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磁通门技术
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    I国内外研究现状

    磁通门是利用被测磁场中高导磁铁芯在交变磁场的饱和激励下,其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的一种传感器。磁通门传感器也称磁强计,由探头和接口电路组成,具有分辨率高(最高可达10-11T)、测量弱磁场范围宽(在10-8T以下)、可靠、简易、经济、耐用、能够直接测量磁场的分量和适于在高速运动系统中使用等特点。磁通门传感器的研究起始于1928年,几年后才出现了利用磁性材料自身磁饱和特性的磁通门磁强计,它被用来测量1mT以下的直流或低频交流磁场。1936年,Aschenbrenner和Goubau称达到了0.3nT的分辨率。在第二次世界大战中,用于军事探潜的磁通门传感器有了较大的发展。

    用电流传感器作为电气设备绝缘在线检测系统的采样单元,已得到业内人士的共识。目前,电流传感器有多种类型,如霍尔传感器、无磁芯电流传感器、高导磁非晶合金多谐振荡电流传感器、电子自旋共振电流传感器等。由于电力系统使用环境的特殊性,许多传感器存在自身的局限性。目前应用于电力系统的电流传感器多是以电磁耦合为基本工作原理的,从采样方式上分,这类传感器主要有直接串入式、钳式、闭环穿芯式三种。大量的研究试验表明,基于“零磁通原理”的小电流传感器更适合电力系统绝缘在线检测的要求。本文所述小电流传感器即是以磁通门技术为基本原理,加上闭环控制在电子电路中的应用,使小电流传感器具有高精度、高稳定度、抗干扰能力强等优点[1]。

    磁通门是一种磁测量传感器。由于它在动目标中可以极敏感地感应地磁强度,早在本世纪30年代就被应用于航磁测量部门。近20年来,在物理学、电子技术、金属冶炼等方面取得的巨大成果,使磁通门在弱磁测量、抗电磁干扰、耐高温、可靠性、寿命、价格方面取得了前所未有的进展。在地质勘探和石油钻井中,包括磁通门在内的敏感元件提供的有关钻头前进方向的信息,使按设计井身轨迹实现高质量定向—水平钻井成为可能。

    我在这里简单列举几个国际上取得的成果。MilanM.Ponjavic等人提出了一种自激震荡的磁通门传感器模型,对在模型中影响传感器工作的主要特性都进行了讨论[2]。Q.Ma等人设计了一种新型DC传感器,这种新型DC传感器可以有效提高测量的准确度,同时具有良好的线性度。这种传感器是基于磁势自平衡和反馈补偿的[3]。EyalWeiss等人研究了一种正交磁通门传感器,这种传感器不仅改善了磁通门的等效磁噪声,而且简化了磁通门的输出过程[4]。Szewczyk,R课题组为我们呈现了一种双轴微型化磁通门传感器,这种传感器的铁芯由铁钴合金制造,并且依托于PCB多层技术,同时为磁通门的进一步微型化提供了依据[5]。GuillermoVelasco-Quesada等人设计了一种大电流测量装置,并且通过增加开关电源和产生磁补偿电流开关使得在功率方面取得了很大的提高[6]。

    II磁通门技术原理

    磁通门传感器是利用被测磁场中高导磁率磁芯在交变磁场的饱和激励下,其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的。这种物理现象对被测环境磁场来说好像是一道“门”,通过这道“门”,相应的磁通量即被调制,并产生感应电动势。利用这种现象来测量电流所产生的磁场,从而间接的达到测量电流的目的。

    磁通门现象是变压器效应的伴生现象,也服从法拉第电磁感应定律。我们从最简单的单铁心磁通门探头来说明其工作原理。如图1,在一根铁心上缠绕激磁线圈和感应线圈,铁心由软磁材料制成,其横截面面积为S,磁导率为μ,载流激磁线圈在铁心上建立的激磁磁场强度为H,感应线圈的有效匝数为W2。

    在未认定S、μ、H和W2中的任一参数为不变量,根据法拉第电磁感应定律,感应线圈上应产生的感应电势为:

    e=-10(W2μHS)(1)

