1 引言
磁通门传感器 ( 简称磁通门) 是一种用于测量微弱 磁场 ( 如地磁场) 的传感器 。它的测量范围宽并能测量 磁场分量 ,特别适用于在高速运动的系统中做测量 ,是 综合性能最好的磁场测量传感器 。磁通门已广泛应用 于地质探矿 、 工业探伤 、 车辆控制 、 搜查武器以及飞机 、 卫星 、 船舰和车辆导航等许多领域 。 传统磁通门是以电压形式输出的 , 其灵敏度与次 级线圈的匝数 、 铁心截面积 、 磁导率和工作频率成正 比 。方便有效的提高灵敏度的方法是提高次级线圈的 匝数 。而增加线圈匝数将产生两个问题 : 一是增大了 传感器的体积和重量 ,同时增加了工艺难度 ; 二是采用 次级线圈作为反馈线圈的闭环电路时 , 线圈匝数大将 直接影响传感器的动态性能 。为解决该问题 , 本文研 究一种灵敏度随次级线圈匝数减小而增加的电流输出 型磁通门传感器 。
The Sensitivity of Current Output Flux - G ate Sensors
Liu Shibin ,Duan Zhemin ,Yan Jiaming ( Department of Electronic Engineering ,Nort hwestern Polytechnical University ,Xian ,710072 China)
∫
电容 C 的容量很大 , 电阻 r 是次级线圈的铜电 阻 , 阻值较小 。为了求解方程 ( 5 ) , 假设上式最后两项 比另外两项小得多 。在忽略了 ( 5 ) 式右边后两项的情 况下 , 可解出 i ( t ) :
i ( t) = l A H + N 2 x μ( t ) ( 6)
式中 A 是积分常数 。 因为 i ( t ) 中没有直流分量 , 所以其平均值为零 。 积分常数 A 可在此条件下求出 [ 3 ] ,即 :
图1 磁通门工作原理
3 磁通门的处理电路
磁通门处理电路的作用是将图 1 ( e) 所示的信号转 换成直流电压信号 。电路形式有开环和闭环两种 。开 环电路一般是先选频后进行相敏整流 , 也可不选频直 接进行相敏整流 。若按后者设计电路 , 则输出的直流 分量为
[1 ]
图2 电流输出型磁通门
电流输出型磁通门次级回路可等效为图 2 ( b) 所 示的电路 [ 4 ] ,图中 r 为次级线圈的等效电阻 , t 表示时 间 。由外部回路可写出次级线圈两端电压 e ( t ) 的方 程:
Abstract :The current output fluxgate sensor is studied. The sensitivity of common fluxgate sensor has a direct rela2
tionship to t he turns of t he pick up coil ,so t he high sensitivity sensor has large size and worse dynamic characteristic when it works in feedback mode. Theory deduction shows t hat t he sensitivity of t he current output fluxgate has a reciprocal pro2 portion to t he turns if t he copper resistance and t he impedance of t he coupling capacitor are neglected ,so high sensitivity and superior dynamic characteristic can be obtained wit h small size. Six current output fluxgate wit h deferent turns of pick up coil are developed and tested. The experiment data is analyzed wit h least square t heory. It is basically identical between t he t heory deduction and experiment data. The analysis also shows t hat using reciprocal turns and its square to describe t he sensitivity can be more precise ,if t he copper resistance and t he impedance of t he coupling capacitor are considered. Key Words :Sensors ; Fluxgate ;Sensitivity
收稿日期 :2002206216 收修改稿日期 :2002207204
2 磁通门的工作原理
