CN114089232B

CN114089232B - 一种磁场传感器及磁场测量方法

Info

Publication number: CN114089232B
Application number: CN202111409299.2A
Authority: CN
Inventors: 闫贝; 吕晓洲; 史尧光; 张维强; 姚斌
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2021-11-25
Filing date: 2021-11-25
Publication date: 2022-08-09
Anticipated expiration: 2041-11-25
Also published as: CN114089232A

Abstract

本发明公开了一种磁场传感器及磁场测量方法，磁场传感器包括传感单元，传感单元包括腔体、第一环形永磁铁阵列、第二环形永磁铁阵列、骨架，腔体内部中心位置安装有容器，容器由中间的主腔体与两端对称的开口部分构成，开口部分的直径小于主腔体直径，容器内填充有磁流体，容器外部的腔体内充满透明溶液，透明溶液的密度与磁流体的密度相等；第一环形永磁铁阵列、第二环形永磁铁阵列均套设于腔体的外部，第一环形永磁铁阵列、第二环形永磁铁阵列对称分布于容器的两侧；骨架用于固定腔体、第一环形永磁铁阵列、第二环形永磁铁阵列。本发明能够对磁场进行快速、高精度测量，成本低，能实现阵列传感器，磁场测量范围可调，具有重要的工程应用价值。

Description

一种磁场传感器及磁场测量方法

技术领域

本发明属于传感器领域，涉及一种磁场传感器及磁场测量方法。

背景技术

磁场传感器是可将各种磁场及其变化的量转变为磁场信号输出的传感器。磁场传感器在信息技术和信息产业中是不可缺少的基础元件。科研人员已研制出各类型的磁场传感器，并在各个工业领域及社会生活中应用广泛。但是由于磁场传感器的服役环境通常存在大量的电和磁的干扰源，比如电力线、电源开关、电车、电力铁道、高频电炉等电气设备产生的外部电磁噪声，磁场传感器及其辅助电路中各类电子元器件、转换器及传输线中的内部电磁噪声等。它们可能导致磁场传感器失效，此外磁场传感器相关电路也会收到电磁噪声的干扰，影响电路的正常工作，降低磁场传感器的磁场测量精度。因此针对复杂的外部电磁环境及内部电磁环境，设计无内部电磁噪声、抗外部电磁噪声能力强、结构简单、成本低、可靠性高的磁场传感器具有重要的工业应用价值。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种磁场传感器，能够对磁场进行快速、高精度测量，成本低，能实现阵列传感器，磁场测量范围可调，具有重要的工程应用价值。

本发明的另一目的是，提供磁场测量方法。

本发明所采用的技术方案是，一种磁场传感器，包括传感单元，传感单元包括

腔体，所述腔体内部中心位置安装有容器；

所述容器由中间的主腔体与两端对称的开口部分构成，开口部分的直径小于主腔体直径，容器内填充有磁流体，容器外部的腔体内充满透明溶液，透明溶液的密度与磁流体的密度相等，互不相容、且不发生化学反应；以及

第一环形永磁铁阵列、第二环形永磁铁阵列，所述第一环形永磁铁阵列、第二环形永磁铁阵列均套设于腔体的外部；第一环形永磁铁阵列、第二环形永磁铁阵列对称分布于容器的两侧，以及

骨架，用于固定腔体、第一环形永磁铁阵列、第二环形永磁铁阵列。

进一步的，所述第一环形永磁铁阵列、第二环形永磁铁阵列均与容器的开口部轴线同轴线。

进一步的，所述容器的开口部分的直径小于主腔体直径的1/10，容器的开口部分沿轴线的高度为主腔体高度的1/30~1/20。

进一步的，所述容器通过圆环与腔体固定连接，圆环内设有多个通孔，使透明溶液顺利通过。

进一步的，所述磁流体的体积小于容器的容积。

进一步的，所述容器的内外表面均有透明的疏油涂层。

进一步的，所述骨架由透明非金属材料制得成，容器由透明非金属材料制得。

进一步的，所述第一环形永磁铁阵列、第二环形永磁铁阵列均由尺寸相同、数量相等、磁极方向相同的永磁体单元构成。

进一步的，由多个所述传感单元拼接得到。

一种磁场传感器的磁场测量方法，采用上述磁场传感器，具体按照以下步骤进行：

步骤1，磁场传感器的刻度划分；

将磁场传感器放置于磁场发生器的磁场范围内，磁场的方向与第二环形永磁铁阵列轴向同向，磁场发生器缓慢施加磁场，在此过程中容器中磁流体的液面缓慢向容器的开口处靠近，确定磁场传感器的量程；磁场发生器产生量程内的多个磁感强度的磁场，分别记录对应的磁流体两端液面位置，在容器外壁标记磁场传感器的刻度；