    如果S和W2都不变,铁心远离饱和工作状态,其磁导率μ常数,这个物理模型中的感应电势e将仅仅是激磁磁场强度H变化的结果。如果激磁磁场强度

    H=Hmcos(2πf1t)(2)

    式中:Hm为激磁磁场强度幅值;f1为激磁电源频率。则式(1)变为

    e=2π×μW2SHmsin(2πt)(3)

    这是理想变压器效应的数学模型。

    实际变压器效应数学模型应为:

    e=2π×f1(t)W2SHmsin(2πf1t)-W2SHmcos(2πf1t)(4)

    然而,铁心磁导率μ(t)无正负之分,是个偶函数。将μ(t)展为傅立叶级数时,可得:

    μ(t)=μ0m+μ2mcos4πf1t+μ4mcos8πf1t+...(5)

    式中:μ0m为μ(t)的常值分量;μ2mμ4m分别为μ(t)的各偶次谐波分量幅值。

    将式(5)代入式(4),得:

    e=2π×f1W2SHm[(μ0m+0.5μ2m)sin2πf1t+1.5×(μ2m+μ4m)sin6πf1t+2.5×(μ4m+μ6m)sin10πf1t+...(6)

    由上可知,考虑铁心磁导率产的变化后感应电势,将出现奇次谐波分量。考虑环境磁场实际施加在铁心轴向的分量HOL时,式(4)将变成:

    e=2π×f1μ(t)W2SHmsin(2πf1t)-W2SHmcos(2πf1t)-W2SHOL(7)

    当比铁心饱和磁场强度和激磁磁场强度幅值Hm都小得多时,它对铁心磁导率μ(t)的影响可以忽略。单独由HOL引起的感应电势e的增量eHOL为:

    e=()=-2π×f1W2S(2μ2msin4πf1t+4μ4msin8πf1t+6μ6msin12πf1t+...)(8)

    式(8)证明只要铁心磁导率μ随激磁磁场强度而变,感应电势中就会出现随环境磁场强度而变的偶次谐波增量e(HOL)。

    当铁心处于周期性过饱和工作状态时,e(HOL)将显著增大。利用这种物理现象就可以测量环境磁场。但与变压器效应相比较,其感应线圈输出的磁通门信号。e(HOL)相当微弱。为实现精确测量,可设计成差分输出探头来消除磁通门探头变压器效应的感应电势。

    III存在的问题

    电流测量方法主要包括:分压电阻、电流互感器、霍尔电流传感器、Rogowski线圈(罗氏线圈)、磁通门电流传感器、磁阻电流传感器。其中霍尔电流传感器和磁通门电流传感器能够检测交流和直流。霍尔电流传感器能够检测几千安培的电流,精度范围在0.5%和2%之间,但是霍尔电流传感器的检测精度受温度和外界磁场影响较大,这就限制了霍尔元件的应用范围[6]。

    多年来磁通门传感器广泛用于地质勘探和太空探测中,传统的磁通门传感器还应用于弱磁场检测,比如地磁场探测、铁矿石探测、位移检测和无损检测等方面[7]。由于二次谐波解调电路的复杂性和工业磁材料性能的限制使得这种传感器对于一般工业应用来说过于昂贵。近年来随着软磁材料的快速发展和电子元件价格的下降使得磁通门电流传感器经济价格上可与霍尔传感器进行相比。同时,对于直流测量应用的性能优越,磁通门电流传感器不失为一种好的选择。与霍尔传感器相比,磁通门电流传感器具有低温漂和低漂移的优点。由于磁通门电流传感器的磁芯工作在周期性的饱和与非饱和状态,所以磁场偏移得到有效抑制,同时保证了磁通门电流传感器较高的测量精度。

    由于磁通门能够检测的最大磁场不过数十高斯,所以磁通门仅适用于微弱的直流或者低频交流电流的检测。复杂的二次谐波处理电路以及铁磁材料性能的限制,使得磁通门电流传感器成本较高,在工业领域的应用中存在着局限性。

