新型环形同点单铁芯双分量磁通门传感器*

徐 斌,顾 伟

(上海海事大学物流工程学院,上海 200135)



新型环形同点单铁芯双分量磁通门传感器*

徐 斌,顾 伟*

(上海海事大学物流工程学院,上海 200135)

双分量磁通门传感器在金属磁记忆检测中得到广泛使用,且使用的双分量磁通门传感器为双铁芯式跑道型设计的磁通门传感器。由于传感器中的双铁芯磁参数不一致、铁芯不闭合的原因,产生变压器效应,形成了测量噪声。双分量磁通门通常由两个磁通门传感器平行放置而成。因此,由于传感器铁芯参数,线圈参数不可能完全一致所造成的传感器之间的一致性差,而且双分量或多分量磁通门传感器存在着几何中心不重合的问题。本文研究设计了新型双分量磁通门传感器,采用环形铁芯设计,直接应用单铁芯调理双方向的磁通门信号,改善了双分量传感器的一致性差、几何中心不同点的问题,有效的抑制了变压器噪声,提高了磁通门传感器的测量中的测量准确度,减少了测量误差。

磁场测量;传感器;环形铁芯;同点双分量;磁通门;正交补偿

在现代地磁测量中,磁通门传感器凭借其性能优良、结构简单、体积小、重量轻、成本低等优点,已经得到了广泛认可以及应用。因磁通门传感器测量具有矢量特性,在实际测量中常采用多分量传感器进行空间磁场测量,且其磁通门传感器基本为跑道型双铁芯设计。因此传统磁通门传感器的变压器噪声大、其中多分量磁通门传感器具有一个共同的问题。多分量几何中心不在同点、每一个传感器的铁芯参数皆不相同,多传感器的一致性差[1]。

随着传感器技术的不断研究和测试,针对多分量磁通门传感器几何中心不在同点的问题,已经设计出多传感器对称分布融合设计,如六分量磁通门传感器对称分布,使其几何中心重合,但其传感器体积大,传感器的铁芯参数不同引起同一性差问题并没有解决[2]。

本文设计的新型双分量磁通门传感器,采用环形铁芯结构,双分量共用铁芯设计。因此磁通门传感器的变压器噪声得到控制,且双分量之间的一致性问题得到很好解决。同时双分量磁通门传感器具有体积小,几何中心重合等优点,对实际磁场测量的器件误差影响起了显著抑制。

1 磁通门传感器结构及基本原理

磁通门对于环境磁场来说,好像是一道“门”,它将环境磁场调制成偶次谐波感应电势,这种现象被称为磁通门现象,其原理依然是电磁感应。其有一个在弱磁场中就能达到饱和磁化的由高磁导率合金制成的磁芯[3]。

传统磁通门传感器最基本的做法是在两个平行的磁芯上分别绕以初级和次级线圈,两个初级线圈串联起来通以50 Hz～1 000 Hz的激励磁场,使磁芯达到饱和状态,次级线圈与差动放大器相连。在外磁场为零时,磁芯中所感应的交流磁通的正半周与负半周完全对称,从而消除变压器效应,次级线圈输出为0。当沿磁芯轴向有直流磁场时,则磁芯将在某一半周先达到饱和,正负半周就不对称,两个次级线圈的输出电压差与磁通量的变化率成正比,测量此电压就可得到地磁场的变化[4-5]。

图1 双磁芯磁通门探头结构示意图

磁通门信号一般采用跑道型的双磁芯传感器,使感应线圈成差分输出形式,以消除传感器变压器效应的感应电势。在两个磁性严格平行的理想状态下,它们的激励线圈反向串联,感应线圈同向串联,其结构示意图如图1所示[6-7]。因此两磁芯中的激励磁场的方向在任一时刻都是相反的,而环境磁场在两个磁芯的轴向的分量是一样的。在形状尺寸和电磁参数完全对称的条件下,激励磁场在公共感应线圈中建立的磁感应电势相互抵消,可以认为它只起调制磁芯磁导率的作用;环境磁场在感应线圈中建立的感应电势则相互叠加,在交变激励信号f的磁化作用下,磁芯的导磁特性发生周期性的饱和与非饱和变化,从而使围绕在磁芯上的感应线圈感应输出与外界磁场成正比的信号,该信号包含f、2f及其他谐波成分,其中偶次谐波明确表征了外磁场的信息,可以通过特定的检测电路将其提取出来[8]。

