磁通门磁力仪工作原理、结构与使用

磁通门磁力仪磁通门磁力仪 磁通门式磁敏传感器又称为磁饱和式磁敏传感器 它是利用某些高导磁率的软磁性材 料 如坡莫合金 作磁芯 以其在交直流磁场作用下的磁饱和特性及法拉第电磁感应原理研 制的测磁装置 这种磁敏传感器的最大特点是适合在零磁场附近工作的弱磁场进行测量 传感器可作 成体积小 重量轻 功耗低 既可测 T Z 也可测 T Z 不受磁场梯度影响 测量的 灵敏度可达 0 01 nT 且可和磁秤混合使用的磁测仪器 由于该磁测仪对资料解释方便 故已较普遍地应用于航空 地面 测井等方面的磁法勘探工作中 在军事上 也可用于寻 找地下武器 炮弹 地雷等 和反潜 还可用于预报天然地震及空间磁测等 4 1 磁通门式磁敏传感器的物理基础磁通门式磁敏传感器的物理基础 一 磁滞回线和磁饱和现象 铁磁性材料的静态磁滞回线 如图 1 35 所示 在图中当磁化过程由完全退磁状态开 始 若磁化磁场等于零 则对应的磁感应强度也为零 随着磁化磁场 H 的增大 磁感应强 度 B 亦增大 扭曲线 OA 段所示 但当 H 增加到某一值 Hs 之后 B 就几乎不随 H 的增加而 增强 通常将这种现象称作磁饱和现象 开始饱和点所对应的 Bs H 分别称作饱和磁感 应强度和饱和磁场强度 图 1 35 静态磁滞回线示意图 当 H 增加到 Hs 后 如使 H 逐渐减小下来 磁感应强度也就随之减小下来 但实践证 明 一般这种减小都不是按照 AO 所示的规律减小 而是按照 AB 所示的轨迹进行 并且当 磁场 H 减小到零时 磁感应强度 B 并不等于零 也就是说磁感应强度的变化滞后于磁场 H 的变化 这种现象称为磁滞现象 当 H 由 HS减小到零时 B 所保留的值 Br 被称作最大剩磁 之所以叫最大剩磁是由于 H 从小于 Hs 的不同值减小到零 其所对应的剩磁也是不同的 但以 H 从 Hs 减小到零时所 对应的剩磁 Br 最大 欲使剩磁去掉 就需加一个与原磁化磁场相反的磁场 如 OC 段所示 线段 OC 即表示 使磁感应强度 B 恢复到零时所需要的反向磁场强度 这一场强通常称为矫顽力 并用 Hc 表 示 最大剩磁 Br 饱和磁感应强度 Bs 饱和磁场强度 Hs 及矫顽力 Hc 是磁性材料的四个重要 参数 在设计制造磁力仪器时 必须予以重视 通常磁通门式磁敏传感器使用软磁性材料 所谓软磁性材料 是指那些 Hc 小的磁性 材料 特点是易去磁 软磁性材料在仪器中是工作在周期性变化的磁场 一般为正弦交变 磁场 中的 故其磁化过程是周期性进行的 其结果便形成动态磁滞回线 它与图 1 35 静 态磁滞回线形状大致相同 面积比静态磁滞回线面积大些 由于动态磁滞回线的面积等于 反复磁化一周所损耗的能量 所以动态磁滞回线的形状和大小随磁化磁场频率而变 在动 态磁场作用下 除磁滞损耗之外 还有涡流损耗和其它损耗 这些损耗均与磁化磁场的频 率有关 磁通门式磁敏传感器设计中所用到的磁滞回线是动态饱和磁滞回线 即磁滞回线中 最大的一条回线 动态磁滞回线上各点对应的斜率 d dB dH 叫做该点的动态导磁率 磁通门磁力仪是利用具有高导磁率的软磁铁芯在外磁场作用下的电磁感应现象测定外 磁场的仪器 它的传感器的基本原理是基于磁芯材料的非线性磁化特性 其敏感元件是由 高导磁系数 易饱和材料制成的磁芯 有两个绕组围绕该磁芯 一个是激励线圈 另一个则 是信号线圈 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磁场成正比的信号 该感应信号包含 f 