的技术是消除三组六个非晶丝探头之间因激励电流的位相差造成的相互干扰和降低功耗的关键技术(图2)。

8.根据权利要求3，基于非晶丝正交阵列的磁场梯度传感器不仅能测定磁性目标和异常磁场源在传感器X，Y和Z轴上的引起的磁场梯度的三个分量，而且可通过AD转换和数字化处理给出磁性目标或异常磁场源造成的磁场梯度总量和相对于X，Y和Z轴坐标系的方向。由于所述传感器排除了随时随地的地磁场变化造成的影响，因此在地质勘探、地震测量和预报，近炸磁引信、水雷传感器，反水雷传感器，潜艇和水下武器的探测等方面具有重大应用价值。

9.根据权利要求2，若将非晶丝探头正交阵列中同一组的两个非晶丝探头的采样线圈反向串联，如图4所示，非晶丝正交阵列可用作全方位磁场梯度传感器的探头系统。相反，两个采样线圈串联，一个线圈的出口与另一个线圈的入口相连，则可用作信噪比倍增的三轴磁强计的探头系统。

10.权利要求2中所述的基于非晶丝正交阵列的全方位磁场梯度传感器电路的一个替代方案是：用一个电源电路和一个激励电流电路并联激励非晶丝正交阵列中的六个非晶丝传感器探头，用六套信号处理系统分别处理来自六个探头采样线圈中的信号，得到各自的磁场电压模拟量输出。来自同一组不同非晶丝传感器探头的电压模拟量相加或相减，可以分别构成信噪比倍增的三轴磁强计或全方位磁场梯度传感器，实现一机两用的目标。同时，可以避免因六个非晶丝传感器探头的电磁特性不一致所造成的磁场梯度传感器产品最终调试的困难。在前一种情况下，同时将同一坐标轴上的一对非晶丝探头之间的距离L减小到尽可能小，如1-2mm，此时全方位磁场梯度传感器就变成了一台输出信号倍增，以致信噪比倍增的三分量磁强计，这对进一步降低非晶丝高分辨率正交磁通门三轴磁强计的噪声具有指导意义。