KR100601818B1

KR100601818B1 - Magnetometer with flux gate magnetic sensor for measuring pole low magnetic field and signal processing method for measuring pole low magnetic field

Info

Publication number: KR100601818B1
Application number: KR1020030078738A
Authority: KR
Inventors: 이문호; 장긍덕; 이주옥
Original assignee: 이문호; 장긍덕; 이주옥
Priority date: 2003-11-07
Filing date: 2003-11-07
Publication date: 2006-07-19
Also published as: KR20050044155A

Abstract

본 발명은 통상의 플럭스게이트 센서에서의 1차 코일과 2차 코일을 모두 활용하지 않고, 일차 코일만 가지는 센서 두개를 나란히 한 후, 서로 반대 방향으로 코어가 충분히 포화될 수 있도록 교류 전류를 흘릴 때, 두 개의 센서에 감겨 있는 코일에 흐르는 전류를 검출하여 출력 신호원으로 취하는 방법과, 또한 통상적인 플럭스게이트 센서의 신호처리에서 사용하는 L-C공진에서 공진주파수(resonant frequency)의 2배 주파수를 만들어 동기 검파 하지 않고, 임의의 주파수에서 구동시킨 센서의 자기 이력 곡선(magnetic hysteresis curve)에서 자속 밀도(magnetic flux density, B)가 0이 되는 시점에서 신호를 샘플링(sampling)하여 검파하는 방법을 제공함으로서 임의의 구동주파수에서 직선성이 뛰어나고, 고 이득의 출력을 얻을 수 있는 1pT정도의 극 저자기장을 측정할 수 있는 플럭스게이트 자기센서를 구비한 마그네토미터 및 그 센서로부터 발생하는 신호를 처리하여 극 저자기장을 측정하기 위한 신호처리방법을 제공함으로써, 직류를 비롯하여 0-50kHz의 측정 주파수에서 1fT∼1pT의 해상도를 가지고 1mT∼1pT의 자기장을 측정할 수 있다. The present invention does not utilize both the primary coil and the secondary coil in a conventional fluxgate sensor, and when the AC current flows so that the cores are sufficiently saturated in the opposite directions after two sensors having only the primary coil side by side. In this method, the current flowing through the coil wound around the two sensors is detected and used as an output signal source. Also, the LC resonance used in the signal processing of a conventional fluxgate sensor is made twice to synchronize the resonant frequency. By providing a method of sampling and detecting a signal when the magnetic flux density (B) becomes zero in a magnetic hysteresis curve of a sensor driven at an arbitrary frequency without detection. It has excellent linearity at the drive frequency of and can measure extreme low magnetic field of about 1pT which can get high gain output. Magnetometer equipped with Luxgate magnetic sensor and signal processing method for measuring extreme low magnetic field by processing signal generated from the sensor, and have resolution of 1fT ~ 1pT at measurement frequency of 0-50kHz including DC Magnetic fields of 1 mT to 1 pT can be measured.

플럭스게이트 센서, 마그네토미터, 외부자기장, 자기이력곡선, 자속밀도 Fluxgate sensor, magnetometer, external magnetic field, hysteresis curve, magnetic flux density

Description

Magnetometer having fluxgate-type magnetic sensor and signal processing method for measurement of ultra low magnetic field}

도 1은 종래의 플럭스게이트 마그네토미터의 구성 회로도이다.1 is a circuit diagram illustrating a conventional fluxgate magnetometer.

도 2는 도 1의 각 점에 있어서 신호 파형과 동기 검파 신호를 나타내는 파형도이다.FIG. 2 is a waveform diagram showing a signal waveform and a synchronous detection signal at each point in FIG. 1.

도 3은 도 1에 있어서 플럭스게이트 센서의 코일을 도시한 도면으로써, (가)는 모형도이고, (나)는 등가회로도이다.FIG. 3 is a diagram illustrating a coil of a fluxgate sensor in FIG. 1, (a) is a model diagram, and (b) is an equivalent circuit diagram.

도 4는 도 1에 있어서 플럭스게이트 센서의 개념을 설명하기 위한 도면으로써, (가)는 공진회로이고, (나)는 그 공진주파수 부근에서의 어더미턴스 변화를 나타내는 특성도이다.FIG. 4 is a diagram for explaining the concept of a fluxgate sensor in FIG. 1, (a) is a resonant circuit, and (b) is a characteristic diagram showing the change in the admittance near the resonance frequency.

도 5는 도 1에 있어서 외부 자기장의 강도가 낮을 때의 짝수 고조파(Vo1)와 동기 검파 신호(Vo2)를 나타내는 특성도이다.FIG. 5 is a characteristic diagram showing an even harmonic Vo1 and a synchronous detection signal Vo2 when the intensity of the external magnetic field is low in FIG. 1.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 극 저자기장 측정용 플럭스게이트 자기센서 모형도이다.FIG. 6 is a schematic diagram of a fluxgate magnetic sensor for measuring a pole low magnetic field according to an exemplary embodiment of the present invention. FIG.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 극 저자기장 측정용 플럭스게이트 자기센서를 구비한 마그네토미터의 구성 회로도이다.7 is a configuration circuit diagram of a magnetometer having a fluxgate magnetic sensor for measuring a pole low magnetic field according to an embodiment of the present invention.

도 8은 도 7의 각 점에 있어서의 각 파형도이다.FIG. 8 is a waveform diagram at each point of FIG. 7.

도 9는 도 7에 있어서 외부 자기장이 존재할 때의 신호출력을 나타내는 파형도이다.FIG. 9 is a waveform diagram illustrating signal output when an external magnetic field is present in FIG. 7.

도 10은 도 7에 있어서 외부 자기장이 존재하지 않을 때의 출력신호를 나타내는 파형도이다.FIG. 10 is a waveform diagram illustrating an output signal when no external magnetic field exists in FIG. 7.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 극 저자기장 측정용 플럭스게이트 자기센서의 동작 시 자기이력곡선의 이동과 출력전압의 관계를 나타내는 동작 특성도이다.FIG. 11 is an operation characteristic diagram illustrating a relationship between a movement of a magnetic hysteresis curve and an output voltage during operation of a flux gate magnetic sensor for measuring a pole low magnetic field according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 극 저자기장 측정용 플럭스게이트 자기센서에 가한 50㎐의 외부 자기장에 대응하는 센서의 출력 파형도이다.FIG. 12 is an output waveform diagram of a sensor corresponding to an external magnetic field of 50 Hz applied to a flux gate magnetic sensor for measuring a pole low magnetic field according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 극 저자기장 측정용 플럭스게이트 자기센서에 가한 2㎑의 외부 자기장에 대응하는 센서의 출력 파형도이다.FIG. 13 is an output waveform diagram of a sensor corresponding to an external magnetic field of 2 Hz applied to a fluxgate magnetic sensor for measuring a pole low magnetic field according to an exemplary embodiment of the present invention.

