CN109459712A - 基于亥姆霍兹线圈的矢量闭环补偿式三轴磁场传感器探头 - Google Patents

基于亥姆霍兹线圈的矢量闭环补偿式三轴磁场传感器探头 Download PDF

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Abstract

基于亥姆霍兹线圈的矢量闭环补偿式三轴磁场传感器探头，包括敏感元件、反馈元件、信号调理电路、激励电路、V/I转换电路。所述敏感元件包括三个相同的磁敏传感器：X轴方向的磁敏传感器、Y轴方向的磁敏传感器、Z轴方向的磁敏传感器；所述反馈元件为一个三维亥姆霍兹线圈结构，该结构由三对两两正交的亥姆霍兹线圈组成，三对亥姆霍兹线圈分别与三个磁敏传感器相对应；所述三个磁敏传感器信号输出端分别连接三个信号调理电路，信号调理电路连接激励电路，信号调理电路的输出端分别经V/I转换电路转换后连接到所述三维亥姆霍兹线圈结构的三对亥姆霍兹线圈的引出导线，构成闭环回路。本发明探头能够在最大程度上降低交叉影响，提高传感器精度。

Description

基于亥姆霍兹线圈的矢量闭环补偿式三轴磁场传感器探头
技术领域
本发明涉及磁场测量技术领域，具体涉及一种基于亥姆霍兹线圈的矢量闭环补偿式三轴磁场传感器探头。
背景技术
磁场是一个矢量，同时具有大小与方向属性，其测量仪器分为标量测量和矢量测量两大类。对于微弱磁场的测量而言，常用的高精度高灵敏度标量测量仪器有质子磁力仪、光泵磁力仪、原子磁力仪等，这些仪器在空间、海洋、地质勘探领以及生物医学研究领域取得广泛应用。然而标量测量只能得到磁场的大小，丢失了其方向属性，因此在诸如地磁导航、未爆炸物检测、入侵检测、反潜探测和电子罗盘等应用领域具有一定的限制。相较之下，矢量磁力仪由于可同时得到磁场的大小和方向，在这些应用领域更具优势，所以发展高灵敏度矢量传感器是未来磁场测量的趋势。
目前的矢量微弱磁场传感器主要有开环和闭环结构两种，其中开环的矢量磁场传感器有各向异性磁阻(AMR)传感器、巨磁阻(GMR)传感器和隧道磁电阻(TMR)传感器等，它们结构简单，工作时传感器中的磁芯工作在磁滞回线上，磁滞回线的特性决定了开环的矢量磁场传感器灵敏度、线性度不高，且存在磁滞现象，除此之外，由于磁芯自身温度系数较大，所以传感器还存在较大温度漂移。因此，为了提高测量精度，降低温漂和磁滞，往往采用闭环结构设计高灵敏度矢量磁场传感器。对闭环结构的矢量磁场传感器而言，要么在每一个测量轴的磁芯上绕制了一个反馈线圈，如磁通门矢量磁场传感器，GMI传感器等，要么是芯片内部具有电流反馈带，如HMC1001系列AMR磁场传感器；在反馈线圈上施加一个电流，可产生与待测磁场相反的磁场以抵消待测外磁场，从而使传感器中的磁芯工作在零场，传感器的灵敏度和线性度达到最优，除此之外，闭环结构还可降低磁滞。然而，采用电流反馈虽然可以提升传感器在待测量轴方向的自身性能，但是存在如下问题：一是由于X、Y、Z三轴之间的正交度难达到标准90°，所以其中一个轴的反馈线圈产生的磁场虽然可以抵消该方向自身的磁场，但在其他两个轴上也将产生附加磁场，二是反馈线圈构成的螺线管结构也会在外部空间产生磁场，对另外两个轴而言这个两个附加磁场与外部待测磁场是同等对待的，测量时得到的磁场值是两个磁场的矢量和，这就是由于反馈电流产生的交叉轴效应；除此之外，在闭环反馈电路中，PCB板载导线、电路板与反馈线圈的连接导线也会产生干扰磁场影响测量，例如当直流导线中通过10mA的电流时，导线周围1cm处会产生200nT的磁场。
