磁通门技术
5页1、磁通门技术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
2、。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。Milan M. 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。Eyal Weiss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
3、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。Guillermo Velasco-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,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、H和W2中的任一参数为不变量,根据法拉第电磁感应定
4、律,感应线圈上应产生的感应电势为: e=-10(W2HS) (1)如果S和W2都不变,铁心远离饱和工作状态,其磁导率常数,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(2f1t) (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 =2W2SHmsin(2t) (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 =2f1(t)W2SHmsin(2f1t) W2SHmcos(2f1t) (4)然而,铁心磁导率(t)无正负之分,是个偶函数。将(t)展为傅立叶级数时,可得: (t)=0m+2mcos4f1t + 4mcos8f1t +. (5)式中:0m为(t)的常值分量;2m4m分别为(t)的各偶次谐波分量幅值。将式(5)代入式(4),得:e =2f1W2SHm(0m+0.52m)sin2f1t +1.5(2m+4m)sin6f1t +2.5(4m+6m)sin10f1t +. (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)
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