电流输出型磁通门传感器的灵敏度

电流输出型磁通门传感器的灵敏度

4

　仪表技术与传感器

2002年

电流输出型磁通门传感器的灵敏度

刘诗斌,段哲民,严家明

(西北工业大学电子工程系,陕西西安　710072)

摘要:研究了电流输出型磁通门传感器的灵敏度。一般磁通门的灵敏度随次级线圈匝数增加

而增加,导致高灵敏度磁通门体积大,闭环工作时动态性能差。通过理论推导得出,忽略线圈的铜电阻和耦合电容的容抗时,电流型磁通门的灵敏度与次级线圈匝数成反比,因而可在小体积下获得高灵敏度和优越的动态性能。研制了6只次级线圈匝数不等双铁心电流输出型磁通门进行试验。用最小二乘法对实验数据进行了分析,结果表明理论推导与试验结果基本一致。分析还表明,若考虑次级线圈的铜电阻和耦合电容的容抗,用次级线圈匝数的倒数及其二次项表示电流输出型磁通门的灵敏度具有更高的精度。关键词:传感器;磁通门;灵敏度中图分类号:TP212　　文献标识码:A　　文章编号:1002-1841(2002)09-0004-03

TheSensitivityofCurrentOutputFlux-GateSensors

LiuShibin,DuanZhemin,YanJiaming

(DepartmentofElectronicEngineering,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xian,710072China)

Abstract:Thecurrentoutputfluxgatesensorisstudied.Thesensitivityofcommonfluxgatesensorhasadirectrela2

tionshiptotheturnsofthepickupcoil,sothehighsensitivitysensorhaslargesizeandworsedynamiccharacteristicwhenitworksinfeedbackmode.Theorydeductionshowsthatthesensitivityofthecurrentoutputfluxgatehasareciprocalpro2portiontotheturnsifthecopperresistanceandtheimpedanceofthecouplingcapacitorareneglected,sohighsensitivityandsuperiordynamiccharacteristiccanbeobtainedwithsmallsize.Sixcurrentoutputfluxgatewithdeferentturnsofpickupcoilaredevelopedandtested.Theexperimentdataisanalyzedwithleastsquaretheory.Itisbasicallyidenticalbetweenthetheorydeductionandexperimentdata.Theanalysisalsoshowsthatusingreciprocalturnsanditssquaretodescribethesensitivitycanbemoreprecise,ifthecopperresistanceandtheimpedanceofthecouplingcapacitorareconsidered.KeyWords:Sensors;Fluxgate;Sensitivity

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。

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Hx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。

电流输出型磁通门传感器的灵敏度

第9期 传感器技术 　　　5

电流输出型磁通门的连接如图2(a)所示。将磁通

门次级通过一个大容量电容C接到运算放大器的虚地端,次级线圈感应的电流经电阻R转换成电压信号输出。这种连接对次级线圈来说相当于对地短路,所以也称之为短路输出型磁通门[3]

。

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]:

μω(E1+E2)Hx upi=

πN2S

(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:

e(t)=ri(t)+

C

i(t)dt

(2)

式中:N2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N2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N2来提高灵敏度存在问题。一方面N2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N2.这正好与增加N2相矛盾,采用电流输出型磁通门可有效解决此矛盾。

根据磁通门原理可写出的次级线圈两端的电压与铁心中磁感应强度B(t)之间的关系:

e(t)=-N2S

dt

(3)

式中B(t)等于磁导率与磁场强度的乘积。

激励电流使铁心反复进入饱和区,使铁心的磁导率随时间而变化,用μ(t)表示。磁场强度包含两部分:一部分是被测磁场Hx;另一部分是次级电流i(t)产生的变化磁场H(t)。设次级线圈的有效长度为l,则:

H(t)=

i(t)l

(4)

将(4)式代入(3)式,与(2)式合并得:[μ(t) i(t)]=-Hx-2ri(t)+dtN2dtN2S(5)i(t)dt2

N2SC

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)=-Hx+

μ(t)N2

(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:

A=

1

Hx

N2ε

(7)

4　电流输出型磁通门

电流输出型磁通门传感器的灵敏度

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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:

i(t)=-1Hx

N2μ(t)(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合实际。

由上式可知,电流输出型磁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30mm,线圈长度25mm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0.330e,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。

图3　灵敏度与次级线圈匝数的关系

7　结束语

本文分析了电压输出型磁通门传感器,讨论了电

流输出型磁通门传感器。传统的电压输出型磁通门的灵敏度随磁通门次级线圈匝数增加而增加,这使高灵敏度磁通门体积重量增加,在闭环工作时动态性能变差。电流型磁通门的灵敏度随次级线圈匝数减小而增大,可在小体积下获得高灵敏度和优越的动态性能。在忽略线圈的铜电阻和耦合电容的容抗时,理论推导得出电流输出型磁通门的灵敏度与次级线圈匝数成反比。实验数据表明,用次级线圈匝数倒数的二次函数表示电流输出型磁通门的灵敏度更符合实际情况。这对进一步研究电流输出型磁通门有重要意义。

参

业大学,2001.

[2]　PrimdahlF,PetersenJR,OlinC,etal.Theshort-circuitedfluxgate

outputcurrent[J].J.Phys.E:sci.Instrum,1989:349-354.[3]　PrimdahlF,JensenPA.Noiseinthetunedfluxgate[J].J.Phys.E:

sci.Instrum,1987:637-642.

6　试验结果分析

按上述设计和试验测得的电流输出型磁通门的灵敏度G与次级线圈匝数N2的关系如图3中的粗实线所示,其中圆圈为测试数据。实验数据说明,电流输出型磁通门的灵敏度随次级线圈匝数的减小而增加。

根据(8)式,假设灵敏度G与N2成反比,用最小二乘法对实验曲线进行拟合得:

(9)G=

N2

考文献

[1]　刘诗斌.微型智能磁航向系统研究[M].[学位论文].西安.西北工

如图3中的虚线所示。由图3可知,该拟合曲线与实

验曲线趋势相同,但有一定差别。该差别是在求解方程(5)时忽略了最后两项所致。这两项均与成反比,考虑磁因素可假设:

G=

+2N2N2

(10)

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按(10)式,用最小二乘法对实验曲线进行拟合得:

(11)

G=-2

N2

N2

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/jah1.html