目前对这类交叉轴干扰的现象均采用软件的方式进行补偿，其原理是先将一个轴做成闭环结构，改变该方向的外部待测磁场值，测量另外两个轴的附加磁场值，同理，对另外两个轴也做同样处理；将测出的所有附加磁场存入单片机中，在传感器实际应用时，减去存储的附加磁场值即可得到外部待测磁场真实值。从以上原理分析可得出：软件补偿方法虽然能够减弱交叉轴效应，但是操作过程复杂，标定过程极为耗时；除此之外，由于传感器个体差异，对每一个传感器均需进行一次标定，不适用于批量生产。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于亥姆霍兹线圈的矢量闭环补偿式三轴磁场传感器探头，该探头以三维亥姆霍兹线圈结构为反馈元件，能够在最大程度上降低交叉影响，提高传感器精度。
本发明采取的技术方案为：
基于亥姆霍兹线圈的矢量闭环补偿式三轴磁场传感器探头，包括敏感元件、反馈元件、信号调理电路、激励电路、V/I转换电路。
所述敏感元件包括三个相同的磁敏传感器：X轴方向的磁敏传感器、Y轴方向的磁敏传感器、Z轴方向的磁敏传感器；
所述反馈元件为一个三维亥姆霍兹线圈结构，该结构由三对两两正交的亥姆霍兹线圈组成，三对亥姆霍兹线圈分别与三个磁敏传感器相对应；
所述三个磁敏传感器信号输出端分别连接三个信号调理电路，信号调理电路连接激励电路，信号调理电路的输出端分别经V/I转换电路转换后连接到所述三维亥姆霍兹线圈结构的三对亥姆霍兹线圈的引出导线，构成闭环回路。
所述三个相同的磁敏传感器，在放置前找出这三个磁敏传感器磁芯的中心点，然后围绕中心点进行排布，同时保证三个磁敏传感器的敏感轴两两垂直。
所述亥姆霍兹线圈是一对彼此平行且联通的共轴类方形线圈，两线圈之间的距离与线圈内径相等，并且线圈内所流入的电流大小相等、方向相同。
当有电流流入亥姆霍兹线圈时，这对线圈的公共轴线附近将产生一个沿轴向的均匀磁场，其磁场公式如下：
其中：μ为真空磁导率，其值为4π×10-7(T·m·A)；I为偏置电流；N为线圈匝数；R为两线圈之间的距离；a为亥姆霍兹线圈中轴线上某点到中心点O的距离。根据亥姆霍兹线圈的基本原理，其中心轴方向产生的磁场只会沿着轴线方向，在其它方向上磁场均为零。所述信号调理电路由前置放大器、同步检波电路、积分器组成，信号调理电路共分为三路，与对应的三个磁敏传感器分别相连，信号调理电路首先通过前置放大器对磁敏传感器输出信号进行放大，接着用同步检波电路进行峰值检波，最后使用积分器对信号做累加运算，滤除剧烈波动的信号使输出变得平滑。
所述敏感元件在焊接到电路板后，放入所述三维亥姆霍兹线圈结构的正中心，三个磁敏传感器的信号输出端分别经电容滤波后与各自对应的三个信号调理电路相连，同时同步检波电路通过时钟与激励电路相连。
本发明一种基于亥姆霍兹线圈的矢量闭环补偿式三轴磁场传感器探头，技术效果如下：1、本发明设计一种三维亥姆霍兹线圈结构，结合磁敏磁场传感器，将三个正交的磁敏传感器放入三维亥姆霍兹线圈结构的中心，利用三维亥姆霍兹线圈构成闭环反馈结构从而产生抵消磁场。由于将传感器放置在亥姆霍兹线圈内部中心位置，亥姆霍兹线圈在几何中心位置只能产生沿着一个方向的均匀磁场，在其方向上的磁场均为零，从而可避免对其他两个轴的影响，最大限度的降低了交叉影响，从传感器硬件结构上保障了传感器的精度。
