新型環(huán)形同點(diǎn)單鐵芯雙分量磁通門傳感器*

徐 斌,顧 偉

(上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院,上海 200135)

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新型環(huán)形同點(diǎn)單鐵芯雙分量磁通門傳感器*

徐 斌,顧 偉*

(上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院,上海 200135)

雙分量磁通門傳感器在金屬磁記憶檢測中得到廣泛使用,且使用的雙分量磁通門傳感器為雙鐵芯式跑道型設(shè)計(jì)的磁通門傳感器。由于傳感器中的雙鐵芯磁參數(shù)不一致、鐵芯不閉合的原因,產(chǎn)生變壓器效應(yīng),形成了測量噪聲。雙分量磁通門通常由兩個磁通門傳感器平行放置而成。因此,由于傳感器鐵芯參數(shù),線圈參數(shù)不可能完全一致所造成的傳感器之間的一致性差,而且雙分量或多分量磁通門傳感器存在著幾何中心不重合的問題。本文研究設(shè)計(jì)了新型雙分量磁通門傳感器,采用環(huán)形鐵芯設(shè)計(jì),直接應(yīng)用單鐵芯調(diào)理雙方向的磁通門信號,改善了雙分量傳感器的一致性差、幾何中心不同點(diǎn)的問題,有效的抑制了變壓器噪聲,提高了磁通門傳感器的測量中的測量準(zhǔn)確度,減少了測量誤差。

磁場測量;傳感器;環(huán)形鐵芯;同點(diǎn)雙分量;磁通門;正交補(bǔ)償

在現(xiàn)代地磁測量中,磁通門傳感器憑借其性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)得到了廣泛認(rèn)可以及應(yīng)用。因磁通門傳感器測量具有矢量特性,在實(shí)際測量中常采用多分量傳感器進(jìn)行空間磁場測量,且其磁通門傳感器基本為跑道型雙鐵芯設(shè)計(jì)。因此傳統(tǒng)磁通門傳感器的變壓器噪聲大、其中多分量磁通門傳感器具有一個共同的問題。多分量幾何中心不在同點(diǎn)、每一個傳感器的鐵芯參數(shù)皆不相同,多傳感器的一致性差[1]。

隨著傳感器技術(shù)的不斷研究和測試,針對多分量磁通門傳感器幾何中心不在同點(diǎn)的問題,已經(jīng)設(shè)計(jì)出多傳感器對稱分布融合設(shè)計(jì),如六分量磁通門傳感器對稱分布,使其幾何中心重合,但其傳感器體積大,傳感器的鐵芯參數(shù)不同引起同一性差問題并沒有解決[2]。

本文設(shè)計(jì)的新型雙分量磁通門傳感器,采用環(huán)形鐵芯結(jié)構(gòu),雙分量共用鐵芯設(shè)計(jì)。因此磁通門傳感器的變壓器噪聲得到控制,且雙分量之間的一致性問題得到很好解決。同時(shí)雙分量磁通門傳感器具有體積小,幾何中心重合等優(yōu)點(diǎn),對實(shí)際磁場測量的器件誤差影響起了顯著抑制。

1 磁通門傳感器結(jié)構(gòu)及基本原理

磁通門對于環(huán)境磁場來說,好像是一道“門”,它將環(huán)境磁場調(diào)制成偶次諧波感應(yīng)電勢,這種現(xiàn)象被稱為磁通門現(xiàn)象,其原理依然是電磁感應(yīng)。其有一個在弱磁場中就能達(dá)到飽和磁化的由高磁導(dǎo)率合金制成的磁芯[3]。

傳統(tǒng)磁通門傳感器最基本的做法是在兩個平行的磁芯上分別繞以初級和次級線圈,兩個初級線圈串聯(lián)起來通以50 Hz～1 000 Hz的激勵磁場,使磁芯達(dá)到飽和狀態(tài),次級線圈與差動放大器相連。在外磁場為零時(shí),磁芯中所感應(yīng)的交流磁通的正半周與負(fù)半周完全對稱,從而消除變壓器效應(yīng),次級線圈輸出為0。當(dāng)沿磁芯軸向有直流磁場時(shí),則磁芯將在某一半周先達(dá)到飽和,正負(fù)半周就不對稱,兩個次級線圈的輸出電壓差與磁通量的變化率成正比,測量此電壓就可得到地磁場的變化[4-5]。