본 발명은 1pT정도의 극 저자기장을 측정할 수 있는 플럭스게이트 자기센서 및 그 센서로부터 발생하는 신호를 처리하여 극 저자기장을 측정하는 신호처리방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 본 발명은 통상의 플럭스게이트형 센서에 사용되는 1차 코일과 2차 코일을 모두 활용하지 않고, 2개로 분리되어 평행하게 배열된 제1 센서코어 및 제2 센서코어에 1차 코일만이 감긴 플럭스게이트 자기센서를 구성하여, 코일이 공진하지 않은 상태에서 서로 반대방향으로 이들 센서코어가 충분히 포화될 수 있도록 교류전류를 가하여 자속 밀도(magnetic flux density, B)가 영(zero)이 되는 부근에서 다점 표본채취(multipoint sampling) 및 적분하여 외부 자기장을 측정하는 신호처리방법을 제공함으로써, 통상적인 플럭스게이트형 센서에서 행해지는 L-C공진을 이용하지 않기 때문에 전력소모가 극히 적고, 코일의 구동(driving)주파수를 높일 수 있으며, 신호 대 잡음비(signal to noise ratio)가 높아서 코일인가 전압 ± 5V, 전류 10mA, 최대 측정주파수 50kHz의 플럭스게이트형 마그네토미터를 제작하여 측정주파수 2kHz에서 1pT의 분해능을 실현할 수 있는 극 저자기장 측정용 플럭스게이트 자기센서와 이 센서를 이용한 플럭스게이트 마그네토미터 및 그 센서로부터 발생하는 신호를 처리하여 외부 자기장을 측정하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fluxgate magnetic sensor capable of measuring a pole low magnetic field of about 1 pT, and a signal processing method for measuring a pole low magnetic field by processing a signal generated from the sensor. The fluxgate magnetic sensor is wound around the first sensor core and the second sensor core which are arranged in two separate and parallel arrangements without utilizing both the primary coil and the secondary coil used in the fluxgate sensor. Multipoint sampling in the vicinity of the magnetic flux density (B) becomes zero by applying an alternating current so that these sensor cores are sufficiently saturated in the opposite directions without the coil resonating. And by integrating a signal processing method for measuring an external magnetic field, thereby eliminating the use of LC resonances performed in conventional fluxgate sensors. As a result, the power consumption is extremely low, the driving frequency of the coil can be increased, and the signal-to-noise ratio is high, so the fluxgate magnetometer with the coil applied voltage ± 5V, current 10mA, and maximum measurement frequency 50kHz can be used. Fluxgate magnetic sensor for ultra-low magnetic field measurement, which can realize resolution of 1pT at measurement frequency 2kHz, fluxgate magnetometer using this sensor, and method for measuring external magnetic field by processing signal generated from the sensor .

일반적으로 플럭스게이트형 자기센서(fluxgate-type magnetic sensor)는 1930년대에 아쉔브레너(Aschenbrennner)와 포스터(Forster)에 의해 개발되었다. 1970년대부터는 비정질(amorphous) 재료를 자성 코어(magnetic core)로 사용하였는데, 이 방식은 센서코어가 비교적 소형이고, 전력소모가 적으며, 출력신호 안정도(long-term stability)가 우수하다는 장점을 가지고 있다. 이 센서의 측정범위는 1mT이하이며, 0.1nT정도의 분해능을 가지고, 저자기장 측정에 응용되고 있다.In general, fluxgate-type magnetic sensors were developed by Aschenbrennner and Forster in the 1930s. Since the 1970s, amorphous materials have been used as magnetic cores, which have the advantages of relatively small sensor cores, low power consumption, and excellent long-term stability. have. The sensor has a measuring range of 1mT or less, has a resolution of about 0.1nT, and is used for low field measurement.

이러한 플럭스게이트형 자기센서의 기본 원리는 자성 코어의 자기이력곡선의 이동에 기초하고 있고, 또한 감도 및 전력소모는 자심의 자기이력곡선의 형태에 따라 그 특성이 좌우되는데 형태가 구형(square)에 가까울수록 감도가 최대로 되며 보자력 및 포화 자속밀도가 작을수록 전력소모가 적어지는 특성을 가지고 있다. The basic principle of the fluxgate type magnetic sensor is based on the movement of the magnetic hysteresis curve of the magnetic core, and the sensitivity and power consumption depend on the magnetic hysteresis curve of the magnetic core. The closer it is, the higher the sensitivity, and the smaller the coercive force and saturation magnetic flux density, the lower the power consumption.

도 1은 종래의 플럭스게이트 마그네토미터 구성 회로도를 나타낸 것으로, 동 도면의 좌측에 있는 토로이드(toroid) 코어(Tc)에 1, 2차코일(L1)(L2)이 감긴 원형 코어 센서(40)에서 1차 코일(L1)을 L-C공진 시키면 상기 코어가 자기적으로 포화(saturation)되어, 2차 코일(L2)에 유도되는 기전력의 짝수 고조파(even harmonics)에 외부 자기장이 포함되는데, 이 외부 자기장의 크기를 측정하는 방법이 전형적인 플럭스게이트 자기센서의 원리이다.FIG. 1 shows a circuit diagram of a conventional fluxgate magnetometer, in which a circular core sensor 40 wound with primary and secondary coils L1 and L2 wound on a toroid core Tc on the left side of the drawing. LC resonance of the primary coil L1 causes the core to magnetically saturate, and the external magnetic field is included in even harmonics of electromotive force induced in the secondary coil L2. The method of measuring the size of is the principle of a typical fluxgate magnetic sensor.

도 1에서 발진신호를 생성하는 발진기(10)로부터 발생된 구동전압(Vg)을 전류 구동기(20)에 통과하여 만들어진 교류전류를 센서(40)의 코어에 감긴 1차 코일(L1)에 인가했을 때 각 점에 있어서 신호파형 및 동기 검파(synchronous detection) 신호는 도2 에 나타낸 바와 같다. In FIG. 1, an alternating current generated by passing the driving voltage Vg generated from the oscillator 10 generating the oscillation signal through the current driver 20 is applied to the primary coil L1 wound around the core of the sensor 40. At each point, the signal waveform and the synchronous detection signal are shown in FIG.

도 2에서 Vg는 1차 코일(L1)에 인가되는 구동전압의 파형이고, Vs는 검파를 위한 주파수체배기(30)로부터 나온 2배 주파수 파형이고, Vo1은 2차코일(L2)에 유도되는 짝수 고조파이며, Vo2는 동기 검파 신호를 나타내는 파형도이다. In FIG. 2, Vg is a waveform of a driving voltage applied to the primary coil L1, Vs is a double frequency waveform from the frequency multiplier 30 for detection, and Vo1 is an even number induced in the secondary coil L2. Harmonics and Vo2 are waveform diagrams showing a synchronous detection signal.

다음은 센서 코어의 2차 코일(L2)에 유도되는 짝수 고조파(Vo1)를 검출하는 일반적인 방법을 설명하기로 한다.Next, a general method of detecting even harmonics Vo1 induced in the secondary coil L2 of the sensor core will be described.