2、测量精度高，本发明使用亥姆霍兹线圈代替AMR传感器自身的偏置电流带来构成闭环反馈结构，通过亥姆霍兹线圈内部产生的磁场来抵消放置在线圈正中心的传感器芯片所感受到的外部磁场。由于亥姆霍兹线圈在几何中心位置只能产生沿着轴线方向的均匀磁场，在其方向上的磁场均为零，因此可避免对其他两个轴的影响，从而最大限度的降低交叉影响，保障了传感器的性能。
3、易于实现，目前常用的补偿方法是通过软件补偿，这种方法操作过程复杂且标定过程极为耗时，而本发明只需通过绕制亥姆霍兹线圈并焊接到电路板上即可实现，相比而言本方法更易于实现。
4、该线圈结构的适用对象广泛，可用于所有高精度三维矢量磁场传感器。如AMR磁场传感器、GMR磁场传感器、TMR磁场传感器、GMI磁场传感器等。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明的原理图(以亥姆霍兹线圈结构的其中一对线圈为例)；
图2为本发明的整体结构图；
图3为本发明电路板的构造图；
图4为亥姆霍兹线圈结构图；
图5为本发明的电路结构图(以其中一路为例)；
图6为以HMC1001为例的实施例。
图中：1-三维亥姆霍兹线圈结构2-电路板，3-Z轴方向的磁敏传感器，4-X轴方向的磁敏传感器，5-Y轴方向的磁敏传感器，6-导线焊接点，7-卡口。
具体实施方式
基于亥姆霍兹线圈的矢量闭环补偿式三轴磁场传感器探头，包括敏感元件、反馈元件、信号调理电路、激励电路、V/I转换电路，其作用分别为：
感应外部测量磁场并转换为电压再输出；
构成闭环反馈电路对传感器进行矢量磁场补偿；
对激励线圈施加脉冲；
将输出电压转换为电流输入反馈元件。
所述敏感元件包括三个相同的磁敏传感器：X轴方向的磁敏传感器4、Y轴方向的磁敏传感器5、Z轴方向的磁敏传感器3；
所述反馈元件为一个三维亥姆霍兹线圈结构1，该结构由三对两两正交的亥姆霍兹线圈组成，三对亥姆霍兹线圈分别与三个磁敏传感器相对应；
所述三个磁敏传感器信号输出端分别连接三个信号调理电路，信号调理电路连接激励电路，信号调理电路的输出端分别经V/I转换电路转换后连接到所述三维亥姆霍兹线圈结构1的三对亥姆霍兹线圈的引出导线a、b、c，构成闭环回路。
所述三个相同的磁敏传感器，在放置前找出这三个磁敏传感器磁芯的中心点，然后围绕中心点进行排布，同时保证三个磁敏传感器的敏感轴两两垂直。
所述亥姆霍兹线圈是一对彼此平行且联通的共轴类方形线圈，两线圈之间的距离与线圈内径相等，并且线圈内所流入的电流大小相等、方向相同。
当有电流流入亥姆霍兹线圈时，这对线圈的公共轴线附近将产生一个沿轴向的均匀磁场，其磁场公式如下：
其中：μ为真空磁导率，其值为4π×10-7(T·m·A)；I为偏置电流；N为线圈匝数；R为两线圈之间的距离；a为亥姆霍兹线圈中轴线上某点到中心点O的距离。根据亥姆霍兹线圈的基本原理，其中心轴方向产生的磁场只会沿着轴线方向，在其它方向上磁场均为零。所述信号调理电路由前置放大器、同步检波电路、积分器组成，信号调理电路共分为三路，与对应的三个磁敏传感器分别相连，信号调理电路首先通过前置放大器对磁敏传感器输出信号进行放大，接着用同步检波电路进行峰值检波，最后使用积分器对信号做累加运算，滤除剧烈波动的信号使输出变得平滑，降低信号测量的难度，提高其准确性。