2f 及其它谐波成分 其中偶次谐波含有外磁场的信息 可以通过特定的检测电路提取出 来 1 坡莫合金片的磁滞迥线特点 坡莫合金与一般的铁磁性物质比较 具有很高的导磁率 u dB dH 比如国产 IJ86 型 的坡莫合金 起始导磁率 u0 CGSM 单位 很小的矫顽磁力 Hc 和很小的饱和磁场 Hs 因 此坡莫合金的磁滞回线窄而且陡 但是一般的铁磁性物质的磁滞回线宽而且缓 如图 3 一 l 和 3 一 2 所示 分析坡莫合金的磁滞迥线可以知道 当外磁场有微弱变化时候 就会引起磁感 B 的显 著变化 可以说磁感应强度 B 对外磁场 H 的变化有放大的作用 或者说坡莫合金对外磁场 感觉灵敏 由于坡莫合金磁滞迥线所包含的面积很小 可以近似地看成一条曲线 B 随 H 的变化特点就与一般铁磁性物质所表现者有所不同了 2 偶次谐波的产生 在无外磁场状况下 当初级线圈中供一个交流电压 E Em COSwt 时 则在坡莫合金中 将产生一个交变磁场表达式如下 H 一 Hmcoswt 其中 Hm Hs 饱和磁场 由于 H 随时间变化将引起 B 随时间变化 当一 Hs HBm 的这段时间也 相等 从 B 曲线来看 相当于一段失真的正弦曲线 此曲线可以看成由基波和三次谐波合 成 如图 3 一 3 所示 当有外磁场存在时 作用在坡莫合金的总磁场为 H H0 HmCOS 其中 H0十 Hm Hs 同样在一 HS HHs 时 B 达到饱和值 由于磁场的变化是在外磁场 Ho 的基础上变化的 所以在 H 与 Ho 同向时 B 先达到饱和 保持在常值 Bm 的时间比较长 当 H 与 Ho 反向时 B 保 持在常值 Bm 的时间比较短 这个 B 随时间变化的曲线由于顶部是平的 可以看作是其基 波和三次谐波合成 但是由于正负半周不对称 还应该有二次谐波的成分 这个二次谐波 的曲线和外磁场的存在有关 如图 3 一 4 所示 括弧内由于 Hm Hs Ho 按二项式定理展开 并略去 Hs Ho Ho 的 4 次方以上的高 次项 经过整理后得到 H0 Hm wSnKuHs b 8 2 式中右端除了 Ho 以外都为与灵敏元件绕制等有关的常数 可见输出电压振幅与外磁 场 H 成正比 3 3 环型芯磁通门传感器的工作原理 单线圈型磁通门传感器的激励线圈和感应线圈使用同一组线圈 产生的感应电压含有 很大并且又无益的基波分量 为了抑制这些基波信号的干扰 出现了环型和管型等其他结 构的传感器 环型传感器可以看成双棒型传感器的延伸 并且形成了闭合回路 因为它激 励磁场在左右两边对称的磁芯中心大小相等 而且方向相反 所以产生的感应电压的基波 分量相互抵消 因此环型磁通门传感器输出的感应电压大小为 由上式表明 在这样的传感器中 理论上激励磁线圈都不产生感应电压 激励磁场存 在只是使磁芯的导磁系数发生周期性的变化 坡莫合金磁芯在交变磁场的激励下 它的导 磁系数随时间发生周期性变化 当还没有被磁化到饱和的时候 导磁系数很大 磁通的闸 门打开 磁通量很大 当磁芯饱和的时候 导磁系数很小 闸门关闭 磁通量就很小 当平 行于感应线圈轴向有外磁场存在的时候 感应线圈内部的磁通量也发生周期性的改变 外 磁场受到周期性变化的磁通的调制 在感应线圈两端感应出电压 用合适的方法测量该感 应电压就能够得出外磁场的大小 由于两个半芯的二次谐波电压的频率 振幅和相位都一样 因此灵敏元件的总输出振 幅电压为 2 倍二次谐波电压振幅 即 磁通门磁力仪的主要性能 1 分辨率 磁通门磁力仪的分辨率 对微弱信号变化量的反应能力 相当高 一般可以达到 1 