圖1 雙磁芯磁通門探頭結(jié)構(gòu)示意圖

磁通門信號一般采用跑道型的雙磁芯傳感器,使感應(yīng)線圈成差分輸出形式,以消除傳感器變壓器效應(yīng)的感應(yīng)電勢。在兩個磁性嚴(yán)格平行的理想狀態(tài)下,它們的激勵線圈反向串聯(lián),感應(yīng)線圈同向串聯(lián),其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示[6-7]。因此兩磁芯中的激勵磁場的方向在任一時(shí)刻都是相反的,而環(huán)境磁場在兩個磁芯的軸向的分量是一樣的。在形狀尺寸和電磁參數(shù)完全對稱的條件下,激勵磁場在公共感應(yīng)線圈中建立的磁感應(yīng)電勢相互抵消,可以認(rèn)為它只起調(diào)制磁芯磁導(dǎo)率的作用;環(huán)境磁場在感應(yīng)線圈中建立的感應(yīng)電勢則相互疊加,在交變激勵信號f的磁化作用下,磁芯的導(dǎo)磁特性發(fā)生周期性的飽和與非飽和變化,從而使圍繞在磁芯上的感應(yīng)線圈感應(yīng)輸出與外界磁場成正比的信號,該信號包含f、2f及其他諧波成分,其中偶次諧波明確表征了外磁場的信息,可以通過特定的檢測電路將其提取出來[8]。

2 環(huán)形磁通門傳感器原理

現(xiàn)有磁通門傳感器有單鐵芯式和雙鐵芯式,本文的環(huán)形鐵芯設(shè)計(jì)是由雙鐵芯跑道型磁通門傳感器改良而來。其鐵芯線圈結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 環(huán)形磁芯磁通門探頭結(jié)構(gòu)示意圖

環(huán)形鐵芯可由任意直徑為分界,分成形狀尺寸和電磁參數(shù)完全對的兩部分。不考慮鐵芯的退磁,聚磁,磁滯和趨膚效應(yīng),忽略鐵芯飽和,磁導(dǎo)率μ變化對激磁電路阻抗的影響,即認(rèn)為由恒流源激磁,其激磁線圈在鐵芯環(huán)形的任意切線方向形成磁場。所有切線方向的磁場按分割直徑為X軸,垂直于直徑為Y軸的方向進(jìn)行分解,如圖2所示,并積分可分別得到鐵芯兩部分的激磁磁場[9-10]。

以從X軸方向分割環(huán)形線圈為兩部分,設(shè)環(huán)形鐵芯直徑為2R,激磁線圈匝數(shù)為N,恒流源電流為I,即在環(huán)形鐵芯內(nèi)部的激磁磁場為Hm=NI因此,H與匝數(shù)N成正比。N平均分布于環(huán)形上。因此H與半周長πR成反比。對H分解積分為:

(1)

在無外界磁場時(shí),由電流所產(chǎn)生的環(huán)形鐵芯兩部分的激磁磁場,幅值相等,方向相反,因此在感應(yīng)線圈內(nèi)部的總的感應(yīng)磁場為0。以X軸為測量方向?yàn)槔?圖2中X軸左為上、其磁感應(yīng)強(qiáng)度為B1,右為下、其磁感應(yīng)強(qiáng)度為B2,X軸方向感應(yīng)線圈在有外界磁場時(shí)的上下鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B分別為:

(2)

其中μ為鐵芯磁導(dǎo)率,H0為外加被測磁場,Hx為X軸方向的激磁磁場,f為激磁磁場頻率。

由三折線代表鐵芯磁化曲線,則可由圖3所示求解理想條件下的感應(yīng)線圈輸出信號E。由圖可求

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

(3)

圖3 磁通門信號圖解法

對感應(yīng)線圈中的磁通量φ進(jìn)行泰勒展開以及三角函數(shù)和差化積公式變換后得到磁通量的二次諧波分量φ2m:

(4)

其中,Hs為鐵芯飽和磁場強(qiáng)度,S為鐵芯的橫截面積,μ0為鐵芯未飽和時(shí)的磁導(dǎo)率。

(5)

(6)

磁通門探頭信號的二次諧波分量靈敏度:

(7)

其中W2為公共感應(yīng)線圈匝數(shù)。

3 新型雙分量環(huán)形磁通門傳感器

從數(shù)學(xué)模型可見環(huán)形磁通門傳感器的環(huán)形鐵芯,可按任意直徑方向分解。和傳統(tǒng)三分量[11]或者雙分量跑道型磁通門傳感器陣列方式相比,我們考慮使用單一環(huán)形鐵芯對多方向磁場進(jìn)行調(diào)理和檢測。我們采用在環(huán)形鐵芯激磁線圈外加上2組感應(yīng)線圈來實(shí)現(xiàn)通過單一鐵芯激磁線圈調(diào)理不同分量磁場的功能。此2組感應(yīng)線圈要求相互正交來減小線圈間感應(yīng)磁場的干擾作用。在此條件下的磁通門傳感器具有體積小,一致性高,幾何中心重合等優(yōu)點(diǎn)。在測量中能有效減小有傳感器造成的誤差。磁通門傳感器設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 新型環(huán)形雙分量磁通門傳感器設(shè)計(jì)圖

圖中灰色圓形為鐵芯,為黃色代表激磁線圈,紅色為感應(yīng)線圈1,藍(lán)色為感應(yīng)線圈2。感應(yīng)線圈相互正交放置。因?yàn)樵谕F芯上同時(shí)繞2組感應(yīng)線圈,但因感應(yīng)線圈基本垂直,在物理制作中,雖然不能保證嚴(yán)格正交,但其正交度誤差一般能控制在1°左右,因此,在感應(yīng)線圈中的感應(yīng)電流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場,其磁場的對另一線圈方向上的感應(yīng)磁場分量將產(chǎn)生小于sin(1°)的弱耦合磁場。因?yàn)閟in(1°)≈0,因此可以忽略感應(yīng)線圈之間的弱耦合磁場。

現(xiàn)有雙分量磁通門傳感器,作為點(diǎn)磁矢量測量,無論是采用環(huán)形還是跑道型磁通門傳感器,其傳感器陣列皆如圖5所示。在測量地磁場時(shí),現(xiàn)有的雙分量磁通門傳感器之間的距離比起地磁場磁芯距離可以忽略不計(jì),看成一個點(diǎn)。但是在測量弱鐵磁性金屬物件的磁場時(shí),因?yàn)榇艌鰹榘淳嚯x的三次方衰減的,所以最佳的測量距離為5 cm～10 cm。然而傳統(tǒng)雙分量磁通門傳感器的測量點(diǎn)實(shí)際距離為1 cm左右,如圖5所示,相對于測量距離來說,其不能忽略不計(jì)。實(shí)際測得的磁場為空間分布的2個點(diǎn)的磁場,非完全意義上的點(diǎn)磁測量,所測得數(shù)據(jù)與真正的點(diǎn)磁磁場數(shù)據(jù)具有誤差。

圖5 傳統(tǒng)雙分量磁通門傳感器陣列及測量位置

傳統(tǒng)同點(diǎn)雙分量磁通門傳感器,以其中一個分量為中心,在其左右布置2個對稱的磁通門傳感器,其缺點(diǎn)為必須有3個傳感器,其對稱的2個傳感器所測得的磁場數(shù)據(jù)也并不是原來點(diǎn)的磁場,需要進(jìn)行數(shù)據(jù)融合運(yùn)算。新型雙分量環(huán)形磁通門傳感器,因?yàn)槠涔灿猛昏F芯,其感應(yīng)線圈的測量中心在同一點(diǎn),即環(huán)形鐵芯的原點(diǎn)上,如圖6所示,其所測量的雙分量皆為鐵芯原點(diǎn)所在空間的磁場數(shù)據(jù),才能真正實(shí)現(xiàn)對鐵磁物件所形成的空間磁場的點(diǎn)磁測量。