所述敏感元件在焊接到电路板2后，放入所述三维亥姆霍兹线圈结构1的正中心，三个磁敏传感器的信号输出端分别经电容滤波后与各自对应的三个信号调理电路相连，同时同步检波电路通过时钟与激励电路相连。
所述激励电路由驱动、时钟以及激励线圈构成，当线圈受到电流脉冲时线圈中便会产生一个强磁场，该磁场可以重新将此区域对准统一到一个方向上，这样就能保持传感器的高灵敏度。
所述V/I转换电路的V/I转换过程如下：
以一个通道为例，当磁敏传感器输出电压U0，经增益单元放大后输出电压Uout，该电压经过V/I转换会产生反馈电流I，其大小为：
其中Rf为V/I转换过程所用的电阻值,k为前置放大器的增益；
经V/I转换电路输出的电流输入与其对应的亥姆霍兹线圈则会在线圈轴线上产生磁场B,该磁场的大小与磁敏传感器感受到的外部磁场基本一致，但是方向相反，因此该磁场会与所对应的磁敏传感器所受的外部磁场相抵消。
由亥姆霍兹线圈的基本原理可知，当组成亥姆霍兹线圈的两个同轴线圈中通过同向电流时，亥姆霍兹线圈的中心轴方向会产生均匀磁场，该磁场的方向具有唯一性，只会沿着中心轴的方向产生，其指向可使用安培右手定则通过线圈中电流的流向来判断。因此在亥姆霍兹线圈内部，除中心轴方向以外的其它方向上，磁场值均为零，所以其他两个传感器的磁芯不会受到亥姆霍兹线圈所产生磁场的影响，这样就在最大限度上降低了交叉影响，传感器的性能也得到了保障。
本发明提出的亥姆霍兹线圈闭环反馈结构如附图5所示，基于亥姆霍兹线圈的三轴磁场传感器探头结构如附图2所示。
下面以HMC1001磁敏传感器为例对本发明的具体实施方式作详细分析：
一、具体实施方式：
(1)：敏感元件排布，如图3所示，三个HMC1001传感器芯片围绕三个传感器磁芯的中心点排列，其中Z轴方向的磁敏传感器3对应Z方向，X轴方向的磁敏传感器4对应X方向,Y轴方向的磁敏传感器5对应Y方向。
(2)：把HMC1001的信号输出端经简单的滤波后与前置放大器的输入端相连，通过放大器对传感器的输出信号进行放大。前置放大器分为三路，分别与对应的HMC1001传感器相连。
(3)：把前置放大器的输出端与同步检波电路的输入端相连，通过同步检波电路对信号进行峰值检波，降低其中低频噪声对电路的干扰。
(4)：把同步检波电路的输出端与积分器的输入端相连，使用积分器对输出信号进行积分运算。通过对信号的运算滤除信号中存在的剧烈波动的杂波，使输出信号变得平滑，降低信号测量的难度，提高其准确性。
(5)：通过时钟把激励电路与同步检波电路相连，使其能够同步运行。
(6)：把驱动电路与置位/复位线圈相连。驱动电路会发出持续的电流脉冲，当置位/复位线圈受到电流脉冲时,线圈中会产生一个强磁场，该磁场可以重新将磁区域对准统一到一个方向上，这样就能保持传感器的高灵敏度。
(7)：把积分电路输出端与V/I转换电路的输入端相连。使用V/I转换电路对积分后输出的电压进行处理，通过该电路可以把电路输出电压转换为反馈电流并输入反馈线圈。