도 3의 (가)와 같이 1차와 2차로 나뉘어진 코일(L1)(L2)을 비정질 합금의 자성 코어로 유도결합(inductive coupling)한 후, 도 3의 (가)에 표시된 1차 코일(L1)의 유도성 리액턴스(inductive reactance XL)와 같은 값의 용량성 리액턴스(capacitive reactance XC)를 가지는 캐패시터(도 4의 (가)에서 C)를 연결하여 공진 주파수 (fo)로 직렬 공진시키면, 도 4의 (나)와 같이 회로의 통합 임피던스(impedance)는 최소로 되고, 어드미턴스(admittance)는 최대가 되며, 공진 전류(resonance current)도 최대가 된다. After the inductive coupling of the coils L1 and L2, which are divided into primary and secondary, as shown in (a) of FIG. 3 into the magnetic core of the amorphous alloy, the primary coil (a) of FIG. When a capacitor (C in FIG. 4A) having a capacitive reactance XC having the same value as the inductive reactance XL of L1) is connected and resonated in series at a resonance frequency fo, FIG. As shown in Fig. 4B, the integrated impedance of the circuit is minimized, the admittance is maximum, and the resonance current is also maximum.

이 때, 코어는 자기적으로 포화를 되풀이하여 도 3에 표시된 2차 코일(L2)에 도 2의 Vo1과 같은 짝수 고조파가 발생한다. 이와 같은 짝수 고조파(Vo1)를 전치증폭기(50)로 적당한 레벨까지 증폭된 짝수 고조파(Vo1)를 2배 주파수 필터(60)로 필터링(filtering)한다. 이것을 직류전압으로 변환하기 위하여, 발진기(10)로부터 공진 주파수(fo)를 가진 구동전압(Vg)을 주파수 체배기(frequency multiplier)(30)에서 2배 주파수를 가지는 전압(Vs)를 만들어 도 1의 PSD(phase sensitive detector)(70)에 공급하고, 짝수 고조파(Vo1)를 통과시켜 동기 검파한다.At this time, the core repeatedly magnetically saturates, and even harmonics such as Vo1 of FIG. 2 are generated in the secondary coil L2 shown in FIG. 3. The even harmonic Vo1 amplified to the proper level by the preamplifier 50 is filtered by the double frequency filter 60. In order to convert this to a DC voltage, a drive voltage Vg having a resonant frequency fo from the oscillator 10 is made a voltage Vs having a double frequency in the frequency multiplier 30, as shown in FIG. It is supplied to a phase sensitive detector (PSD) 70 and synchronously detected by passing even harmonics Vo1.

그 결과로 도 2에서와 같은 동기 검파 신호(Vo2)가 만들어지고, 이 신호를 적분기(80)로 적분하고, 이 적분된 신호를 필터(90)로 잡음(noise)을 제거하여 이득 증폭기(100)로 증폭된 도 1에서의 Vo4와 같은 외부 자기장에 비례하는 전압출력을 얻어 자기장을 측정할 수 있다. 또한 적분기(80)로부터의 적분된 신호출력(Vo3)은 궤환(feedback) 저항(R2)을 통해 플럭스게이트 자기센서(40)의 2차 코일(L2)단에 입력한다.As a result, a synchronous detection signal Vo2 as shown in FIG. 2 is generated, the signal is integrated into the integrator 80, and the integrated signal is removed with a filter 90 to remove the gain amplifier 100. The magnetic field can be measured by obtaining a voltage output proportional to an external magnetic field such as Vo4 in FIG. In addition, the integrated signal output Vo3 from the integrator 80 is input to the secondary coil L2 of the fluxgate magnetic sensor 40 through a feedback resistor R2.

이와 같은 플럭스게이트 자기센서(40)로 측정할 수 있는 주파수는 수 100㎐가 그 한계이며, 분해능은 수 100pT에 지나지 않는다. 따라서 센서의 이러한 한계를 극복하기 위해서 많은 연구자들이 연구를 한 결과, 온도보상(temperature compensation), 동조 증폭기(tuned amplifier), 국부 궤환(local feedback), 코어의 열처리 등과 같은 방법들이 제안되었지만, 측정 주파수나 분해능 개선에 뚜렷한 효과는 없었다.The frequency that can be measured by the fluxgate magnetic sensor 40 is a limit of a few 100 kHz, and the resolution is only a few 100pT. Therefore, in order to overcome this limitation of the sensor, many researchers have studied, but methods such as temperature compensation, tuned amplifier, local feedback, and heat treatment of the core have been proposed. There was no obvious effect on the improvement of resolution.

또한, 플럭스게이트 마그네토미터에서 적용하고 있는 L-C직렬공진회로의 이상적인 임피던스는 공진 주파수에서 0이거나 0에 가까우므로 커다란 공진 전류가 흐르게 되고, 이것은 주위에 비교적 큰 자기장을 형성한다. 즉 공진 주파수에서는 비교적 큰 구동전류가 발생하고, 측정하고자 하는 외부 자기장에 비해서 무시할 수 없을 정도의 큰 자기장을 이 구동전류가 만들기 때문에, 외부 자기장의 강도가 충분히 클 때는 도 2의 Vo1과 같이 양호한 짝수 고조파 신호를 얻을 수 있지만, 외부 자기장의 세기가 작을 때는 도 5의 Vo1과 같이 센서의 구동전류가 만든 자기장이 외부 자기장에 영향을 주어 잡음으로 작용한다. In addition, the ideal impedance of the L-C series resonant circuit applied in the fluxgate magnetometer is zero or close to zero at the resonance frequency, so that a large resonance current flows, which forms a relatively large magnetic field around it. In other words, a relatively large driving current is generated at the resonant frequency, and this driving current generates a large magnetic field that cannot be ignored compared to the external magnetic field to be measured. Therefore, when the strength of the external magnetic field is sufficiently large, a good even number is obtained, such as Vo1 of FIG. Harmonic signals can be obtained, but when the strength of the external magnetic field is small, as shown in Vo1 of FIG. 5, the magnetic field generated by the driving current of the sensor affects the external magnetic field and acts as a noise.

또한, 외부자기장이 변화하면 자속 밀도가 변하므로, 실질적으로 센서 코일의 리액턴스(inductive reactance)가 변하는 것과 같은 효과가 있다. 따라서 외부자기장이 변하면 리액턴스가 변하여 코일에 흐르는 전류가 변하게 되고, 공진 주파수도 변한다. 공진 주파수의 변화는 동기 검파에 문제를 일으킨다. 즉, 공진 주파수의 이동 때문에 동기 검파가 되지 않아서, 도 2와 도 5의 동기 검파 신호(Vo2)에 나타나 있는 것처럼 음(-)의 값이 출력으로 나온다. 이 출력된 동기 검파 신호 (Vo2)를 전술한 바와 같이 적분기(80)로 적분, 필터(90)로 잡음제거, 이득증폭기(100)로 증폭하여 출력 값으로 취하게 되면 실제의 자속 밀도와 상당한 차이가 있게 된다.In addition, since the magnetic flux density changes when the external magnetic field is changed, there is an effect such that the reactance of the sensor coil is substantially changed. Therefore, when the external magnetic field changes, the reactance changes, the current flowing through the coil changes, and the resonance frequency also changes. Changes in the resonant frequency cause problems in synchronous detection. That is, the synchronous detection is not performed because of the shift of the resonant frequency, so that a negative value is outputted as shown in the synchronous detection signal Vo2 of FIGS. 2 and 5. As described above, the output synchronous detection signal Vo2 is integrated with the integrator 80, the noise is removed with the filter 90, and amplified by the gain amplifier 100, and taken as an output value. Will be.