    IV应用现状及前景预测

    磁通门从其问世以来得到了不断的发展和改进,被广泛应用在各个领域,如地磁研究、地质勘探、石油测井、空间磁场探测、磁性导航、武器侦察、探潜、磁性材料测试和材料无损探伤等弱磁场探测的各个领域。近年来,磁通门在宇航工程中也得到了重要应用,例如,用来控制人造卫星和火箭的姿态,测绘太阳的“太阳风”和带电粒子相互作用的空间磁场、月球磁场、行星磁场以及星际磁场的图形等。美国宇航局(NASA)目前正在制订的一项雄心勃勃的微型仪器技术开发计划,主要目的是发展适合21世纪的小型、低价、高性能航天器,利用MEMS技术对航天器有效载荷的某些机电部件进行微型化,以极大地减小各种科学仪器和传感器的体积和质量,提高探测器的功能密度。美国喷气推进实验室(JPL)称这些微型仪器将是新的微型实验室的心脏,它们主要包括:火星登陆器、微加速度计、微磁强计、微湿度计、微气象站、微地震仪、微集成相机、微成像光谱仪以及微推进器等。由此可见,微型磁通门在其计划中的位置。

    目前磁通门技术的发展方向有:1、提高分辨率。2、提高测强精度。3、提高分辨率、带宽和精度的综合技术水平。4、提高测量上限。5、提高分辨率、精度和拓宽量程的综合技术水平。6、研制简易型、微型化和元件化磁通门器件。

    传统制造磁通门的方法是在高导磁铁芯上用机械的方法缠绕上励磁线圈和感应线圈制成探头,再与接口电路连接起来,这种方法制作的磁通门在体积、质量以及功耗等许多方面都难以实现微型化。目前,利用MEMS技术与半导体集成电路工艺相结合是研制微型磁通门传感器的突破口。

    微型磁通门传感器的研究方向如下:①系统化,将探头与接口电路完全集成在一个芯片上,制成真正的磁通门MEMS系统;②阵列化,根据需要在一个芯片上制作一系列磁通门探头不仅可以提高传感器的性能,也可完成某些特定的功能,如制作微型磁罗盘;③利用微加工技术,从而提高磁通门传感器的性能,特别是磁芯的性能;④利用计算机模拟与仿真软件对磁通门的接口电路进行模拟优化,提高电路的性能;⑤利用计算机对微型磁通门探头结构进行模拟计算,以缩短设计周期,提高研究效率,进一步降低成本;⑥向实用化、商品化方向发展,从而促进相关产业的发展。

    现在一些国际上的公司已经将传感器微型化进行了生产,并取得不错的成绩,以霍尔传感器的应用最为广泛,已实现产品化。剑桥大学将磁通门原理制成测量探头应用在PCB板上,成功制得了产品。

    V参考文献

    [1]吴嘉慧,施文康,“磁通门技术在检测中的应用”,国内技术12期,2000.

    [2]A.Q.Ma,“DCsensorbasedonmagneticpotentialself-balanceandfeedbackcompensation,”IETSoftware,vol.3.no.4,pp.312-316,2009.

    [3]EyalWeiss,“OrthogonalFluxgateEmployingDigitalSelectiveBandpassSample,”IEEETransMagn,vol.48.no.11,pp.4089-4091,2012.

    [4]MilanM.Ponjavic,“NonlinearModelingoftheSelf-OscillatingFluxgateCurrentSensor,”IEEESensorsJ.,vol.7.no.11,pp.1546-1553,2007.

    [5]PiotrFrydrych,“Two-Axis,MiniatureFluxgateSensors,”IEEETransMagn,vol.48,no.4,pp.1458-1488,2012.

    [6]GuillermoVelasco-Quesada,“Designofalow-consumptionfluxgatetransducerforhigh-currentmeasurementapplications,”IEEESensorsJ.,vol.11.no.2,pp.280-287,2011.

    [7]RipkaP,BillingsleySW.Fluxgate:Tunedvs.untunedoutput,IEEETrans.Magn.1988,(34),1303-1305

    [8]Kaluza,AGrüger,HGrüger.Newandfutureapplicationsoffluxgatesensors.Sens.ActuatorsA,Phys,2006,(106):48–51