10nT 相当于地磁场强度的 0 00001 0 0001 倍 特殊制造的磁通门磁力仪的分辨率可以 达到 0 001nT 因此可以用于测量地磁脉动 卫星载磁通门式向量磁力仪的分辨率因量程 而异 在测量弱磁场的时候分辨率可以达到 0 002nT 限制分辨率的主要因素是电子线路前置放大器的噪声以及探头的灵敏度和噪声 2 测量范围 磁通门磁力仪的测量范围是 65000 到 65000nT 之间 为了提高灵敏度和免受磁化产 生永久磁场 磁通门磁力仪的探头铁芯由高导磁率软磁材料制作 这些材料的饱和磁场强 度 Hs 只有 0 0001T 左右 如果待测磁场达到或超过这个强度 激励磁场的调制功能就明显 受限 被测磁场更强时 甚至可以将铁芯磁化 必须退磁才能消除剩磁 所以 磁通门磁 力仪被认为只适用于弱磁场的测量 3 频率响应 磁通门磁力仪频率响应范围大约在 10Hz 以内 一般适用于测量缓慢变化的稳恒磁场 监测交变 脉动或扰动磁场时 需要特殊制作的磁强计 二 磁通门式磁敏传感器的二次谐波法测磁原理 一般地说 磁通门传感器的磁芯几何形状有下面几种 在闭合式磁芯中 有长方形磁芯 跑道形磁芯 圆形磁芯三种 在非闭合式磁芯中 有长条形单磁芯和长条形双磁芯两种 从这几种磁芯的性能来说 以圆形较好 跑道形次之 在地球物理的磁法勘探的测量 中 用跑道形磁芯较多 下面就以跑道形磁芯为例来分析磁通门式磁敏传感器的测磁原理 及有关问题 一 长轴状跑道形磁芯 如图 1 37 所示 一般沿长轴方向的尺寸远大于短轴方向的尺寸 故当沿长轴方向磁 化时 要比沿短轴方向磁化时的退磁作用及退磁系数小得多 这样 就可以认为跑道形磁 芯仅被沿长轴方向的磁场所磁化 在实践中 亦仅测量沿长轴方向的磁场分量 图 1 37 跑道形磁芯结构示意图 L 灵敏元件架 2 初级线圈 3 输出线圈 4 坡莫合金环 若在跑道形磁芯的彼此平行的两长边上 分别绕一组匝数相同的线圈 w1 w2则同向 串联在一起作为激励线圈 在 w1 w2的外边绕一公用的测量线圈 称作讯号线圈 wS 则 当在激励线圈 w2通入一正弦交变电流 I I MSin t 时 假定由 w1产生的磁场为 H1 HmSin t 那么 在 w2中必然产生一个磁场为 H2 HmSin t 由图 1 37 可见 对 于激励交变场来讲 其磁路为一闭合磁路 故没有退磁作用 对于正弦交变磁场来说 导 磁率即为材料的动态相对导磁率 由于 高达几十万 而在真空中的动态相对导磁 率近似为 1 所以 w1及 w2所产生的磁力线在磁芯未达到饱和之前 均可视为无漏磁的通 过整个闭合磁路的 作用于两长边的交变磁化磁场 可分别等效为 H1 2Hmsin t H2 2Hmsin t 对于被测恒定地磁场 He 来讲 其磁路是一开断磁路 并有退磁场 Hd 的存在 故磁芯 对外加恒定磁场 He 的有效导磁率 是物体的动态相对导磁率 d 磁性材料的动态磁滞回线形状比较复杂 极难用一简单数学模型加以描述 但为了 对探头进行理论分析 并进行具体计算 必须把实际的软磁性材料的最大动态磁滞回线加 以近似化 理想化 即用一个足以表征其特性 饱和特性 的模型来表示之 图 1 38 中的 三折线模型 就是常用的一种 图 1 38 传感器测磁原理图 当外加磁场 He 0 时 作用于磁芯两长边的总磁化磁场仅是交变磁化磁场 但如果两 个激励线圈的匝数 w1 w2 则 H1 2HmSin t H2 再假定磁芯的两长边的几何尺寸及电磁 参数完全相同 测量线圈的安装位置也非常对称时 则在长边 1 和长边 2 中产生的通过测 