따라서, 이와 같은 ① 센서 구동전류가 만든 자기장에 의한 영향과 ② 외부 자기장의 변화에 의한 공진 주파수의 변화에 의한 영향을 배제하기 위해서는, 신호를 검파할 때 공진에 의한 동기 검파를 이용하지 않아야 한다.Therefore, in order to exclude the influence of the magnetic field generated by the sensor drive current and the variation of the resonance frequency due to the change of the external magnetic field, the synchronous detection by resonance should not be used when detecting the signal.

그러나, 플럭스게이트 센서(40)로 측정하고자 하는 신호인 외부 자기장은 코어(Tc) 내부에 형성된 자속에 실려서 2차 코일(L2)에 유도된다. 따라서 측정신호의 정밀도와 직선성은 코어 내부에 형성된 자속의 특성과 직접적인 관계가 있다. 즉, 코어 내부의 자속이 인가전류에 따라 규칙적이고 대칭적으로 변할 경우에는, 신호도 직선성과 정밀도가 좋아진다. However, the external magnetic field, which is a signal to be measured by the fluxgate sensor 40, is loaded on the magnetic flux formed inside the core Tc and induced to the secondary coil L2. Therefore, the accuracy and linearity of the measurement signal are directly related to the characteristics of the magnetic flux formed in the core. In other words, when the magnetic flux inside the core changes regularly and symmetrically in accordance with the applied current, the signal also improves linearity and precision.

그런데, 코어 내부의 자속은 인가전류의 특성에 의해서 변하지만, 코어의 특성에 의해서도 변한다. 코어의 자기이력곡선이 대칭적이고 규칙적이어야만 잡음이 적은 신호를 얻을 수 있다. 따라서, 잡음이 적은 신호를 얻기 위해서는, 코어 재료가 균일해야 함은 물론, 코어의 표면이 매끈하여 거칠지 않고, 형태가 대칭이어야 하며, 형태 가공에 의해서 생성된 내부 응력(internal stress)이 없어야 한다. 아울러 코어 주위에 있는 코일도 균일하고, 규칙적이며, 대칭적이어야 한다. 그러나, 이러한 조건을 만족하는 코어를 만드는 것은 용이하지 않다. By the way, the magnetic flux inside the core changes depending on the characteristics of the applied current, but also on the characteristics of the core. The magnetic hysteresis curve of the core must be symmetrical and regular to obtain a low noise signal. Therefore, in order to obtain a low noise signal, the core material must be uniform, the surface of the core must be smooth and not rough, the shape must be symmetrical, and there must be no internal stress generated by the shape processing. The coils around the core must also be uniform, regular and symmetrical. However, it is not easy to make a core that satisfies these conditions.

더욱이, 토로이드 코어의 경우에는 좌우 대칭을 이루는 형태로 제작하기가 용이하지 않으므로, 센서의 형태적 비대칭 때문에 발생하는 잡음도 무시할 수 없다. 이처럼 센서코어의 재료적인 특성과 형태 그리고 코일의 형태적 특성에 의한 영향을 배제하기 위해서는, 이들의 영향이 전혀 없고 직선성이 보장되는 부분에서만 신호를 취해야 하는 많은 문제점이 있다.Furthermore, in the case of the toroidal core, since it is not easy to manufacture in a symmetrical form, the noise generated due to the morphological asymmetry of the sensor cannot be ignored. In order to exclude the influence of the material characteristics and shape of the sensor core and the shape characteristics of the coil as described above, there are many problems in that the signal should be taken only in a portion where there is no influence of these and the linearity is guaranteed.

따라서, 본 발명의 목적은 1차 코일만 가지는 센서에서 코일에 흐르는 1차 전류를 검출하여 센서신호로 취하는 극 저자기장용 플럭스게이트 자기센서를 제공하는데 있다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a flux gate magnetic sensor for ultra-low magnetic field that detects a primary current flowing through a coil in a sensor having only a primary coil and takes it as a sensor signal.

본 발명의 다른 목적은 플럭스게이트 자기센서의 코일이 공진하지 않은 상태에서 서로 반대방향으로 코어가 충분히 포화될 수 있도록 교류전류를 가하여 자속밀도가 영이 되는 부근에서 다점 표본채취 및 적분하여 외부 자기장을 측정하는 플럭스게이트 자기센서를 이용한 마그네토미터를 제공하는데 있다.It is another object of the present invention to measure an external magnetic field by applying an alternating current so that the cores are sufficiently saturated in opposite directions in a state where the coil of the fluxgate magnetic sensor is not resonant and sampling and integrating the multi-point sample in the vicinity of the magnetic flux density of zero. The present invention provides a magnetometer using a fluxgate magnetic sensor.

