CN202033466U - 一种弱磁场测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种弱磁场测量装置，包括：参考线圈、电流采样电阻、直流电源、调制线圈、磁敏电阻、交流电源和测控单元；参考线圈和电流采样电阻串联与直流电源构成电流回路，产生参考磁场；调制线圈和磁敏电阻串联与交流电源构成电流回路，产生调制磁场；参考线圈与调制线圈靠近并保持相对位置状态不变；磁敏电阻位于同时能感应到参考磁场和调制磁场的位置；测控单元通过电流采样电阻检测流过参考线圈的直流电流，通过改变直流电源幅值或极性，并分别检测在不同的幅值或极性下磁敏电阻两端的直流电压分量，然后通过测得的直流电流和直流电压分量，计算得到被测磁场的大小和方向。本实用新型结构简单、成本低廉，测量结果不受温度影响。

Description

一种弱磁场测量装置

技术领域

本实用新型涉及电子测量技术领域，更具体地说，涉及一种弱磁场测量装置。

背景技术

现有技术中弱磁场的测量方法主要有：磁通门法、核磁共振法、光磁共振法、超导量子干涉法和磁旋光效应法等，这些方法虽然测量精度和灵敏度很高，但普遍存在结构工艺复杂、成本高的问题。

此外，霍尔效应法也是现有技术中较常用的一种方法，该方法结构简单、成本低廉，但是在测量过程中，存在厄廷好森效应、能斯特效应、里纪一勒杜克效应，以及电极位置不完全对称所引起的不等位电势，其中厄廷好森效应无法消除，当磁场方向不能改变时，不等位电势无法消除，另外，霍尔传感器还存在较大的温度系数。

因此，如果能够提出一种测量精度和灵敏度较高并且不受温度影响，同时结构工艺简单、成本低廉的弱磁场测量装置，将具有重大的现实意义，能够使高精度的弱磁场测量在电子测量领域得到广泛应用。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供一种测量精度和灵敏度较高并且不受温度影响，同时结构工艺简单、成本低廉的弱磁场测量装置，技术方案如下：

一种弱磁场测量装置，包括：参考线圈、电流采样电阻、直流电源、调制线圈、磁敏电阻、交流电源和测控单元；其中：

所述参考线圈和所述电流采样电阻串联，并与所述直流电源构成电流回路，产生参考磁场；

所述调制线圈和所述磁敏电阻串联，并与所述交流电源构成电流回路，产生调制磁场；

所述参考线圈与所述调制线圈靠近并保持相对位置状态不变；

所述磁敏电阻位于同时能感应到参考磁场和调制磁场的位置，感应被测磁场、参考磁场及调制磁场；

所述测控单元连接所述电流采样电阻的两端、磁敏电阻的两端、直流电源和交流电源，通过电流采样电阻检测流过参考线圈的直流电流，通过改变直流电源幅值或极性，分别检测在不同的直流电源幅值或极性下磁敏电阻两端的直流电压分量，并通过测得的参考线圈的直流电流和磁敏电阻两端的直流电压分量，计算得到被测磁场的大小和方向。

优选的，上述弱磁场测量装置中，所述参考线圈与所述调制线圈同轴。

通过以上技术方案可以看出，本实用新型构建了一套主要由磁敏电阻构成的弱磁场测量装置，测量时，通过电流采样电阻检测流过参考线圈的直流电流，通过改变直流电源幅值或极性，分别检测在不同的直流电源幅值或极性下磁敏电阻两端的直流电压分量，并通过测得的参考线圈的直流电流和磁敏电阻两端的直流电压分量，计算得到被测磁场的大小和方向。本实用新型在利用了磁敏电阻所具有的结构简单、灵敏度高和成本低廉等优点的同时，能够滤除温度对弱磁场测量的影响，测量的精度较高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，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为本实用新型提供的提供的一种弱磁场测量装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