步骤2，根据已标记的刻度进行磁场测量；将磁场传感器放置于待测的空间处，待磁流体液面位置稳定后，分别读取磁流体两端液面位置对应的刻度k _n与h _n，k _n与h _n分别对应的磁感应强度分别为B _kn与B _hn，则磁场传感器所在空间位置处的磁感应强度为（B _kn+B _hn）/2。

本发明的有益效果是：

1、本发明磁场传感器结构简单、精度高、可靠性高、无需额外工作供电、成本低。同时本发明通过测磁流体变形进行磁场测量，通常电磁噪声频率较高、无固定方向,对磁流体的变形影响较弱，对检测信号影响较低，从而使得本发明传感器抗环境电磁噪声干扰能力较强，测量结果不受外界受力的影响，精准度更高。

2、本发明的磁场传感器刻度方法与磁场测量方法可实现磁场的高效测量，并可由多个磁场传感器拼接实现阵列传感器，可通过调整永磁体单元的数量控制磁场测量量程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例磁场传感器的剖视图。

图2为本发明实施例磁场传感器的俯视图。

1.透明溶液，2.腔体，3.容器，4.第一环形永磁铁阵列，5.圆环，6.磁流体，7.第二环形永磁铁阵列，8.骨架。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1，

一种磁场传感器，如图1-2所示，包括传感单元，传感单元包括骨架8、腔体2、第一环形永磁铁阵列4、第二环形永磁铁阵列7。

骨架8用于固定腔体2、第一环形永磁铁阵列4、第二环形永磁铁阵列7；

腔体2位于骨架8的中心位置，腔体2内部中心位置安装有容器3，容器3由中间的主腔体与两端对称的开口部分构成，开口部分的直径小于主腔体直径，便于磁流体在磁场中运动，提高测量精度和量程；容器3内填充有磁流体6，容器3外部的腔体2内充满透明溶液1，透明溶液1的密度与磁流体6的密度相等，互不相容、且不发生化学反应；所起作用是传感器受力或是运动时不影响磁流体6，传感器不受重力及其他外界力的影响，可在运动情况复杂的情况下保证测量精度；如果存在外界磁场，磁流体6的变形更明显，提升精度。

第一环形永磁铁阵列4、第二环形永磁铁阵列7对称分布于腔体2的两侧，且与腔体2同轴线，即第一环形永磁铁阵列4、第二环形永磁铁阵列7套设于腔体2外部。第一环形永磁铁阵列4、第二环形永磁铁阵列7起到磁约束的作用，保证磁流体在无外界磁场时位于传感器中央位置，存在外界磁场时磁流体的运动范围控制在容器3之内。

在一些实施例中，透明溶液1为氯化钠溶液，氯化钠溶液透明、化学性能稳定，也可用具有相同作用的其他溶液代替。

在一些实施例中，容器3的开口部轴线与第一环形永磁铁阵列4、第二环形永磁铁阵列7同轴线，容器3的开口部分的直径小于主腔体直径的1/10。开口部分的直径小于主腔体直径的1/10，开口部分的直径越小，精度越高，但是量程变小；开口部分的直径越大，精度越低，但是量程变大；容器3的开口部分沿轴线的高度为主腔体高度的1/30~1/20。

在一些实施例中，容器3通过圆环5与腔体2固定连接，圆环5内设有多个通孔，使透明溶液1顺利通过；圆环5为塑料材质，透明溶液1可顺畅通过塑料圆环5的细密通孔；若不能顺利通过塑料圆环5，磁流体6在磁场中不会发生变形，传感器失效。

磁流体6的体积小于容器3的容积，容器3的内外表面均有透明的疏油涂层。

骨架8由透明非金属材料制造而成，容器3由透明非金属材料制造而成。骨架8需要的特点是透明（便于观察刻度值）、不干扰磁场（保证精度）、常温下较为坚固，符合上述特点的材质均可。骨架8为正方体结构，便于多个传感器组成阵列，腔体2固定于两个骨架8之间。

如图1中，第一环形永磁铁阵列4、第二环形永磁铁阵列7均由尺寸相同、数量相等、磁极方向相同的永磁体单元构成，永磁体单元的磁极均同向。骨架8位于腔体2两侧，上下均敞开（未包围），便于根据具体磁场测量的需要，调整第一环形永磁铁阵列4、第二环形永磁铁阵列7中永磁体单元的数量。

在一些实施例中，骨架8采用正方体结构，便于通过组装实现阵列传感器三个方向的磁场测量。

实施例2，

一种磁场传感器磁场测量方法，具体按照以下步骤进行：

步骤1，磁场传感器的刻度划分；将实施例1中的磁场传感器放置于磁场发生器的磁场范围内，该磁场的方向与第二环形永磁铁阵列7轴向同向，为了便于标定，若不同向，磁场为矢量，磁场发生器产生磁感强度与磁场传感器测取方向的磁场大小会不同，磁场发生器缓慢施加磁场，在此过程中容器3中磁流体6的液面缓慢向容器3的开口处靠近，当磁流体6液面距离开口处的距离为容器3总长度的1/40时，记磁场发生器产生的磁感强度B为磁场传感器的量程。