본 발명의 또 다른 목적은 플럭스게이트 자기센서의 코일이 공진하지 않은 상태에서 서로 반대방향으로 코어가 충분히 포화될 수 있도록 임의의 주파수에서 구동시킨 센서의 자기이력곡선에서 자속 밀도가 영이 되는 시점에서 신호를 샘플링하여 극 저자기장을 측정하는 신호처리방법을 제공하는데 있다.It is still another object of the present invention to provide a signal at a point where the magnetic flux density becomes zero in a magnetic hysteresis curve of a sensor driven at an arbitrary frequency such that the core of the fluxgate magnetic sensor is sufficiently saturated in the opposite direction without the coils resonating. The present invention provides a signal processing method for measuring polar low magnetic field by sampling.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 강자성체의 자기 포화특성을 이용하여 외부 자기장을 측정하는 플럭스게이트 마그네토미터에 있어서, 외부 자기장을 측정하기 위해 구동전압을 발생시키는 신호발생기; 상기 신호 발생기에 연결되어 소정 간격으로 평행하게 배열되고, 두께 25㎛, 폭 10㎜, 길이 30㎜의 비정질합금으로 된 한쌍의 제1, 제2 센서코어에 서로 반대방향으로 0.12㎜의 직경을 가진 에나멜 코일을 250회 감은 제1, 제2 코일을 가지며, 구동전압 인가시 코일에 흐르는 자화전류를 검출하여 센서 신호원으로 하고 공진이 일어나지 않은 상태에서 임의의 주파수로 구동시킨 자기이력곡선에서 자속밀도가 0이 되는 시점에서 신호를 샘플링하여 외부 자기장을 검파하는 플럭스게이트 자기센서; 상기 자기센서에 직렬로 연결되어 두개의 코일에 흐르는 전류를 전압으로 변환하는 두개의 분로 저항에 연결되어 자기센서의 각 코일에서 출력되는 양 전압차에 해당하는 전압을 증폭하여 출력하는 계측 연산기; 상기 계측 연산기로부터의 출력전압이 직선성이 확보될 수 있도록 인가되는 스위칭 전압이 로우가 되는 상태에서 신호를 취할 수 있도록 스위칭하는 아날로그 스위치; 상기 아날로그 스위치로부터 얻어진 신호를 적분하여 외부 자기장에 비례하는 출력 신호를 증폭하여 출력하는 적분 연산기; 를 포함한 극 저자기장 측정용 플럭스게이트 자기센서를 구비한 마그네토미터를 제공한다.
상기 센서코어가 2개로 분리된 플럭스게이트 자기센서에서 2차 코일을 감지 않고 각 코일간에 180도의 위상차를 갖도록 1차 코일만 감아서 두개의 1차 코일에 흐르는 자화 전류를 검출하여 출력 신호원으로 사용하는 극 저자기장 측정용 플럭스게이트 자기센서를 구비한 마그네토미터를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a fluxgate magnetometer for measuring an external magnetic field using the magnetic saturation characteristics of the ferromagnetic material, Signal flux generator for generating a drive voltage for measuring the external magnetic field; Connected to the signal generator and arranged in parallel at predetermined intervals, the pair of first and second sensor cores of amorphous alloy having a thickness of 25 μm, width of 10 mm, and length of 30 mm having a diameter of 0.12 mm in the opposite direction to each other; The magnetic flux density in the magnetic history curve which has the first and second coils wound around the enamel coil 250 times and detects the magnetization current flowing through the coil as a sensor signal source and drives it at an arbitrary frequency without resonance. A fluxgate magnetic sensor that detects an external magnetic field by sampling a signal at a point where 0 becomes zero; A measurement calculator connected to the magnetic sensor in series and connected to two shunt resistors for converting a current flowing through the two coils into a voltage to amplify and output a voltage corresponding to a voltage difference output from each coil of the magnetic sensor; An analog switch configured to switch to take a signal in a state in which a switching voltage applied to the output voltage from the measurement calculator to ensure linearity is low; An integration calculator for integrating the signal obtained from the analog switch and amplifying and outputting an output signal proportional to an external magnetic field; Provided is a magnetometer having a fluxgate magnetic sensor for measuring a pole low magnetic field.
Fluxgate magnetic sensor with two sensor cores is used as an output signal source by detecting the magnetizing current flowing through two primary coils by winding only the primary coils so as to have a phase difference of 180 degrees between each coil without detecting secondary coils. The present invention provides a magnetometer having a fluxgate magnetic sensor for measuring a pole low magnetic field.

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상기 센서코어가 2개로 분리되어 있지 않고, 1개만으로 구성된 플럭스게이트 자기센서에도 1차 코일 1개의 자화 전류를 검출하여 출력 신호원으로 사용하는 극 저자기장 측정용 플럭스게이트 자기센서를 구비한 마그네토미터를 제공한다.The magnetometer is equipped with a flux gate magnetic sensor for measuring pole magnetic field, in which the magnetization current of one primary coil is detected and used as an output signal source even in the fluxgate magnetic sensor composed of only one, not separated into two sensor cores. To provide.

또한 강자성체의 자기 포화특성을 이용하여 외부 자기장을 측정하는 통상의 마그네토미터의 외부 자기장 측정 방법에 있어서, 센서코어가 두개로 분리된 플럭스게이트 자기센서에서 2차코일을 사용하지 않고, 1차 코일만을 감아서 각 코일간에 180°의 위상차이가 발생하도록 서로 연결한 후에 1차 코일에 흐르는 자화 전류를 출력 신호원으로 사용하는 제1 과정; 임의의 주파수에서 구동시킨 플럭스게이트 자기센서의 자기 이력 곡선에서 자속 밀도(B)가 0이 되는 시점에서 신호를 샘플링하여 외부 자기장을 검파하는 제2 과정; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 극 저자기장 측정용 플럭스게이트 자기센서를 구비한 마그네토미터의 극 저자기장을 측정하기 위한 신호처리방법을 제공한다.
상기 제1 과정에는 센서코어가 두개로 분리되어 있지 않고, 1개만으로 구성된 경우에도 1차 코일의 자화 전류를 출력 신호원으로 사용하는 극 저자기장 측정용 플럭스게이트 자기센서를 구비한 마그네토미터의 극 저자기장을 측정하기 위한 신호처리방법을 제공한다.In addition, in the conventional magnetic meter external magnetic field measuring method using the magnetic saturation characteristics of the ferromagnetic material, only the primary coil is used in the fluxgate magnetic sensor in which the sensor core is separated into two, and the secondary coil is not used. A first step of using the magnetizing current flowing in the primary coil as an output signal source after being wound and connected to each other such that a 180 ° phase difference occurs between the coils; A second step of detecting an external magnetic field by sampling a signal at a time when the magnetic flux density B becomes zero in the hysteresis curve of the fluxgate magnetic sensor driven at an arbitrary frequency; Provided is a signal processing method for measuring a pole low magnetic field of a magnetometer having a fluxgate magnetic sensor for pole low magnetic field measurement, characterized in that it comprises a.
In the first process, even if the sensor core is not separated into two, and only one of them is used, the magnetometer pole having a low magnetic flux fluxgate magnetic sensor using the magnetization current of the primary coil as an output signal source. Provides a signal processing method for measuring low magnetic field.

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상기 제2 과정에는 플럭스게이트 자기센서에서 공진 주파수를 이용한 동기 검파에 의한 방법으로 외부 자기장을 검파하지 않고, 공진 주파수가 아닌 임의의 주파수를 가진 구동전류를 이용하여 외부 자기장을 검파하는 극 저자기장 측정용 플럭스게이트 자기센서를 구비한 마그네토미터의 극 저자기장을 측정하기 위한 신호처리방법을 제공한다.In the second process, a low-magnetic field measurement is performed in which a fluxgate magnetic sensor detects an external magnetic field using a driving current having an arbitrary frequency instead of a resonance frequency without detecting an external magnetic field by a synchronous detection method using a resonance frequency. The present invention provides a signal processing method for measuring the extreme low magnetic field of a magnetometer having a fluxgate magnetic sensor.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