参见图1所示，本实用新型实施例提供的一种弱磁场测量装置可以包括：

参考线圈C_R、电流采样电阻R_S、直流电源E_DC、调制线圈C_M、磁敏电阻R_M、交流电源E_AC和测控单元PU。

其中，所述参考线圈C_R和所述电流采样电阻R_S串联，并与所述直流电源E_DC构成电流回路，产生参考磁场；所述调制线圈C_M和所述磁敏电阻R_M串联，并与所述交流电源E_AC构成电流回路，产生调制磁场；所述参考线圈C_R与所述调制线圈C_M靠近并保持相对位置状态不变；所述磁敏电阻R_M位于同时能感应到参考磁场和调制磁场的位置，感应被测磁场、参考磁场及调制磁场；所述测控单元PU连接所述电流采样电阻R_S的两端、磁敏电阻R_M的两端、直流电源E_DC和交流电源E_AC，通过电流采样电阻R_S检测流过参考线圈C_R的直流电流，通过改变直流电源E_DC幅值或极性，分别检测在不同的直流电源幅值或极性下磁敏电阻R_M两端的直流电压分量，并通过测得的参考线圈C_R的直流电流和磁敏电阻R_M两端的直流电压分量，计算得到被测磁场的大小和方向。

在其它实施例中，所述参考线圈C_R与所述调制线圈C_M同轴。

本发明实施例提供的弱磁场测量装置具体的测量原理如下：

调制线圈C_M与参考线圈C_R存在互感系数，则流过调制线圈C_M电流为：

$i_M=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{Mi}}\sin ({\mathrm{\ω}}_{i}t+{\mathrm{\α}}_i)---\left(1\right)$

式中，I_Mi、ω_i、α_i分别为流过调制线圈C_M交流电流i次频率分量的幅值、角频率、相位，n为交流电流所含不同频率分量的个数，n为不小于1的自然数，n个不同频率中任两个频率之和，以及之差不等于其余任一个频率。

调制线圈C_M产生的磁感应强度为：

$B_M={\mathrm{\σ}}_M\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{Mi}}\sin ({\mathrm{\ω}}_{i}t+{\mathrm{\α}}_i)---\left(2\right)$

式中，σ_M为与调制线圈C_M结构参数和介质磁导率有关的常数。

流过参考线圈C_R的电流为：

$i_R=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{Ri}}\sin ({\mathrm{\ω}}_{i}t+{\mathrm{\β}}_i)+I_{R0}---\left(3\right)$

式中，I_Ri、β_i、I_R0分别为流过参考线圈C_R感应电流i次频率分量的幅值、相位、直流电流。

参考线圈C_R产生的磁感应强度为：

$B_R={\mathrm{\σ}}_R[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{Ri}}\sin ({\mathrm{\ω}}_{i}t+{\mathrm{\β}}_i)+I_{R0}]---\left(4\right)$

式中，σ_R为与参考线圈C_R结构参数和介质磁导率有关的常数。

在弱磁场条件下，磁敏电阻的磁阻效应表达为：

R＝R₀(1+k_sB²)                (5)

式中，R₀为与温度有关的零磁场电阻值，R为有磁场时的电阻值，B为磁敏电阻所敏感的磁感应强度，k_s为与材料的载流子迁移率和材料形状及温度有关的磁阻系数。

设被测磁场的磁感应强度为B₀，在参考线圈C_R产生的磁场B_R、调制线圈C_M产生的磁场B_M及被测磁场B₀的作用下，磁敏电阻R_M阻值为：

$R_M=R_0[1+k_s{(B_0+B_R+B_M)}^2]$

$=R_0\{1+k_s[B_0+{\mathrm{\σ}}_R\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{Ri}}\sin ({\mathrm{\ω}}_{i}t+{\mathrm{\β}}_i)---\left(6\right)$

$+{\mathrm{\σ}}_R{I}_{R0}+{\mathrm{\σ}}_M\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{Mi}}\sin {({\mathrm{\ω}}_{i}t+{\mathrm{\α}}_i)]}^2\}$

磁敏电阻R_M两端的检测电压为：

$u_{R_M}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{Mi}}\sin ({\mathrm{\ω}}_{i}t+{\mathrm{\α}}_i)(R_M+R_W)$