圖6 新型雙分量磁通門傳感器陣列及測量位置

在前段信號處的調(diào)理上,因?yàn)閭鹘y(tǒng)雙分量磁通門傳感器的傳感器獨(dú)立制作,具有不同的激勵線圈,即需要分別設(shè)置供給激勵波形的勵磁線圈與激勵電流。新型雙分量環(huán)形磁通門傳感器采用同一鐵芯及激勵線圈,因此只需一組供給激勵波形的勵磁線圈與激勵電流即可,簡化了電路設(shè)計(jì),且供給的為同一電流,激勵波形同一,鐵芯參數(shù)基本同一,其雙分量的敏感度即基本一致,克服了傳統(tǒng)雙分量傳感器其雙分量傳感器的靈敏度不一致的問題[12]。

新型雙分量環(huán)形磁通門傳感器在真正實(shí)現(xiàn)了電磁測量的基礎(chǔ)上,同時(shí)具有環(huán)形磁通門傳感器的變壓器效應(yīng)誤差小,零位小等優(yōu)點(diǎn)。在傳統(tǒng)磁通門傳感器中,基本皆為跑道型磁通門,跑道型磁通門為雙鐵芯磁芯結(jié)構(gòu)[13]。其因?yàn)殍F芯參數(shù)不相同,且鐵芯不閉合,具有相當(dāng)大的漏磁[14]。鐵芯的漏磁通在磁動勢同側(cè)自成閉合回路,另一側(cè)作為鐵芯旁路漏磁通。雙鐵芯的磁阻阻抗δ為:

(8)

其中Z為鐵芯阻抗模值,α為由于鐵芯磁滯和渦流等效應(yīng)構(gòu)成的不大的相角,R為等效漏磁磁阻。

根據(jù)磁路克?；舴蚨?Hxcos2πf1t產(chǎn)生的激磁磁場的通電激磁線圈自身一側(cè)的主磁通任一次諧波分量為:

(9)

其中Φ為諧波分量的幅值。同理可以得出-Hxcos2πf1t產(chǎn)生的激磁磁場的主磁通任一次諧波分量為:

(10)

同理可以得出-Hxcos2πf1t產(chǎn)生的激磁磁場的主磁通任一次諧波分量為:

(11)

因此可以得出在磁通門傳感器中共同建立的總磁通量任一次諧波分量為:

(12)

(13)

由此可見,在實(shí)際使用中,跑道型雙鐵芯磁通門傳感器的變壓器噪聲一直存在,且因?yàn)殍F芯磁阻差異大、漏磁通大,噪聲比較大,測量中的零位地接大。而采用新型環(huán)形鐵芯磁通門傳感器,即磁阻一致,因?yàn)闉殚]合鐵芯環(huán)路,漏磁磁通比跑道型小很多,因此變壓器效應(yīng)噪聲得到明顯改善,零位偏移得到大幅減小。

4 雙分量正交補(bǔ)償算法

因?yàn)殡p分量磁通門傳感器需要檢測X-Y正交坐標(biāo)系方向的磁場,所以在感應(yīng)線圈安裝設(shè)計(jì)中,物理上盡量做到正交,然而在實(shí)際制作中,在物理上并無法將感應(yīng)線圈做到完全正交。感應(yīng)線圈間仍然存在著相互影響的感應(yīng)磁場,因此在測量軟件中需要將這由非完全正交所帶來的誤差進(jìn)行修正[15]。

雙分量磁通門傳感器,設(shè)其一軸與理想坐標(biāo)軸X軸重合。即測量磁場為:

(14)

(15)

當(dāng)目標(biāo)函數(shù)f(θ,EHX,EHY)→0時(shí),則有|Hk|→|H|。也就是校正值恒等于外磁場真實(shí)值,達(dá)到校正的目的,此時(shí)所得到的參數(shù)值θ,即是所求校正參數(shù)。