먼저, 본 발명자가 제안하는 플럭스게이트 자기센서는 통상적인 플럭스게이트 센서와는 달리 2차 코일을 감지 않고, 한 쌍의 센서코어에 1차 코일만을 감아서 코일이 공진하지 않은 상태에서 이 1차 코일에 흐르는 자화 전류(magnetization current)를 출력 신호원(output signal source)으로 사용하는 것이 특징이다.First, the fluxgate magnetic sensor proposed by the present invention, unlike a conventional fluxgate sensor, does not sense a secondary coil, and winds only the primary coil on a pair of sensor cores so that the primary coil does not resonate. It is characterized by using a magnetization current flowing in the output signal source.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 극 저자기장 측정용 플럭스게이트 자기센서 모형도를 도시한 것으로, 본 발명에서 제안하는 플럭스게이트 자기센서(20)는 도 6에 나타낸 바와 같이 투자율이 높은 강자성 물질로 된 막대 모양를 가진 두개의 나란한 한 쌍의 제1 및 제2 센서코어(21a)(21b)와, 그 각각의 센서코어에는 소정 횟수 감겨 있는 제1 코일 및 제2 코일(22a)(22b)로 구성되어 있다. 여기서 상기 제1 코일 및 제2 코일(22a)(22b)은 통상적인 자기센서에 감기는 1차 코일에 해당한다.FIG. 6 is a schematic view illustrating a fluxgate magnetic sensor for measuring a pole low magnetic field according to an embodiment of the present invention. The fluxgate magnetic sensor 20 proposed in the present invention has a high magnetic permeability as shown in FIG. 6. Two parallel pairs of first and second sensor cores 21a and 21b having a rod shape and a first coil and a second coil 22a and 22b wound around a predetermined number of times. Consists of. Here, the first coil and the second coil 22a and 22b correspond to a primary coil wound around a conventional magnetic sensor.

그리고, 상기 코어(21a)(21b)는 센서의 좋은 동 특성(dynamic characteristics)을 얻기 위하여 미국 Honewell사의 Metglas 2714A 비정질 합금(두께 25㎛, 폭 10㎜, 길이 30㎜)을 사용하였다. In addition, the cores 21a and 21b used Metglas 2714A amorphous alloy (thickness 25 μm, width 10 mm, length 30 mm) manufactured by Honewell, USA, in order to obtain good dynamic characteristics of the sensor.

또한, 상기 코일(22a)(22b)은 직경 0.12 ㎜의 에나멜 동선이 사용되었고, 코어에는 250회 정도의 코일을 감은 것이 바람직하였다.As the coils 22a and 22b, enamelled copper wires having a diameter of 0.12 mm were used, and it was preferable that about 250 coils were wound around the core.

마찬가지로 도시는 하지 않았으나, 상기와 같이 센서코어가 2개로 나란히 분리되어 있지 않고, 1개만으로 구성된 막대형 센서코어에 1차 코일이 감겨 있는 센서를 구성한 경우에도 전술한 바와 같이 1차 코일 1개의 자화 전류를 검출하여 출력신호원으로 사용할 수 있음은 물론이다.Similarly, although not shown, as described above, even when the sensor core is not divided into two side by side, and the sensor is wound around the rod-shaped sensor core composed of only one, the primary coil is magnetized as described above. Of course, the current can be detected and used as an output signal source.

도 7는 본 발명의 일 실시예에 따른 극 저자기장 측정용 플럭스게이트 자기센서를 구비한 마그네토미터의 구성 회로도이다.FIG. 7 is a circuit diagram illustrating a magnetometer having a fluxgate magnetic sensor for measuring a pole low magnetic field according to an exemplary embodiment of the present invention.

본 발명에서 제안하는 마그네토미터는 도 7에 도시한 바와 같이 신호발생기(10), 플럭스게이트 자기센서(20), 계측 연산기(30), 아날로그 스위치(40), 적분 연산기(50)로 구성되어 있다.As shown in FIG. 7, the magnetometer proposed in the present invention includes a signal generator 10, a fluxgate magnetic sensor 20, a measurement calculator 30, an analog switch 40, and an integration calculator 50. .

동 도면을 참조하여, 신호발생기(10)는 도 8의 구동전압(Vg)을 발생시켜서 제1, 제2 센서코어(21a,21b)에 감긴 제1, 제2 코일(22a,22b)에 인가한다.Referring to the figure, the signal generator 10 generates the driving voltage Vg of FIG. 8 and applies it to the first and second coils 22a and 22b wound on the first and second sensor cores 21a and 21b. do.

플럭스게이트 자기센서(20)는 상기 신호 발생기에 연결되어 소정 간격으로 평행하게 배열된 두개의 제1 및 제2 센서코어(21a)(21b)에 서로 반대 방향으로 제1 및 제2 코일(22a)(22b)이 감겨 있다.The fluxgate magnetic sensor 20 is connected to the signal generator and is connected to the first and second sensor cores 21a and 21b arranged in parallel at predetermined intervals in the opposite direction to the first and second coils 22a. (22b) is wound up.

계측 증폭기(Instrumentation OP-Amp)(30)는 상기 자기센서에 직렬로 연결되어 두개의 코일에 흐르는 전류를 전압으로 변환하기 위하여 각각의 코일에 직렬로 분로 저항(shunt resister) (R1)과 (R2)를 연결하되, 상기 분로 저항(R1)과 제1 코일 (22a)의 접속점은 비반전 입력단자(+)에, 분로 저항(R2)과 제2 코일의 접속점은 반전 입력단자(-)에 연결되어 각 코일에서 출력되는 양 전압차에 해당하는 전압을 증폭하여 출력한다.Instrumentation OP-Amp 30 is connected in series with the magnetic sensor to shunt resisters R1 and R2 in series with each coil in order to convert the current flowing in the two coils into voltage. ), But the connection point of the shunt resistor R1 and the first coil 22a is connected to the non-inverting input terminal (+), and the connection point of the shunt resistor R2 and the second coil is connected to the inverting input terminal (-). And amplifies and outputs the voltage corresponding to the difference between the two voltages output from each coil.

아날로그 스위치(40)는 상기 계측연산기로부터의 출력전압이 직선성이 확보될 수 있도록 인가되는 스위칭 전압이 로우(Low)가 되는 상태에서 신호를 취할 수 있도록 스위칭한다.The analog switch 40 switches so as to take a signal in a state in which a switching voltage applied to the output voltage from the measurement operator is low to ensure linearity.

적분 연산기(Integral OP-Amp)(50)는 상기 아날로그 스위치로부터 얻어진 신호를 적분하여 외부 자기장에 비례하는 출력 신호를 증폭하여 출력한다.An integral OP-Amp 50 integrates the signal obtained from the analog switch and amplifies and outputs an output signal proportional to an external magnetic field.