2 环形磁通门传感器原理

现有磁通门传感器有单铁芯式和双铁芯式,本文的环形铁芯设计是由双铁芯跑道型磁通门传感器改良而来。其铁芯线圈结构如图2所示。

图2 环形磁芯磁通门探头结构示意图

环形铁芯可由任意直径为分界,分成形状尺寸和电磁参数完全对的两部分。不考虑铁芯的退磁,聚磁,磁滞和趋肤效应,忽略铁芯饱和,磁导率μ变化对激磁电路阻抗的影响,即认为由恒流源激磁,其激磁线圈在铁芯环形的任意切线方向形成磁场。所有切线方向的磁场按分割直径为X轴,垂直于直径为Y轴的方向进行分解,如图2所示,并积分可分别得到铁芯两部分的激磁磁场[9-10]。

以从X轴方向分割环形线圈为两部分,设环形铁芯直径为2R,激磁线圈匝数为N,恒流源电流为I,即在环形铁芯内部的激磁磁场为Hm=NI因此,H与匝数N成正比。N平均分布于环形上。因此H与半周长πR成反比。对H分解积分为:

(1)

在无外界磁场时,由电流所产生的环形铁芯两部分的激磁磁场,幅值相等,方向相反,因此在感应线圈内部的总的感应磁场为0。以X轴为测量方向为例,图2中X轴左为上、其磁感应强度为B1,右为下、其磁感应强度为B2,X轴方向感应线圈在有外界磁场时的上下铁芯中的磁感应强度B分别为:

(2)

其中μ为铁芯磁导率,H0为外加被测磁场,Hx为X轴方向的激磁磁场,f为激磁磁场频率。

由三折线代表铁芯磁化曲线,则可由图3所示求解理想条件下的感应线圈输出信号E。由图可求

φ=BS=(B1+B2)S=S[μ1(H0+Hxcos2πf1t)+μ2(H0-Hxcos2πf1t)]

(3)

图3 磁通门信号图解法

对感应线圈中的磁通量φ进行泰勒展开以及三角函数和差化积公式变换后得到磁通量的二次谐波分量φ2m:

(4)

其中,Hs为铁芯饱和磁场强度,S为铁芯的横截面积,μ0为铁芯未饱和时的磁导率。

(5)

(6)

磁通门探头信号的二次谐波分量灵敏度:

(7)

其中W2为公共感应线圈匝数。

3 新型双分量环形磁通门传感器

从数学模型可见环形磁通门传感器的环形铁芯,可按任意直径方向分解。和传统三分量[11]或者双分量跑道型磁通门传感器阵列方式相比,我们考虑使用单一环形铁芯对多方向磁场进行调理和检测。我们采用在环形铁芯激磁线圈外加上2组感应线圈来实现通过单一铁芯激磁线圈调理不同分量磁场的功能。此2组感应线圈要求相互正交来减小线圈间感应磁场的干扰作用。在此条件下的磁通门传感器具有体积小,一致性高,几何中心重合等优点。在测量中能有效减小有传感器造成的误差。磁通门传感器设计如图4所示。

图4 新型环形双分量磁通门传感器设计图

图中灰色圆形为铁芯,为黄色代表激磁线圈,红色为感应线圈1,蓝色为感应线圈2。感应线圈相互正交放置。因为在同铁芯上同时绕2组感应线圈,但因感应线圈基本垂直,在物理制作中,虽然不能保证严格正交,但其正交度误差一般能控制在1°左右,因此,在感应线圈中的感应电流产生的感应磁场,其磁场的对另一线圈方向上的感应磁场分量将产生小于sin(1°)的弱耦合磁场。因为sin(1°)≈0,因此可以忽略感应线圈之间的弱耦合磁场。

