CN202083785U - 一种空间磁场矢量测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种空间磁场矢量测量装置，属于弱磁测量装置领域，包括三轴线圈磁传感器、一级前置放大电路、二级前置放大电路、有源带通滤波电路、补偿放大电路、数据采集模块以及数据处理模块。通过三轴线圈磁传感器采集空间某点X、Y、Z三个方向的磁场强度分量信号，并分别经过一级前置放大电路、二级前置放大电路、有源带通滤波电路、补偿放大电路进入到数据采集模块，数据采集模块发送给数据处理模块进行处理得到当前磁场的强度，最终将X、Y、Z三个方向的磁场分量信息进行图形化显示。其中，三轴线圈磁传感器的设计使测量装置的测量精度可达nT量级。本实用新型的优点在于：结构简单、测量精度高，且噪声小、漂移低、稳定性高。

Description

一种空间磁场矢量测量装置

技术领域

本发明属于弱磁测量装置技术领域，具体的是一种用于三轴方向的弱磁场探测的空间磁场矢量测量装置。 

背景技术

基于电磁感应的线圈磁传感器由于其工作原理简单可靠，可以广泛应用于如位置测量、位移测量，涡电流检测，无损探测测量及地震预测等。线圈磁传感器也被称为探测线圈传感器，感应磁传感器或者磁回路传感器。 

磁测量技术在科研、医学及国民经济各部门的重要性日益凸显。针对各种磁场测量的不同要求，具有不同优点和性能的磁传感器也层出不穷，如磁通门传感器、GMR、GMI、SQUID、核进动、光泵磁传感器等。 

线圈传感器作为一种最古老的磁传感器之一，具有可探测范围宽、灵敏度高、噪声低(达fT量级，通常用在深空弱磁场探测)和制作简单的优点，具有极广泛的应用。线圈磁传感器的工作原理是法拉第电磁感应基本定律，在均匀交变磁场下其感应电压如式(1)所示： 

$V=-n\·\frac{\mathrm{d\Φ}}{\mathrm{dt}}=-n\·A\·\frac{\mathrm{dB}}{\mathrm{dt}}=-{\mathrm{\μ}}_0\·n\·A\·\frac{\mathrm{dH}}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

此处Φ是通过线圈有效面积为A、匝数为n的线圈的磁通量，B为磁感应强度，H为磁场强度，μ₀＝4π×10^-7N/A为真空磁导率常数。由上式可知，线圈磁传感器仅在变化的磁场中能感应出电压信号，即仅对交流磁场敏感，因此线圈磁传感器的应用范围也受到了一定的限制。通过将三个线圈传感器相互正交放置，并且保证三个线圈传感器的中心点在误差允许的范围内相互重合，由此形成三轴线圈的磁传感器。通过三轴线圈磁传感器可检测同一位置三个不同方向的磁场信号，能够很好的检测出某一位置处的磁场方向，能够分辨地底电缆的位置及方向、位移的测量及导体中涡电流的测量。但这种三轴线圈磁传感器虽然灵敏度比较 

高且被动工作功耗极低，制作、使用和维护都比较容易，能够探测的磁场强度范围为10-14T-104T，目前同尺寸的线圈磁传感器的测量精度仅能达到uT量级，且缺点是体积比 较大，难以微型化和集成化。 