이와 같이, 평행하게 배열한 한 쌍의 제1, 제2 센서코어(21a,21b)에 각각 감긴 두개의 제1, 제2 코일(22a,22b)에 서로 반대의 자속이 발생할 수 있도록 교류전류를 인가할 때 두개의 센서에 감겨있는 코일에 흐르는 자화 전류를 검출하여 센서 신호원으로 하여 공진이 일어나지 않은 상태에서 임의의 주파수로 구동시킨 센서의 자기이력곡선(magnetic hysteresis curve)에서 자속 밀도(B)가 0이 되는 시점에서 신호를 샘플링, 검파하여 직선성이 우수한 고 이득의 출력신호를 얻어 외부 자기장을 측정한다. 이 때 마그네토미터 구성회로를 나타낸 도 7의 각 점에서 나타나는 전압의 파형을 나타낸 것이 도 8이다.As described above, an alternating current is generated so that opposite magnetic fluxes can be generated in the two first and second coils 22a and 22b wound around the pair of first and second sensor cores 21a and 21b arranged in parallel. The magnetic flux density (B) in the magnetic hysteresis curve of the sensor driven at an arbitrary frequency in the state where there is no resonance by detecting the magnetization current flowing through the coil wound on the two sensors when applied. At 0, the signal is sampled and detected to obtain a high gain output signal with excellent linearity, and the external magnetic field is measured. At this time, Fig. 8 shows the waveform of the voltage appearing at each point in Fig. 7 showing the magnetometer construction circuit.

그러므로 신호발생기(10)에서 만들어진 구동전압(Vg)을 인가했을 때 자기센서(20) 코어에 감긴 제1, 제2 코일(22a,22b)이 작동하는 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.Therefore, the first and second coils 22a and 22b wound on the magnetic sensor 20 core when the driving voltage Vg generated by the signal generator 10 is applied will be described in detail as follows.

도 8에 나타난 구동전압(Vg)을 제1 코일(22a)과 제2 코일(22b)에 인가하면, 외부 자기장(Hext)으로 인하여 제1 코일(22a)의 자기이력곡선은 왼쪽으로 이동하여 도8의 HL1과 같이 되지만, 제1 코일(22a)과 180°의 위상 차이가 있는 제2 코일 (22b)의 자기이력곡선은 오른쪽으로 이동하여 도 8의 HL2로 나타난다. When the driving voltage Vg shown in FIG. 8 is applied to the first coil 22a and the second coil 22b, the magnetic history curve of the first coil 22a moves to the left due to the external magnetic field Hext. The magnetic hysteresis curve of the second coil 22b having a phase difference of 180 ° with the first coil 22a but shifted to the right is shown as HL2 in FIG.

마찬가지로 제1 코일(22a)과 제2 코일(22b)에 흐르는 전류는 각각 도 8의 Vr1과 Vr2처럼 제1 코일(22a)에서는 위로 이동하고, 제2 코일(22b)에서는 아래로 이동한다. 따라서 두 전압의 차이(Vr1 - Vr2)인 출력전압은 도 8의 Vo1이 된다.Similarly, currents flowing in the first coil 22a and the second coil 22b move upward in the first coil 22a and downward in the second coil 22b, respectively, as in Vr1 and Vr2 of FIG. 8. Therefore, the output voltage that is the difference between the two voltages (Vr1-Vr2) becomes Vo1 of FIG.

또한, 강자성체인 센서 코어(21a,21b)의 자기이력곡선 특성 때문에 도 8의 출력전압 Vo1은 대칭성이 없다. 즉, 자기이력곡선에서 자기적으로 포화(magnetic saturation)가 일어날 때 상하의 피크(peak)를 나타내고, 그 중간에서는 거의 직선적인 변화를 보인다. 이때 자기이력곡선이 거의 직선인 자속 밀도 B=0 부근에서 신호를 취하면, 출력신호의 직선성이 확보된다. 이 직선성을 확보하기 위해서 구동전압(Vg)에 동기시켜 만든 스위칭 전압(Vs)를 아날로그 스위치(40)에 인가하였다. 그리고 스위칭 전압이 로우로 되는 구간에서만 신호를 취하기 때문에 도 9의 Vo2를 얻는다. 도 9는 외부 자기장이 0이 아닌 경우이다. 만약 외부 자기장이 0인 경우에는 도 10과 같이 값이 0인 출력 Vo2를 얻는다.In addition, the output voltage Vo1 of FIG. 8 has no symmetry because of the magnetic hysteresis curve characteristics of the sensor cores 21a and 21b which are ferromagnetic bodies. In other words, when magnetic saturation occurs in the magnetic hysteresis curve, peaks are shown at the top and bottom, and in the middle, almost linear changes are shown. At this time, if a signal is taken near the magnetic flux density B = 0 where the magnetic history curve is almost straight, the linearity of the output signal is secured. In order to secure this linearity, the switching voltage Vs made in synchronization with the driving voltage Vg was applied to the analog switch 40. Since the signal is taken only in the section where the switching voltage becomes low, Vo2 of FIG. 9 is obtained. 9 is a case where the external magnetic field is not zero. If the external magnetic field is 0, an output Vo2 having a value of 0 is obtained as shown in FIG.

외부자기장이 0이 아니면 도 9와 같은 결과를 얻는데, 이것은 서로 180°의 위상차이가 나는 두 코일(22a)(22b)의 자기이력곡선이 서로 반대방향으로 이동한 결과이다. 이러한 자기이력곡선의 이동과 출력전압의 관계를 자세히 나타낸 것이 도 11이다. If the external magnetic field is not zero, a result as shown in FIG. 9 is obtained, which is a result of moving the magnetic hysteresis curves of two coils 22a and 22b having a phase difference of 180 ° to each other in opposite directions. 11 illustrates the relationship between the movement of the magnetic hysteresis curve and the output voltage in detail.

도 11에서 (a)는 코일에 인가한 전압을 나타내는데, 이 전압이 인가된 자성 코어의 자기이력곡선은 (b)와 같이 좌우로 이동한다. 따라서, 제1 코일(22a)과 제2 코일(22b)이 포화되는 시점이 달라지고, (c)와 같이 자기이력곡선의 좌우이동에 의해서 발생한 시간에 따른 전류의 변화가 달라진다. 이들 전류곡선 중 하나는 Vr1이 되고 다른 하나는 Vr2가 되며, 그 차이(Vr1-Vr2)는 Vo1이다. In FIG. 11, (a) shows a voltage applied to the coil, and the magnetic history curve of the magnetic core to which the voltage is applied is shifted left and right as shown in (b). Accordingly, the time point at which the first coil 22a and the second coil 22b are saturated is different, and as shown in (c), the change in current with time caused by the left and right shift of the hysteresis curve is different. One of these current curves becomes Vr1 and the other becomes Vr2, and the difference (Vr1-Vr2) is Vo1.

상기의 Vr1과 Vr2의 변화는 모두 외부자기장(Hext) 때문에 발생한 것이지만, 변화량은 (+)와 (-)로 서로 반대이므로, 그 차이(Vr1-Vr2)는 외부 자기장의 2배에 해당하는 전압이 된다. 이것이 계측 연산기(30)에서 증폭되어 Vo3으로 나타난다. 그러므로, 이 방식은 일반적인 플럭스게이트 마그네토미터에 비하여 2배의 초기감도(initial sensitivity)를 갖게 된다. The above Vr1 and Vr2 changes are all caused by the external magnetic field (Hext), but since the change amounts are positive with (+) and (-), the difference (Vr1-Vr2) is twice the voltage of the external magnetic field. do. This is amplified by the measurement operator 30 to appear as Vo3. Therefore, this method has an initial sensitivity twice that of a conventional fluxgate magnetometer.