现有双分量磁通门传感器,作为点磁矢量测量,无论是采用环形还是跑道型磁通门传感器,其传感器阵列皆如图5所示。在测量地磁场时,现有的双分量磁通门传感器之间的距离比起地磁场磁芯距离可以忽略不计,看成一个点。但是在测量弱铁磁性金属物件的磁场时,因为磁场为按距离的三次方衰减的,所以最佳的测量距离为5 cm～10 cm。然而传统双分量磁通门传感器的测量点实际距离为1 cm左右,如图5所示,相对于测量距离来说,其不能忽略不计。实际测得的磁场为空间分布的2个点的磁场,非完全意义上的点磁测量,所测得数据与真正的点磁磁场数据具有误差。

图5 传统双分量磁通门传感器阵列及测量位置

传统同点双分量磁通门传感器,以其中一个分量为中心,在其左右布置2个对称的磁通门传感器,其缺点为必须有3个传感器,其对称的2个传感器所测得的磁场数据也并不是原来点的磁场,需要进行数据融合运算。新型双分量环形磁通门传感器,因为其共用同一铁芯,其感应线圈的测量中心在同一点,即环形铁芯的原点上,如图6所示,其所测量的双分量皆为铁芯原点所在空间的磁场数据,才能真正实现对铁磁物件所形成的空间磁场的点磁测量。

图6 新型双分量磁通门传感器阵列及测量位置

在前段信号处的调理上,因为传统双分量磁通门传感器的传感器独立制作,具有不同的激励线圈,即需要分别设置供给激励波形的励磁线圈与激励电流。新型双分量环形磁通门传感器采用同一铁芯及激励线圈,因此只需一组供给激励波形的励磁线圈与激励电流即可,简化了电路设计,且供给的为同一电流,激励波形同一,铁芯参数基本同一,其双分量的敏感度即基本一致,克服了传统双分量传感器其双分量传感器的灵敏度不一致的问题[12]。

新型双分量环形磁通门传感器在真正实现了电磁测量的基础上,同时具有环形磁通门传感器的变压器效应误差小,零位小等优点。在传统磁通门传感器中,基本皆为跑道型磁通门,跑道型磁通门为双铁芯磁芯结构[13]。其因为铁芯参数不相同,且铁芯不闭合,具有相当大的漏磁[14]。铁芯的漏磁通在磁动势同侧自成闭合回路,另一侧作为铁芯旁路漏磁通。双铁芯的磁阻阻抗δ为:

(8)

其中Z为铁芯阻抗模值,α为由于铁芯磁滞和涡流等效应构成的不大的相角,R为等效漏磁磁阻。

根据磁路克希霍夫定律,Hxcos2πf1t产生的激磁磁场的通电激磁线圈自身一侧的主磁通任一次谐波分量为:

(9)

其中Φ为谐波分量的幅值。同理可以得出-Hxcos2πf1t产生的激磁磁场的主磁通任一次谐波分量为:

(10)

同理可以得出-Hxcos2πf1t产生的激磁磁场的主磁通任一次谐波分量为:

(11)

因此可以得出在磁通门传感器中共同建立的总磁通量任一次谐波分量为:

(12)

(13)

由此可见,在实际使用中,跑道型双铁芯磁通门传感器的变压器噪声一直存在,且因为铁芯磁阻差异大、漏磁通大,噪声比较大,测量中的零位地接大。而采用新型环形铁芯磁通门传感器,即磁阻一致,因为为闭合铁芯环路,漏磁磁通比跑道型小很多,因此变压器效应噪声得到明显改善,零位偏移得到大幅减小。

4 双分量正交补偿算法

因为双分量磁通门传感器需要检测X-Y正交坐标系方向的磁场,所以在感应线圈安装设计中,物理上尽量做到正交,然而在实际制作中,在物理上并无法将感应线圈做到完全正交。感应线圈间仍然存在着相互影响的感应磁场,因此在测量软件中需要将这由非完全正交所带来的误差进行修正[15]。

双分量磁通门传感器,设其一轴与理想坐标轴X轴重合。即测量磁场为:

(14)

(15)

当目标函数f(θ,EHX,EHY)→0时,则有|Hk|→|H|。也就是校正值恒等于外磁场真实值,达到校正的目的,此时所得到的参数值θ,即是所求校正参数。

5 双分量传感器测试

本文对新型磁通门传感器与传统双铁芯磁通门进行稳定性试验。稳定性试验是把2种传感器置入磁屏蔽环境内固定位置,人为构造的0磁场中,其传感器所测得的磁场实为磁通门传感器的零位偏移,即由漏磁通及铁芯参数不一致等造成的变压器效应误差。在屏蔽环境内,外界磁场无变化,因此传感器测量磁场应基本不变,其变化量即为传感器的稳定度。图7、图8分别为新型磁通门传感器的稳定性试验及双铁芯型磁通门传感器的稳定性试验。

