磁通門磁力儀工作原理、結(jié)構(gòu)與使用

1、磁通門磁力儀磁通門式磁敏傳感器又稱為磁飽和式磁敏傳感器。它是利用某些高導磁率的軟磁性材料(如坡莫合金）作磁芯，以其在交直流磁場作用下的磁飽和特性及法拉第電磁感應原理研制的測磁裝置。這種磁敏傳感器的最大特點是適合在零磁場附近工作的弱磁場進行測量。傳感器可作成體積小，重量輕、功耗低，既可測T、Z，也可測T、Z，不受磁場梯度影響，測量的靈敏度可達 001 nT，且可和磁秤混合使用的磁測儀器。由于該磁測儀對資料解釋方便，故已較普遍地應用于航空、地面、測井等方面的磁法勘探工作中，在軍事上，也可用于尋找地下武器（炮彈、地雷等）和反潛。還可用于預報天然地震及空間磁測等。4.1磁通門式磁敏傳感器的物理基礎 （

2、一）磁滯回線和磁飽和現(xiàn)象鐵磁性材料的靜態(tài)磁滯回線，如圖135所示。在圖中當磁化過程由完全退磁狀態(tài)開始，若磁化磁場等于零，則對應的磁感應強度也為零。隨著磁化磁場H的增大，磁感應強度B亦增大，扭曲線OA段所示。但當H增加到某一值Hs之后，B就幾乎不隨H的增加而增強，通常將這種現(xiàn)象稱作磁飽和現(xiàn)象。開始飽和點所對應的Bs、H。，分別稱作飽和磁感應強度和飽和磁場強度。圖1.35 靜態(tài)磁滯回線示意圖當H增加到Hs后，如使H逐漸減小下來，磁感應強度也就隨之減小下來。但實踐證明，一般這種減小都不是按照AO所示的規(guī)律減小，而是按照AB所示的軌跡進行，并且當磁場H減小到零時，磁感應強度B并不等于零，也就是說磁感應

3、強度的變化滯后于磁場H的變化，這種現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象。當H由HS減小到零時，B所保留的值Br被稱作最大剩磁，之所以叫最大剩磁是由于H從小于Hs的不同值減小到零，其所對應的剩磁也是不同的，但以H從Hs減小到零時所對應的剩磁Br最大。欲使剩磁去掉，就需加一個與原磁化磁場相反的磁場，如OC段所示。線段OC即表示使磁感應強度B恢復到零時所需要的反向磁場強度，這一場強通常稱為矯頑力，并用Hc表示。最大剩磁Br飽和磁感應強度Bs飽和磁場強度Hs及矯頑力Hc是磁性材料的四個重要參數(shù)，在設計制造磁力儀器時，必須予以重視。通常磁通門式磁敏傳感器使用軟磁性材料。所謂軟磁性材料，是指那些Hc小的磁性材料，特點是易去磁

4、。軟磁性材料在儀器中是工作在周期性變化的磁場（一般為正弦交變磁場）中的，故其磁化過程是周期性進行的，其結(jié)果便形成動態(tài)磁滯回線（它與圖1.35靜態(tài)磁滯回線形狀大致相同，面積比靜態(tài)磁滯回線面積大些），由于動態(tài)磁滯回線的面積等于反復磁化一周所損耗的能量，所以動態(tài)磁滯回線的形狀和大小隨磁化磁場頻率而變。在動態(tài)磁場作用下，除磁滯損耗之外，還有渦流損耗和其它損耗。這些損耗均與磁化磁場的頻率有關。磁通門式磁敏傳感器設計中所用到的磁滯回線是動態(tài)飽和磁滯回線，（即磁滯回線中最大的一條回線）。動態(tài)磁滯回線上各點對應的斜率，d=dB/dH叫做該點的動態(tài)導磁率。磁通門磁力儀是利用具有高導磁率的軟磁鐵芯在外磁場作用下的