发明内容

为了解决现上述技术问题，本发明提供一种测量精度可达nT量级的空间磁场矢量测量系统。

一种空间磁场矢量测量装置，包括三轴线圈磁传感器、电压跟随电路、一级前置放大电路、二级前置放大电路、有源带通滤波电路、补偿放大电路、数据采集模块以及数据处理模块。 

三轴线圈磁传感器用来采集空间某一点在X、Y、Z三个方向的磁场强度分量，并连接有三个电压跟随电路，通过三个电压跟随电路分别实现三轴线圈磁传感器与后级各电路间的阻抗匹配。三个电压跟随电路分别与三个一级前置放大电路相连，通过三个一级前置放大电路分别对三轴线圈磁传感器采集的空间某点在X、Y、Z三个方向的磁场强度分量信号进行一级放大。三个一级前置放大电路分别与三个二级前置放大电路相连，通过三个二级前置放大电路分别将由三个一级前置放大电路放大后的X、Y、Z三个方向磁场强度分量信号进行二级放大；三个二级前置放大电路分别与三个有源带通滤波电路相连，三个有源带通滤波电路分别用来将经过二级放大后的X、Y、Z三个方向的磁场强度分量信号进行带通滤波处理，从而屏蔽其他频段的电磁场对X、Y、Z三个方向的磁场强度分量信号的噪声干扰。三个有源带通滤波电路分别与三个补偿放大电路相连，通过三个补偿放大电路分别用来将经过二级放大后的X、Y、Z三个方向的磁场强度分量信号进行放大，从而补偿经过二级放大后的X、Y、Z三个方向的磁场强度分量信号在有源带通滤波电路产生的信号衰减。三个补偿放大电路均与数据采集模块相连，通过数据采集模块采集经三个补偿放大电路放大后的X、Y、Z三个方向的磁场强度分量信号，并发送给数据处理模块。数据处理模块与数据采集模块相连，用来将接收到的X、Y、Z三个方向的磁场强度分量信号分别取平均值，从而得到当前磁场的强度。 

上述三轴线圈磁传感器包括由三个圆心重合且相互垂直的等大小圆形构成的线圈骨架与缠绕在线圈骨架中三个圆形周向上的线圈组成。所述线圈骨架中三个圆形的轴向长度l和线圈的直径之间关系为：l/D＝0.67～0.866，其中，D_i/D＝0时为0.67，D_i/D＝1时为0.866，D_i为线圈的内径，D为线圈的外径。 

本实用新型的优点在于： 

1、本实用新型三轴线圈磁传感器由于能够检测空间任意位置三个不同方向的磁场信号，能够很好的检测出某一位置处的磁场大小及方向； 

2、本实用新型中结构简单，测量精度高，可达nT量级、噪声小、漂移低、稳定性高； 

3、本实用新型在地下电缆无损检测、地磁导航等应用领域具有广泛的应用、发展空间。 

附图说明

图1是本实用新型测量装置整体结构框图； 

图2是本实用新型测量装置中三轴线圈磁传感器结构示意图； 

图3是本实用新型测量装置随外界磁场变化的输出电压曲线。 

图中： 

1、三轴线圈磁传感器  2、电压跟随电路  3、一级前置放大电路  4、二级前置放大电路 

5、有源带通滤波电路  6、补偿放大电路  7、数据采集模块      8、数据处理模块 

101-线圈骨架         102-线圈 

具体实施方式

下面结合附图来对本实用新型作进一步说明。 

本实用新型一种空间磁场矢量测量装置，如图1所示，包括三轴线圈磁传感器1、电压跟随电路2、一级前置放大电路3、二级前置放大电路4、有源带通滤波电路5、补偿放大电路6、数据采集模块7以及数据处理模块8。 

三轴线圈磁传感器1用来采集空间某点在X、Y、Z三个方向的磁场强度分量，并连接有三个电压跟随电路2，通过三个电压跟随电路2分别实现三轴线圈磁传感器1与后级各电路间的阻抗匹配。三个电压跟随电路2分别与三个一级前置放大电路3相连，通过三个一级前置放大电路3分别对三轴线圈磁传感器1采集的空间某点在X、Y、Z三个方向的磁场强度分量信号进行一级放大。三个一级前置放大电路3分别与三个二级前置放大电路4相连，通过三个二级前置放大电路4分别将由三个一级前置放大电路3放大后的X、Y、Z三个方向磁场强度分量信号进行二级放大。三个二级前置放大电路4分别与三个有源带通滤波电路5相连，三个有源带通滤波电路5分别用来将经过二级放大后的X、Y、Z三个方向的磁场强度分量信号进行带通滤波处理，从而屏蔽其他频段的电磁场对X、Y、Z三个方向的磁场强度分量信号的噪声干扰。三个有源带通滤波电路5分别与三个补偿放大电路6相连，通过三个补 偿放大电路6分别用来将经过二级放大后的X、Y、Z三个方向的磁场强度分量信号进行放大，放大倍数为1.4倍，从而补偿经过二级放大后的X、Y、Z三个方向的磁场强度分量信号在有源带通滤波电路5产生的信号衰减。三个补偿放大电路6均与数据采集模块7相连，通过数据采集模块7采集经三个补偿放大电路6放大后的X、Y、Z三个方向的磁场强度分量信号，并发送给数据处理模块8。 