量线圈的磁通量 每时每刻都大小相等 方向相反 从而使通过测量线圈的总磁通量恒等 于零 因此 在测量线圈中所感生的感应电动势及二次谐波均为零 当沿磁芯长轴方向作用的外加恒定地磁场 He 不为零时 由于叠加恒定磁场的结果 使长边 1 与长边 2 中的总磁化磁场的对称性遭破坏 其情况如图 1 38 b 所示 于是 长 边 1 与长边 2 中的总磁化磁场分别为 H1 He H1 He 2HmSin t 1 33 H2 He H2 He 2HmSin t 1 34 长边 1 与长边 2 中的磁感应强度在未饱和段分别为 B1 d He 2 Hm Sin t 1 35 B2 d He 2 Hm Sin t 1 36 式中 B1和 B2的曲线表示法分别如图 1 38 c 所示 由 B1和 B2的数学表达式及图 1 38 c 可见 由于迭加恒定磁场的结果 使长边 1 与长边 2 中的磁感应强度对于时间轴的对称性破坏了 B1在 2 到 2 区间内 可用下述函数来表示 在 2 2范围内 B1 BS BS为一常数 在 1 2范围内 B1 d He 2 HmSin 1 37 在 1 2 范围内 B1 BS B2在 2 到 2 区间内 可用下述函数来表示 在 2 2范围内 B2 BS BS为一常数 在 1 2范围内 B2 d He 2 HmSin 1 38 在 1 2 范围内 B2 BS 对式中饱和点的坐标点的求取 可如下述 令 d He 2 HmSin BS HS 则有 Sin 1 HS d He 2 Hm 1 39 Sin 2 HS d He 2 Hm 1 40 从物理学中得知 磁芯中磁通量 为其磁感应强度 B 与磁芯截面积 S 的乘积 故假 定长边 1 和长边 2 的截面积相等 即 S1 S2 S 则利用法拉第电磁感应定律的数学表达式 便可求得长边 1 与长边 2 中 B 的变化 在信号线圈 S中所感生的电压 可分别用下列函 数表示 E1在 2 到 2 区间内 可用下述函数来表示 在 2 2范围内 E1 0 在 1 2范围内 E1 2 10 8 Hm SS Cos 1 41 在 1 2 范围内 E1 0 E2在 2 到 2 区间内 可用下述函数来表示 在 2 2范围内 E2 0 在 1 2范围内 E2 2 10 8 Hm SS Cos 1 42 在 2 2 范围内 E2 0 函数的变化规律如图 1 38 d 中的 e1 e2 所示 由以两组分段函数式 1 41 和 1 42 中 或由图 1 38 d 可见 在 1到 2 的任何时刻 对应 el e2 内都大小相等 极性相反 因而互相抵消 于是在 2 到 2 区间内 在 S中感生的总感应电压为 在 2 2范围内 ES 0 在 1 2范围内 ES 2 10 8 Hm SS Cos 1 43 在 1 1范围内 ES 0 在 1 2范围内 ES 2 10 8 Hm SS Cos 1 44 在 2 2 范围内 ES 0 由上述分析可以看出 当两半芯完全对称时 在外加磁场 He 0 的情况 测量线圈 S中产生的 总感应电压 Es 的重复频率 为激励频率的二倍 这就是通常所说的二次谐波法的基本分析 这个结果在客观上就提出了一个新的问题 即在设计传感器时 必须保持两半芯的对称性 否则 在 1 1区间内 两半芯的感生电压不能得以抵消掉 又因 Es 的重复频率仍等于激励频率 故在 Es 中将含有激励频率的奇次谐波 为消除奇次谐波的影响 必须使磁芯保持对称 由于 Es 是属周期性的重复脉冲 故可用富氏分解法来计算 Es 的二次谐波分量的大小 