5、電磁感應現(xiàn)象測定外磁場的儀器。它的傳感器的基本原理是基于磁芯材料的非線性磁化特性。其敏感元件是由高導磁系數(shù)、易飽和材料制成的磁芯，有兩個繞組圍繞該磁芯;一個是激勵線圈，另一個則是信號線圈。在交變激勵信號f的磁化作用下，磁芯的導磁特性發(fā)生周期性飽和與非飽和變化，從而使圍繞在磁芯上的感應線圈感應輸出與外磁場成正比的信號，該感應信號包含f、2f及其它諧波成分，其中偶次諧波含有外磁場的信息，可以通過特定的檢測電路提取出來。1.坡莫合金片的磁滯迥線特點坡莫合金與一般的鐵磁性物質(zhì)比較，具有很高的導磁率(u=dB/dH)，比如國產(chǎn)IJ86型的坡莫合金，起始導磁率u0=150000CGSM單位。很小的矯頑磁力

6、(Hc)和很小的飽和磁場(Hs)，因此坡莫合金的磁滯回線窄而且陡，但是一般的鐵磁性物質(zhì)的磁滯回線寬而且緩，如圖3一l和3一2所示。分析坡莫合金的磁滯迥線可以知道，當外磁場有微弱變化時候，就會引起磁感B的顯著變化，可以說磁感應強度B對外磁場H的變化有放大的作用，或者說坡莫合金對外磁場感覺靈敏。由于坡莫合金磁滯迥線所包含的面積很小，可以近似地看成一條曲線，B隨H的變化特點就與一般鐵磁性物質(zhì)所表現(xiàn)者有所不同了。2.偶次諧波的產(chǎn)生在無外磁場狀況下，當初級線圈中供一個交流電壓E=Em*COSwt時，則在坡莫合金中將產(chǎn)生一個交變磁場表達式如下:H= 一Hmcoswt其中Hm>Hs 飽和磁場由于H隨時

7、間變化將引起B(yǎng)隨時間變化，當一Hs<H<HS時，B-H曲線可以近似看作直線，故在這一段時間B隨時間的變化是正弦波形。當HHs時，B達到飽和值Bm，保持一個常值，因此曲線頂部是平的，并且正負半周的振幅相等，保持B>Bm的這段時間也相等。從B曲線來看，相當于一段失真的正弦曲線。此曲線可以看成由基波和三次諧波合成。如圖3一3所示。當有外磁場存在時，作用在坡莫合金的總磁場為:H=H0+HmCOS 其中(H0十Hm)>Hs同樣在一HS<H<Hs時，B-H曲線可以近似看作直線，這一段B隨時間變化是正弦波形的。H>Hs時，B達到飽和值。由于磁場的變化是在外磁場Ho的

8、基礎上變化的，所以在H與Ho同向時，B先達到飽和，保持在常值Bm的時間比較長，當H與Ho反向時，B保持在常值Bm的時間比較短。這個B隨時間變化的曲線由于頂部是平的，可以看作是其基波和三次諧波合成，但是由于正負半周不對稱，還應該有二次諧波的成分，這個二次諧波的曲線和外磁場的存在有關，如圖3一4所示。括弧內(nèi)由于Hm>(Hs+Ho)，按二項式定理展開，并略去(Hs+Ho)/Ho的4次方以上的高次項，經(jīng)過整理后得到:H0式中右端除了Ho以外都為與靈敏元件繞制等有關的常數(shù)，可見輸出電壓振幅與外磁場H。成正比。3.3環(huán)型芯磁通門傳感器的工作原理單線圈型磁通門傳感器的激勵線圈和感應線圈使用同一組線圈，