数据处理模块8与数据采集模块7相连，用来将每1s内接收到的X、Y、Z三个方向的磁场强度分量信号分别取平均值，从而得到当前磁场的强度。 

数据处理模块8中还包括显示模块、可视化操作模块、数字滤波模块，频谱分析模块，数据存储模块。其中，显示模块用来以直观的数字图形方式显示磁场的强度，如绘制曲线图等。可视化操作模块用来控制数据处理模块8选择性的接收X、Y、Z三个方向的磁场强度分量信号，并在显示模块中进行显示。数字滤波模块进一步的屏蔽所待测信号所在频段以外的电磁噪声。频谱分析模块用于分析，评价，检测滤波电路的效果，也可直接对三轴线圈磁传感器1的输出信号进行频谱分析，以达到分析空间中磁场信号的频段的目的。数据存储模块，可以将采集的信号存储为TXT，Excel两种格式的文件，便于后续深入分析及数据的永久保存。 

上述三轴线圈磁传感器1包括由三个圆心重合且相互垂直的等大小圆形构成的线圈骨架101与缠绕在线圈骨架101中三个圆形周向上的线圈102组成，其中，所述线圈骨架101采用磁导率低的树脂材料，由此可降低X、Y、Z三个方向磁场的交互干扰。线圈102采用铜制漆包线，由此使线圈102具有测量X、Y、Z三个方向磁场强度的功能。 

从理论上讲，在保证其他参数相同的情况下线圈102的截面积越大则磁传感的灵敏度越高，线圈骨架101中三个圆形的轴向长度l和线圈102的直径之间关系为：l/D＝0.67～0.866，其中，D_i/D＝0时为0.67，D_i/D＝1时为0.866，D_i为线圈102的内径，D为线圈102的外径。但受实际应用条件的制约，本实施例中线圈102的内径D_i设计为9cm，外径D为12cm，线圈骨架101中三个圆形的轴向长度l为4cm。 

本实用新型空间磁场测量装置随外界磁场变化的输出电压曲线，如图3所示，可见本实用新型对磁场具有很高的灵敏度，可达28.325mV/nT，且稳定性高。 

Claims (2)

1.一种空间磁场矢量测量装置，其特征在于：包括三轴线圈磁传感器、电压跟随电路、一级前置放大电路、二级前置放大电路、有源带通滤波电路、补偿放大电路、数据采集模块以及数据处理模块；

三轴线圈磁传感器用来采集空间一点在X、Y、Z三个方向的磁场强度分量，并连接有三个电压跟随电路，通过三个电压跟随电路分别实现三轴线圈磁传感器与后级各电路间的阻抗匹配；三个电压跟随电路分别与三个一级前置放大电路相连，通过三个一级前置放大电路分别对三轴线圈磁传感器采集的空间某点在X、Y、Z三个方向的磁场强度分量信号进行一级放大；三个一级前置放大电路分别与三个二级前置放大电路相连，通过三个二级前置放大电路分别将由三个一级前置放大电路放大后的X、Y、Z三个方向磁场强度分量信号进行二级放大；三个二级前置放大电路分别与三个有源带通滤波电路相连，三个有源带通滤波电路分别用来将经过二级放大后的X、Y、Z三个方向的磁场强度分量信号进行带通滤波处理，从而屏蔽其他频段的电磁场对X、Y、Z三个方向的磁场强度分量信号的噪声干扰；三个有源带通滤波电路分别与三个补偿放大电路相连，通过三个补偿放大电路分别用来将经过有源带通滤波处理后的X、Y、Z三个方向的磁场强度分量信号进行放大，从而补偿经过二级放大后的X、Y、Z三个方向的磁场强度分量信号在有源带通滤波电路产生的信号衰减；三个补偿放大电路均与数据采集模块相连，通过数据采集模块采集经三个补偿放大电路放大后的X、Y、Z三个方向的磁场强度分量信号，并发送给数据处理模块；数据处理模块用来将接收到的X、Y、Z三个方向的磁场强度分量信号分别取平均值，从而得到当前磁场的强度；

所述的三轴线圈磁传感器由三个圆心重合且相互垂直的等大小圆形构成的线圈骨架与缠绕在线圈骨架中三个圆形周向上的线圈组成。

2.如权利要求1所述一种空间磁场矢量测量装置，其特征在于：所述线圈骨架中三个圆形的轴向长度l和线圈的直径之间关系为：l/D＝0.67～0.866，其中，D_i/D＝0时为0.67，D_i/D＝1时为0.866，D_i为线圈的内径，D为线圈的外径。

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