由上述分段函数组式可知 Es 是一奇函数 富氏分解中的余弦项的系数 an 0 现在计算富氏分 解中正弦项的系数 b2 经过计算 b2 16 10 8 d SfS Hs Hm He 1 45 Es 16 10 8 d SfS Hs Hm HeSin2 t 1 46 式 1 45 便是测量线圈中输出二次谐波电压的振幅表达式 式 1 46 是测量线圈中 感应电压信号的完整表达式 从上述两式中可得以下结论 1 传感器测量线圈输出二次谐波的电压振幅与被测磁场 He 的大小近似成正比关系 根据这种关系可以测量外磁场 2 被测磁场的变号 改变方向 二次谐波电压的极性随之改变 3 传感器输出二次谐波电压的大小 除与被测磁场 He 近似成正比关系外 还与传感 器磁芯对于 He 的有效动态相对导磁率 d 接收线圈的匝数 S 磁芯有效面积 S 激励磁 场的频率 f 磁芯的饱和磁场强度 Hs 成正比关系 而与激励磁场的振幅 Hm 成反比 这些 将是设计与制造传感器时的重要参数 三 磁通门式磁敏传感器的应用 用磁通门式磁敏传感器可以构成多种不同用途的测磁仪器 例如 用于磁测量的有 地面磁通门磁力仪 航空磁通门磁力仪 磁通门磁力梯度仪 三分量高分辨率磁通门磁力 仪 小口径井中磁力仪 微机型磁通门磁力仪以及用于探测地下炸弹 地雷等铁磁性物体 的探测仪器等 重新对磁通门磁力仪的数据采集部分进行设计 用微处理器代替原来的硬件环路 使 原来完全由硬件控制的闭环系统的控制任务用软件来完成 新设计的磁通门磁力仪的数据 采集系统选用 MSP430FXXX 系统的 16 位单片机作为微处理器 其大概的框图如图 2 一 4 所示 4 2 2 波形发生电路 信号发生器电路非常重要 它要为磁通门传感器探头提供激励信号 从某种意义上讲 它是激励信号发生电路的核心部分 从第三章我们可以知道只要是交变电流都可以作为磁 通门激励信号 但是从探头的灵敏度和线性度考虑 用正弦波激励信号最为理想 为了减 少元气件的数量 在综合了现有的各种信号发生电路后决定采用美国 AD 公司的 AD9833 这种能输出正弦波和三角波的函数发生器电路具有频率范围宽 正弦波失真低 三角波的线性度好和温度漂移低等特点 图 4 一 5 为所设计的信号发生电路的原理图 将低通滤波器和高通滤波器串联就可以得到带通滤波器了 设前者的截止频率为 f1 后者的截止频率为 f2 f2 应该小于 fl 那么通带为 f2 一 fl 在实用的电路中也经常采用 单个集成运放构成压控电压源二阶带通滤波电路 其中心频率为 电路原理图如图 4 一 6 所示 4 4 选频放大电路 磁通门检测电路需要用到一个选频放大电路 即在检测线圈后面需要加一个选频电路 其主要功能是滤出探头输出信号的二次谐波分量 并使尽可能少的非二次谐波分量进入后 级的放大电路 根据第三章有关磁通门传感器工作原理的数值分析结果 我们可以知道 磁通门传感器探头输出信号含有多次谐波分量 其中奇次谐波和被测磁场没有关系 而所 有的偶次谐波都与被测磁场有关 所以各种不同类型的磁通门传感器的差别在很大程度上 取决于对这个输出信号的检测方法 当然也可以采用同时检测所有偶次谐波的方法 利用 所有偶次谐波共同作用来检测被测磁场的大小 应该采用多谐振电路进行检测 选频电路其选频频率为 电路原理图如图 4 一 7 所示 4 5A D 采用电路设计 本系统所设计的 A D 采样电路主要用到了 linear 公司的 LTC1606 下面具体对采样电 路的设计进行介绍 4 5 116 位采样芯片 LTC16O6 介绍 LTC