(8)：设计反馈线圈，该线圈结构如图4所示，线圈绕制完成后把线圈放入电路板上的卡口7，其中三个HMC1001传感器芯片处于线圈正中心。所设计的反馈线圈其本质是一个三维的亥姆霍兹线圈结构，该线圈结构的三对线圈的中心线分别与一个HMC1001传感器的敏感轴处于同一水平线，其中线圈a与Y轴方向的HMC1001传感器的敏感轴平行；线圈b与Z轴方向的HMC1001传感器的敏感轴平行；线圈c与X轴方向的HMC1001传感器的敏感轴平行,每对线圈所产生的磁场方向均与各自所对应的敏感轴的方向相反。
为了能更容易根据线圈尺寸找出线圈的中心点，从而使三个磁场芯片处于三维亥姆霍兹线圈结构1的正中心，该结构采用了类方形线圈设计；其中最外围的一对线圈尺寸约为25mm*25mm,中间的线圈尺寸约为23mm*23mm,内部的线圈尺寸约为21mm*21mm，线圈匝数都为30匝；三对线圈两两正交且分别与各自对应的HMC1001传感器芯片的V/I转换电路相连。
(9)：把V/I转换电路的输入端与亥姆霍兹线圈相连。使用亥姆霍兹线圈产生补偿磁场对HMC1001所受的外部磁场进行补偿。反馈电流流入亥姆霍兹线圈后，线圈中心轴方向便会产生一个补偿磁场，该磁场与HMC1001传感器所受的外部磁场大小相等、方向相反，因此该补偿磁场会与外部磁场相抵消，从而使传感器中的磁芯工作在零场，此时传感器的灵敏度和线性度达到最优。
(二)优越性对比分析：
以HMC1001传感器为例，此型号的传感器本身具有一个偏置电流带与敏感轴对应，该偏置电流带可用作反馈线圈以产生补偿磁场，但是在组成三轴传感器时，HMC1001传感器的X、Y、Z三个轴之间的正交度很难达到标准90°，所以其中一个轴的反馈线圈产生的磁场虽然可以抵消该方向自身的磁场，但在其他两个轴上也将产生附加磁场；同时，反馈线圈构成的螺线管结构也会在外部空间产生磁场，对另外两个轴而言这个两个附加磁场与外部待测磁场是同等对待的，测量时得到的磁场值是两个磁场的矢量和；除此之外，在闭环反馈电路中，PCB板载导线、电路板与反馈线圈的连接导线也会产生干扰磁场影响测量。
与HMC1001传感器原有的反馈线圈不同，本发明使用三维亥姆霍兹线圈作为三轴传感器的反馈线圈。由亥姆霍兹线圈得原理可知，它是一对彼此平行且联通的线圈，其原理如图1所示，因此当线圈中通入电流时，线圈只会沿中心轴方向会产生一个均匀磁场，而在其方向上的磁场均为零，所以它可以避免反馈磁场对其它两个轴的影响，从而最大限度的降低交叉影响，并且由于传感器芯片放置在线圈正中心，同样避免了PCB板载导线、电路板与反馈线圈的连接导线所产生的干扰。
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，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 (8)

1.基于亥姆霍兹线圈的矢量闭环补偿式三轴磁场传感器探头，包括敏感元件、反馈元件、信号调理电路、激励电路、V/I转换电路；其特征在于：
所述敏感元件包括三个相同的磁敏传感器：X轴方向的磁敏传感器(4)、Y轴方向的磁敏传感器(5)、Z轴方向的磁敏传感器(3)；
所述反馈元件为一个三维亥姆霍兹线圈结构(1)，该结构由三对两两正交的亥姆霍兹线圈组成，三对亥姆霍兹线圈分别与三个磁敏传感器相对应；
所述三个磁敏传感器信号输出端分别连接三个信号调理电路，信号调理电路连接激励电路，信号调理电路的输出端分别经V/I转换电路转换后连接到所述三维亥姆霍兹线圈结构(1)的三对亥姆霍兹线圈的引出导线，构成闭环回路。