单铁心磁通门实际上是一个铁心反复工作于饱和 状态的变压器 。为了消除变压器效应的影响 , 通常采 用两个单铁心磁通门将初级线圈反接构成双铁心磁通 门 。铁心采用矫顽力小 、 磁导率非常高的超坡莫合金 , 其磁化曲线可简化为如图 1 ( a) 所示的折线 ( Hs 为饱和 磁场强度) 。给双铁心磁通门的初级线圈通入足以使 铁心饱和的交流激励电流时 , 由于被测磁场 H x 的影 响 ,两个线圈中的磁场不相等 , 其波形如图 1 ( b) 所示 。 根据铁心的特性 , 它们在相应的次级线圈中产生的磁 感应强度也不同 ,如图 1 ( c) 所示 。 如果次级线圈与高输入阻抗放大器相接 , 可认为 次级线圈开路 ,则次级线圈输出电压的波形如图 1 ( d) 所示 。将两次级线圈顺接 , 得到双铁心磁通门的输出 电压波形如图 1 ( e) 所示 。对该信号进行相敏整流和滤 波后 ,就可得到与被测磁场有关的直流输出电压 。
A = l 1 H N2 ε x ( 7)
4 电流输出型磁通门
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仪表技术与传感器
2002 年
式中 ε等于 1/ μ( t ) 的平均值 。 代入 ( 6) 式得 : l 1 1 i ( t) = ・ - 1 Hx N 2 μ( t ) ε
e ( t ) = ri ( t ) +
:
u pi =
1
μ ω( E1 + E2 ) H x πN 2 S
2
C
i ( t) d t ∫
( 2)
( 1)
式中 : N 2 为次级线圈的匝数 ; S 为铁心截面积 ;μ 为铁 心在不饱和段的磁导率 ; ω 为激励电流的角频率 ; E1 和 E2 分别是相敏整流的同相和反相放大倍数 。 闭环电路是在开环电路输出端增加一个积分器 , 将积分器的输出通过一个电阻反馈到次级线圈中 。当 反馈电流在次级线圈中产生的磁场正好与被测磁场大 小相等方向相反时 , 积分器输出就是与被测磁场成线 性关系的电压信号 。采用闭环电路时 , 输出灵敏度只 与反馈电阻和次级线圈的结构参数有关 , 输出稳定性 高 ,故得到广泛应用 。 磁通门和闭环电路组成了一个控制系统 , 要减小 输出的零位误差 ,必须尽量提高前向通路的放大倍数 。 该放大倍数是磁通门的灵敏度 、 选频电路和相敏整流 电路放大倍数三者的乘积 。为了简化电路 , 希望尽量 提高磁通门的灵敏度 。根据 ( 1 ) 式可知 , 磁导率 μ 取 决于铁心材料 ; 由于受涡流的影响 , 不可能同时提高激 励角频率 ω 和铁心截面积 S . 因此 , 增加次级线圈的匝 数 N 2 是提高磁通门灵敏度常用的方法 。 然而 ,通过增加次级线圈的匝数 N 2 来提高灵敏度 存在问题。一方面 N 2 的增加导致了磁通门体积重量的 增加 , 增加工艺难度 ; 另一方面对提高闭环电路的动态 性能不利。为了使磁通门具有更宽的频带 , 除了减小电 路各环节的时间常数外 , 还必须减小反馈回路的时间常 数[ 2 ] , 最有效的方法是减小 N 2 . 这正好与增加 N 2 相矛 盾 ,采用电流输出型磁通门可有效解决此矛盾。
H ( t) = N2 i ( t) l ( 4)
将 ( 4) 式代入 ( 3) 式 ,与 ( 2) 式合并得 : d l dμ( t ) l [μ( t ) ・i ( t ) ] = Hx 2 ri ( t ) + dt N2 dt N2 S l 1 ( 5) i ( t) d t 2
N2 S C
( 8)
如图 3 中的细实线所示 。显然 ( 11 ) 式与实验曲线 更吻合 。所以 ,电流输出型磁通门的灵敏度用次级线 圈匝数的倒数的二次函数表示更符通门的输出灵敏度与 次级线圈的有效长度成正比 , 与次级线圈的匝数成反 比。
5 样机设计与试验
为了验证 ( 8) 式 ,设计了 6 只双铁心磁通门 。这 6 只磁通门的铁心材料 、 几何尺寸均相同 ,初级线圈的匝 数也相同 。铁心长度 30 mm , 线圈长度 25 mm 居中 。 次级线圈长度与初级相同 , 但匝数不等 , 从 200 匝到 1200 匝间隔为 200 匝 。激励信号是用晶体振荡信号 分频 ,再经低通滤波获得的正弦波电压信号 。对所有 磁通门的激励幅值相等 。信号处理电路采用图 2 ( a ) , 其中 R 为 1000 ; C 采用 2 只 22μF 电容串联 , 对二次 谐波而言其容抗为 2. 4Ω. i ( t ) 中含有激励信号的各次谐波 。为了充分反映 磁通门输出的实际情况 , 后续电路没有滤波和选频环 节 ,直接进行相敏整流获得直流输出电压信号 。相敏 整流所用的相为基准方波与激励来自同一振荡器 , 且 用数字方式调整其相位到最佳值 ( 对同一信号相敏整 流输出的幅度最大) ,不影响激励信号 。 试验时将被试磁通门安装在无磁转台上 , 让传感 器测量实验室磁场的水平分量 。实验室磁场强度的水 平分量为 0. 330 e ,据此可求出传感器的灵敏度 。试验 结果给出的灵敏度是分别在正南和正北方向测出的灵 敏度的平均值 。