$+M_{{\mathrm{MR}}_M}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{Mi}}{\mathrm{\ω}}_i\cos ({\mathrm{\ω}}_{i}t+{\mathrm{\α}}_i)---\left(7\right)$

$+M_{{\mathrm{RR}}_M}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{Ri}}{\mathrm{\ω}}_i\cos ({\mathrm{\ω}}_{i}t+{\mathrm{\β}}_i)$

式中，

分别为调制线圈C_M和参考线圈C_R与磁敏电阻R_M电压检测回路的互感系数，R_W为磁敏电阻R_M引线电阻。

由于n个不同频率中任两个频率之和及之差不等于其余任一个频率，所以，磁敏电阻R_M两端检测电压的直流分量为：

$U_1=R_0{k}_s({\mathrm{\σ}}_R{I}_{R0}+B_0)[{\mathrm{\σ}}_R\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{Ri}}{I}_{\mathrm{Mi}}\cos ({\mathrm{\α}}_i-{\mathrm{\β}}_i)+{\mathrm{\σ}}_M\underset{i=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{I_{\mathrm{Mi}}}^2]---\left(8\right)$

仅改变直流电源E_DC的幅值或极性，使流过参考线圈C_R的直流电流为I_R1，则调制线圈C_M和参考线圈C_R的交流电流大小不变，它们间的相位差也不变，磁敏电阻R_M两端检测电压的直流分量为：

$U_2=R_0{k}_s({\mathrm{\σ}}_R{I}_{R1}+B_0)[{\mathrm{\σ}}_R\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{Ri}}{I}_{\mathrm{Mi}}\cos ({\mathrm{\α}}_i-{\mathrm{\β}}_i)+{\mathrm{\σ}}_M\underset{i=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{I_{\mathrm{Mi}}}^2]---\left(9\right)$

根据式(8)、(9)，(8)/(9)可得被测直流磁场B₀为：

$B_0=\frac{{\mathrm{\σ}}_R(U_2{I}_{R0}-U_1{I}_{R1})}{U_1-U_2}---\left(10\right)$

由公式(10)可以看出，本实用新型提供的弱磁场测量装置能够检测被测磁场的大小和方向，并且测量结果与磁敏电阻温度无关。

从上述实施例可以看出，本实用新型实施例构建了一套主要由磁敏电阻构成的弱磁场测量装置，测量时，通过电流采样电阻检测流过参考线圈的直流电流，通过改变直流电源幅值或极性，分别检测在不同的直流电源幅值或极性下磁敏电阻两端的直流电压分量，并通过测得的参考线圈的直流电流和磁敏电阻两端的直流电压分量，计算得到被测磁场的大小和方向。本实用新型实施例在利用了磁敏电阻所具有的结构简单、灵敏度高和成本低廉等优点的同时，能够滤除温度对弱磁场测量的影响，测量的精度较高。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (2)

1.一种弱磁场测量装置，其特征在于，包括：参考线圈、电流采样电阻、直流电源、调制线圈、磁敏电阻、交流电源和测控单元；其中：

所述参考线圈和所述电流采样电阻串联，并与所述直流电源构成电流回路，产生参考磁场；

所述调制线圈和所述磁敏电阻串联，并与所述交流电源构成电流回路，产生调制磁场；

所述参考线圈与所述调制线圈靠近并保持相对位置状态不变；

所述磁敏电阻位于同时能感应到参考磁场和调制磁场的位置，感应被测磁场、参考磁场及调制磁场；

所述测控单元连接所述电流采样电阻的两端、磁敏电阻的两端、直流电源和交流电源，通过电流采样电阻检测流过参考线圈的直流电流，通过改变直流电源幅值或极性，分别检测在不同的直流电源幅值或极性下磁敏电阻两端的直流电压分量，并通过测得的参考线圈的直流电流和磁敏电阻两端的直流电压分量，计算得到被测磁场的大小和方向。

2.根据权利要求1所述的弱磁场测量装置，其特征在于，所述参考线圈与所述调制线圈同轴。

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