2.根据权利要求1所述基于亥姆霍兹线圈的矢量闭环补偿式三轴磁场传感器探头，其特征在于：所述三个相同的磁敏传感器，围绕中心点进行排布，同时三个磁敏传感器的敏感轴两两垂直。
3.根据权利要求1所述基于亥姆霍兹线圈的矢量闭环补偿式三轴磁场传感器探头，其特征在于：所述亥姆霍兹线圈是一对彼此平行且联通的共轴类方形线圈，两线圈之间的距离与线圈内径相等，并且线圈内所流入的电流大小相等、方向相同；
当有电流流入亥姆霍兹线圈时，这对线圈的公共轴线附近将产生一个沿轴向的均匀磁场，其磁场公式如下：
其中：μ为真空磁导率，其值为4π×10-7(T·m·A)；I为偏置电流；N为线圈匝数；R为两线圈之间的距离；a为亥姆霍兹线圈中轴线上某点到中心点O的距离；根据亥姆霍兹线圈的基本原理，其中心轴方向产生的磁场只会沿着轴线方向，在其它方向上磁场均为零。
4.根据权利要求1所述基于亥姆霍兹线圈的矢量闭环补偿式三轴磁场传感器探头，其特征在于：所述信号调理电路由前置放大器、同步检波电路、积分器组成，信号调理电路共分为三路，与对应的三个磁敏传感器分别相连，信号调理电路首先通过前置放大器对磁敏传感器输出信号进行放大，接着用同步检波电路进行峰值检波，最后使用积分器对信号做累加运算，滤除剧烈波动的信号使输出变得平滑。
5.根据权利要求1所述基于亥姆霍兹线圈的矢量闭环补偿式三轴磁场传感器探头，其特征在于：所述敏感元件在焊接到电路板(2)后，放入所述三维亥姆霍兹线圈结构(1)的正中心，三个磁敏传感器的信号输出端分别经电容滤波后与各自对应的三个信号调理电路相连，同时同步检波电路通过时钟与激励电路相连。
6.根据权利要求1所述基于亥姆霍兹线圈的矢量闭环补偿式三轴磁场传感器探头，其特征在于：所述V/I转换电路的V/I转换过程如下：
以一个通道为例，当磁敏传感器输出电压U0，经增益单元放大后输出电压Uout，该电压经过V/I转换会产生反馈电流I，其大小为：
其中Rf为V/I转换过程所用的电阻值,k为前置放大器的增益；
经V/I转换电路输出的电流输入与其对应的亥姆霍兹线圈则会在线圈轴线上产生磁场B,该磁场的大小与磁敏传感器感受到的外部磁场基本一致，但是方向相反，因此该磁场会与所对应的磁敏传感器所受的外部磁场相抵消。
7.一种三维亥姆霍兹线圈结构，其特征在于：该线圈结构位于电路板上的卡口，三个磁敏传感器芯片处于线圈正中心；所述线圈包括线圈a、线圈b、线圈c，
线圈a、线圈b、线圈c的中心线分别与一个磁敏传感器的敏感轴处于同一水平线，其中线圈a与Y轴方向的磁敏传感器的敏感轴平行；线圈b与Z轴方向的磁敏传感器的敏感轴平行；线圈c与X轴方向的磁敏传感器的敏感轴平行,每对线圈所产生的磁场方向均与各自所对应的敏感轴的方向相反。
8.根据权利要求7所述一种三维亥姆霍兹线圈结构，其特征在于：该结构采用了类方形线圈设计；其中最外围的一对线圈尺寸约为25mm*25mm,中间的线圈尺寸约为23mm*23mm,内部的线圈尺寸约为21mm*21mm，线圈匝数都为30匝；三对线圈两两正交、且分别与各自对应的磁敏传感器芯片的V/I转换电路相连。
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