磁场发生器产生磁感强度分别为0.01B、0.02B、0.03B、0.04B、0.05B…0.99B和B的磁场时，分别记录磁流体6两端液面位置k ₁、k ₂、k ₃、k ₄、k ₅…k ₉₉、k ₁₀₀与h ₁、h ₂、h ₃、h ₄、h ₅…h ₉₉、h ₁₀₀，在腔体2外表面刻画相对应的刻度，并将每两个刻度之间进行十等分的刻度划分。

步骤2，根据已划分的刻度进行磁场测量；将实施例1中的磁场传感器放置于待测的空间处，待磁流体6液面位置稳定后，分别读取磁流体6两端液面位置对应的刻度k _n与h _n，k _n与h _n分别对应的磁感应强度分别为B _kn与B _hn，则磁场传感器所在空间位置处的磁感应强度为（B _kn+B _hn）/2；测量时，无需预判磁场方向，在同一位置测三个正交方向的磁场即可得到总磁场的大小与方向。

传统磁场传感器受电磁噪声干扰，会影响相关电路中的信号，进一步影响测量结果，而本发明实施例中无需相关电路，因此抗环境电磁噪声干扰能力较强。将多个传感单元的正方形表面粘贴在一起，拼接得到阵列的磁场传感器，如图1所示，左右、前后、上下方向均可拼接；增加了永磁体单元的数量，从而增大了量程，在不超量程的情况下，待测磁感应强度越大，测量精度越高。

本发明实施例的磁场传感器通过刻度可实时显示磁场强度，同时还可以拼接成阵列，快速实现多个位置的磁场测量，大幅提高了测量效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种磁场传感器，其特征在于，包括传感单元，传感单元包括

腔体（2），所述腔体（2）内部中心位置安装有容器（3）；

所述容器（3）由中间的主腔体与两端对称的开口部分构成，开口部分的直径小于主腔体直径，容器（3）内填充有磁流体（6），容器（3）外部的腔体（2）内充满透明溶液（1），透明溶液（1）的密度与磁流体（6）的密度相等，互不相容、且不发生化学反应；以及

第一环形永磁铁阵列（4）、第二环形永磁铁阵列（7），所述第一环形永磁铁阵列（4）、第二环形永磁铁阵列（7）均套设于腔体（2）的外部；第一环形永磁铁阵列（4）、第二环形永磁铁阵列（7）对称分布于容器（3）的两侧，以及

骨架（8），用于固定腔体（2）、第一环形永磁铁阵列（4）、第二环形永磁铁阵列（7）；

所述第一环形永磁铁阵列（4）、第二环形永磁铁阵列（7）均与容器（3）的开口部轴线同轴线；

所述容器（3）的开口部分的直径小于主腔体直径的1/10，容器（3）的开口部分沿轴线的高度为主腔体高度的1/30~1/20；

所述容器（3）通过圆环（5）与腔体（2）固定连接，圆环（5）内设有多个通孔，使透明溶液（1）顺利通过；

所述第一环形永磁铁阵列（4）、第二环形永磁铁阵列（7）均由尺寸相同、数量相等、磁极方向相同的永磁体单元构成。

2.根据权利要求1所述一种磁场传感器，其特征在于，所述磁流体（6）的体积小于容器（3）的容积。

3.根据权利要求1所述一种磁场传感器，其特征在于，所述容器（3）的内外表面均有透明的疏油涂层。

4.根据权利要求1所述一种磁场传感器，其特征在于，所述骨架（8）由透明非金属材料制得成，容器（3）由透明非金属材料制得。

5.根据权利要求1所述一种磁场传感器，其特征在于，由多个所述传感单元拼接得到。

6.一种磁场传感器的磁场测量方法，其特征在于，采用如权利要求1所述一种磁场传感器，具体按照以下步骤进行：

步骤1，磁场传感器的刻度划分；

将磁场传感器放置于磁场发生器的磁场范围内，磁场的方向与第二环形永磁铁阵列（7）轴向同向，磁场发生器缓慢施加磁场，在此过程中容器（3）中磁流体（6）的液面缓慢向容器（3）的开口处靠近，确定磁场传感器的量程；磁场发生器产生量程内的多个磁感强度的磁场，分别记录对应的磁流体（6）两端液面位置，在容器（3）外壁标记磁场传感器的刻度；

步骤2，根据已标记的刻度进行磁场测量；将磁场传感器放置于待测的空间处，待磁流体（6）液面位置稳定后，分别读取磁流体（6）两端液面位置对应的刻度k _n与h _n，k _n与h _n分别对应的磁感应强度分别为B _kn与B _hn，则磁场传感器所在空间位置处的磁感应强度为（B _kn+B _hn）/2。