5 雙分量傳感器測試

本文對新型磁通門傳感器與傳統(tǒng)雙鐵芯磁通門進(jìn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)。穩(wěn)定性試驗(yàn)是把2種傳感器置入磁屏蔽環(huán)境內(nèi)固定位置,人為構(gòu)造的0磁場中,其傳感器所測得的磁場實(shí)為磁通門傳感器的零位偏移,即由漏磁通及鐵芯參數(shù)不一致等造成的變壓器效應(yīng)誤差。在屏蔽環(huán)境內(nèi),外界磁場無變化,因此傳感器測量磁場應(yīng)基本不變,其變化量即為傳感器的穩(wěn)定度。圖7、圖8分別為新型磁通門傳感器的穩(wěn)定性試驗(yàn)及雙鐵芯型磁通門傳感器的穩(wěn)定性試驗(yàn)。

圖7 新型環(huán)形磁通門傳感器穩(wěn)定性測試

圖8 傳統(tǒng)雙鐵芯磁通門傳感器穩(wěn)定性測試

從圖中看出,新型傳感器在零磁場環(huán)境中測得的磁場為9 nT,總體幅值變化在1 nT之內(nèi),而傳統(tǒng)雙鐵芯型磁通門傳感器測得的為107 nT,總體幅值變化2 nT。因此可以看出新型傳感器在零位偏移上更加小,在變化量上也比原先的傳感器更加穩(wěn)定。

圖9為新型磁通門雙分量傳感器在同一位置所測量的數(shù)據(jù),從圖中可以看出,雙分量所測的數(shù)據(jù)相差2 nT不到,從而得出雙分量磁通門傳感器一致性好。圖10為傳統(tǒng)雙分量磁通門傳感器的同一位置測量數(shù)據(jù)。其雙分量磁通門傳感器由于敏感度不一致,測量的數(shù)據(jù)具有較大變化,其零位相差40 nT。因此新型磁通門傳感器具有一致性好的特點(diǎn)。

圖9 新型環(huán)形鐵芯雙分量磁通門傳感器同點(diǎn)測磁測試

圖10 傳統(tǒng)雙鐵芯雙分量磁通門傳感器同點(diǎn)測磁測試

由試驗(yàn)得出,本文所制作的雙分量磁通門傳感器,其穩(wěn)定性、噪聲、一致性都比普通磁通門傳感器得到提高,且其體積得到有效控制,為以后同點(diǎn)三分量磁通門傳感器的小型化創(chuàng)造了基礎(chǔ)。

6 結(jié)論

從上文可以得出,新型磁通門傳感器比傳統(tǒng)傳感器在原理性噪聲的控制,穩(wěn)定性方面有一定的改善。且雙分量磁通門傳感器的一致性好,幾何中心同點(diǎn),體積小,對以后同點(diǎn)三分量磁通門傳感器的小型化具有指導(dǎo)意義。

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徐斌(1985-),男,上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院在讀博士研究生,研究方向?yàn)榇艌鰷y量,xubin725@sina.com;

顧偉(1953-),男,上海海事大學(xué)科學(xué)研究院,教授,博士生導(dǎo)師,現(xiàn)任上海海事大學(xué)科學(xué)研究院常務(wù)副院長、航運(yùn)技術(shù)與控制工程交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、上海市造船學(xué)會理事、中國電工學(xué)會船舶電氣委員會理事。主要研究方向?yàn)楦劭?、船舶自動化與機(jī)電一體化技術(shù)。主持和參加了上海市、交通部、企事業(yè)單位委托科研項(xiàng)目十多項(xiàng),獲中國航?？萍既泉勔豁?xiàng)、上海市科技進(jìn)步獎二等獎兩項(xiàng)及三等獎兩項(xiàng)、安全生產(chǎn)科技成果獎三等獎一項(xiàng)。共申請專利23項(xiàng),其中發(fā)明專利14項(xiàng),實(shí)用新型9項(xiàng);獲得授權(quán)專利10項(xiàng),其中發(fā)明專利1項(xiàng),實(shí)用新型9項(xiàng)。在《IEEE transactions on IM》、《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》、《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》、《儀器儀表學(xué)報(bào)》、《中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)》、《中國造船》等刊物發(fā)表論文近三十篇,其中EI、SCI、ISTP檢索論文近二十篇,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

項(xiàng)目來源:交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)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