图7 新型环形磁通门传感器稳定性测试

图8 传统双铁芯磁通门传感器稳定性测试

从图中看出,新型传感器在零磁场环境中测得的磁场为9 nT,总体幅值变化在1 nT之内,而传统双铁芯型磁通门传感器测得的为107 nT,总体幅值变化2 nT。因此可以看出新型传感器在零位偏移上更加小,在变化量上也比原先的传感器更加稳定。

图9为新型磁通门双分量传感器在同一位置所测量的数据,从图中可以看出,双分量所测的数据相差2 nT不到,从而得出双分量磁通门传感器一致性好。图10为传统双分量磁通门传感器的同一位置测量数据。其双分量磁通门传感器由于敏感度不一致,测量的数据具有较大变化,其零位相差40 nT。因此新型磁通门传感器具有一致性好的特点。

图9 新型环形铁芯双分量磁通门传感器同点测磁测试

图10 传统双铁芯双分量磁通门传感器同点测磁测试

由试验得出,本文所制作的双分量磁通门传感器,其稳定性、噪声、一致性都比普通磁通门传感器得到提高,且其体积得到有效控制,为以后同点三分量磁通门传感器的小型化创造了基础。

6 结论

从上文可以得出,新型磁通门传感器比传统传感器在原理性噪声的控制,稳定性方面有一定的改善。且双分量磁通门传感器的一致性好,几何中心同点,体积小,对以后同点三分量磁通门传感器的小型化具有指导意义。

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徐斌(1985-),男,上海海事大学物流工程学院在读博士研究生,研究方向为磁场测量,xubin725@sina.com;

顾伟(1953-),男,上海海事大学科学研究院,教授,博士生导师,现任上海海事大学科学研究院常务副院长、航运技术与控制工程交通行业重点实验室主任、上海市造船学会理事、中国电工学会船舶电气委员会理事。主要研究方向为港口、船舶自动化与机电一体化技术。主持和参加了上海市、交通部、企事业单位委托科研项目十多项,获中国航海科技三等奖一项、上海市科技进步奖二等奖两项及三等奖两项、安全生产科技成果奖三等奖一项。共申请专利23项,其中发明专利14项,实用新型9项;获得授权专利10项,其中发明专利1项,实用新型9项。在《IEEE transactions on IM》、《机械工程学报》、《电工技术学报》、《仪器仪表学报》、《中国电机工程学报》、《中国造船》等刊物发表论文近三十篇,其中EI、SCI、ISTP检索论文近二十篇,weigu@shmtu.edu.cn。

ANewRing-CorewithSingle-IronDualComponentFluxgateSensor*

XUBin,GUWei

(Logistics Engineering College,Shanghai Maritime University,Shanghai 200135,China)

Among such kind of fluxgate sensor,double component fluxgate sensor,which is formulated by double-component runway dual-core,is used in the metal magnetic memory testing.However,measurement noise and transformer effect will always come up,which are caused by inconsistent parameter of double-iron core,unclosed iron core and large magnetic leakage.It is separately made for each simple component in double component fluxgate sensor.The sensor is placed to be parallel.As it can’t be same for cores and coils that used in different batch of sensor,and that lead them to the poor consistency.And it is the problem that central point of double component or multi component fluxgate sensor can’t superpose each other.This paper will launch the research regarding new type of double component fluxgate sensor,which is based on single core.Be acted by single core,it can adjust bidirectional fluxgate signal step by step.It improved the problems which caused by inconsistent parameter of double-iron core and different on the geometric center,effectively restrained transformer noise,obviously improve the accuracy of measurement of fluxgate sensor,reduced the error of measurement.

magnetic measure;sensor;ring-core;double component with the same point;fluxgate sensor

项目来源:交通运输部应用基础研究项目(2013329810350)

2014-01-14修改日期:2014-05-06

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.06.009

TP212

:A

:1004-1699(2014)06-0752-06