도 12와 도 13은 본 발명에서 구성한 플럭스게이트 마그네토미터의 동작 파형을 자기장 차폐공간에서 조사한 결과들이다. 12 and 13 are results obtained by investigating the operating waveform of the fluxgate magnetometer constructed in the present invention in a magnetic shielding space.

도 12에서 위쪽의 그림은 센서에 가한 주파수가 50Hz인 1mA의 사인(sine)파 교류전류 파형을 나타낸 것이며, 아래쪽의 그림은 플럭스게이트 마그네토미터의 출력을 로직분석기(logic analyzer, hp 1653B)로 관찰한 파형이다. 센서의 출력 파형은 신호 파형과 거의 변화가 없다. 전류원에서 5mm 떨어진 곳에 센서가 위치하므로, 이로부터 계산한 센서의 최소 분해능은 1pT 이었다. In Figure 12, the upper figure shows a 1 mA sine wave AC current waveform with a frequency of 50 Hz, and the lower figure shows the output of the fluxgate magnetometer with a logic analyzer (hp 1653B). One waveform. The output waveform of the sensor is almost the same as the signal waveform. Since the sensor is located 5 mm away from the current source, the minimum resolution of the sensor calculated from it was 1 pT.

도 13은 센서에 가한 주파수가 2kHz인 1mA의 구형파 전류에 대한 센서의 출력을 나타낸 것이다. 구형파로부터 약간의 변형이 발생했지만, 비교적 신호 파형과 거의 유사한 형태로 나타났으며, 분해능도 50Hz와 거의 같이 1pT이었다.Fig. 13 shows the sensor output for a square wave current of 1 mA with a frequency of 2 kHz applied to the sensor. Although some distortions occurred from the square wave, it appeared to be relatively similar to the signal waveform, and the resolution was 1pT almost like 50Hz.

이상과 같이, 본 발명에 의하여 측정주파수 2kHz에서 1pT의 분해능을 실현할 수 있는 극 저자기장 측정용 플럭스게이트 자기센서의 구성과 이 센서를 이용한 플럭스게이트 마그네토미터 및 그 센서로부터 발생하는 신호를 처리하여 외부 자기장을 측정하는 방법을 제공함으로써, 플럭스게이트 자기센서는 직류자기장과 0∼50kHz의 교류자기장을 측정할 수 있다. 측정이 가능한 자속 밀도의 최대 값은 1mT이고, 최소값은 확인된 바로는 최소한 1pT이지만, 실제로는 그 이하이다. 자속 밀도의 최소 분해능은 1pT이다. 이러한 값들은 현재 사용하고있는 전형적인 플럭스게이트 센서의 측정주파수 20kHz, 최대 자속 밀도 1mT, 최소 자속 밀도 100pT, 자속 밀도의 분해능 100pT 등에 비해서 현저하게 향상된 것임을 확인할 수 있다. 측정 주파수의 범위는 최소한 2배 이상 확장되었으며, 자속 밀도의 분해능은 최소한 100배 이상 증가하였다.
As described above, according to the present invention, a configuration of a flux gate magnetic sensor for measuring a low-magnetic field capable of realizing a resolution of 1 pT at a measurement frequency of 2 kHz, and processing a signal generated from the fluxgate magnetometer and the sensor using the sensor, and then externally By providing a method of measuring a magnetic field, the fluxgate magnetic sensor can measure a direct current magnetic field and an alternating magnetic field of 0 to 50 kHz. The maximum measurable magnetic flux density is 1 mT, and the minimum is at least 1 pT as confirmed, but actually below. The minimum resolution of the magnetic flux density is 1 pT. These values are remarkably improved compared to 20 kHz, maximum magnetic flux density of 1mT, minimum magnetic flux density of 100pT, and 100pT resolution of typical fluxgate sensors. The range of measurement frequencies has been extended at least twice, and the resolution of magnetic flux density has increased at least 100 times.

Claims

In a conventional fluxgate magnetometer that measures an external magnetic field using magnetic saturation characteristics of a ferromagnetic material,

A signal generator for generating a driving voltage to measure an external magnetic field; Connected to the signal generator and arranged in parallel at predetermined intervals, the pair of first and second sensor cores of amorphous alloy having a thickness of 25 μm, width of 10 mm, and length of 30 mm having a diameter of 0.12 mm in the opposite direction to each other; The magnetic flux density in the magnetic history curve which has the first and second coils wound around the enamel coil 250 times and detects the magnetization current flowing through the coil as a sensor signal source and drives it at an arbitrary frequency without resonance. A fluxgate magnetic sensor that detects an external magnetic field by sampling a signal at a point where 0 becomes zero; A measurement calculator connected to the magnetic sensor in series and connected to two shunt resistors for converting a current flowing through the two coils into a voltage to amplify and output a voltage corresponding to a voltage difference output from each coil of the magnetic sensor; An analog switch configured to switch to take a signal in a state in which a switching voltage applied to the output voltage from the measurement calculator to ensure linearity is low; Integrating a signal obtained from the analog switch to amplify the output signal proportional to the external magnetic field and an arithmetic operation unit; magnetic flux meter having a fluxgate magnetic sensor for measuring the low magnetic field, characterized in that it comprises a.

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The method according to claim 1, wherein the flux core magnetic sensor in which the sensor core is divided into two coils detects the magnetization current flowing through the two primary coils by winding only the primary coils so as to have a phase difference of 180 between each coil. A magnetometer having a fluxgate magnetic sensor for measuring pole field length, characterized in that it is an output signal source.

The flux for magnetic field measurement according to claim 1, wherein a magnetization current of one primary coil is detected and used as an output signal source even for a fluxgate magnetic sensor having only one sensor core and not two. Magnetometer with gate magnetic sensor.

In a conventional fluxgate magnetometer measuring external magnetic field using the magnetic saturation characteristics of the ferromagnetic material,

In the fluxgate magnetic sensor with two separate sensor cores, instead of using the secondary coil, only the primary coil is wound and connected to each other to generate 180 ° phase difference between each coil, and then the magnetizing current flowing through the primary coil is output. A first process of using the signal source; A second step of detecting an external magnetic field by sampling a signal at a point when the magnetic flux density B becomes zero in the hysteresis curve of the fluxgate magnetic sensor driven at an arbitrary frequency; Signal processing method for measuring the pole low magnetic field of the magnetometer comprising a.

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The method of claim 5, wherein in the first process, only one sensor core is not divided into two.

A signal processing method for measuring the polar low magnetic field of a magnetometer using the magnetizing current of the primary coil as an output signal source even when it is configured to

The method of claim 5, wherein in the second process, the fluxgate magnetic sensor does not detect an external magnetic field by a synchronous detection method using a resonance frequency, and detects the external magnetic field using a driving current having an arbitrary frequency other than the resonance frequency. Signal processing method for measuring the extreme low magnetic field of the magnetometer, characterized in that.