9、產(chǎn)生的感應電壓含有很大并且又無益的基波分量。為了抑制這些基波信號的干擾，出現(xiàn)了環(huán)型和管型等其他結(jié)構(gòu)的傳感器。環(huán)型傳感器可以看成雙棒型傳感器的延伸，并且形成了閉合回路，因為它激勵磁場在左右兩邊對稱的磁芯中心大小相等、而且方向相反，所以產(chǎn)生的感應電壓的基波分量相互抵消。因此環(huán)型磁通門傳感器輸出的感應電壓大小為:由上式表明，在這樣的傳感器中，理論上激勵磁線圈都不產(chǎn)生感應電壓，激勵磁場存在只是使磁芯的導磁系數(shù)發(fā)生周期性的變化。坡莫合金磁芯在交變磁場的激勵下，它的導磁系數(shù)隨時間發(fā)生周期性變化，當還沒有被磁化到飽和的時候，導磁系數(shù)很大，磁通的閘門打開，磁通量很大;當磁芯飽和的時候，導磁系數(shù)很小，閘門關閉，

10、磁通量就很小。當平行于感應線圈軸向有外磁場存在的時候，感應線圈內(nèi)部的磁通量也發(fā)生周期性的改變，外磁場受到周期性變化的磁通的調(diào)制，在感應線圈兩端感應出電壓，用合適的方法測量該感應電壓就能夠得出外磁場的大小。由于兩個半芯的二次諧波電壓的頻率、振幅和相位都一樣，因此靈敏元件的總輸出振幅電壓為2倍二次諧波電壓振幅，即:磁通門磁力儀的主要性能1.分辨率磁通門磁力儀的分辨率(對微弱信號變化量的反應能力)相當高，一般可以達到110nT，相當于地磁場強度的0.000010.0001倍。特殊制造的磁通門磁力儀的分辨率可以達到0.001nT，因此可以用于測量地磁脈動。衛(wèi)星載磁通門式向量磁力儀的分辨率因量程而異，在

11、測量弱磁場的時候分辨率可以達到0.002nT。限制分辨率的主要因素是電子線路前置放大器的噪聲以及探頭的靈敏度和噪聲。2.測量范圍磁通門磁力儀的測量范圍是65000到65000nT之間。為了提高靈敏度和免受磁化產(chǎn)生永久磁場，磁通門磁力儀的探頭鐵芯由高導磁率軟磁材料制作。這些材料的飽和磁場強度Hs只有0.0001T左右。如果待測磁場達到或超過這個強度，激勵磁場的調(diào)制功能就明顯受限，被測磁場更強時，甚至可以將鐵芯磁化，必須退磁才能消除剩磁。所以，磁通門磁力儀被認為只適用于弱磁場的測量， 3.頻率響應磁通門磁力儀頻率響應范圍大約在10Hz以內(nèi)，一般適用于測量緩慢變化的穩(wěn)恒磁場。監(jiān)測交變，脈動或擾動磁場

12、時，需要特殊制作的磁強計。二、磁通門式磁敏傳感器的二次諧波法測磁原理一般地說，磁通門傳感器的磁芯幾何形狀有下面幾種：在閉合式磁芯中，有長方形磁芯、跑道形磁芯、圓形磁芯三種；在非閉合式磁芯中，有長條形單磁芯和長條形雙磁芯兩種。從這幾種磁芯的性能來說，以圓形較好，跑道形次之。在地球物理的磁法勘探的測量中，用跑道形磁芯較多。下面就以跑道形磁芯為例來分析磁通門式磁敏傳感器的測磁原理及有關問題。 （一）長軸狀跑道形磁芯如圖137所示，一般沿長軸方向的尺寸遠大于短軸方向的尺寸，故當沿長軸方向磁化時，要比沿短軸方向磁化時的退磁作用及退磁系數(shù)小得多。這樣，就可以認為跑道形磁芯僅被沿長軸方向的磁場所磁化。在實踐

13、中，亦僅測量沿長軸方向的磁場分量。 圖137 跑道形磁芯結(jié)構(gòu)示意圖L靈敏元件架；2初級線圈；3輸出線圈；4坡莫合金環(huán)若在跑道形磁芯的彼此平行的兩長邊上，分別繞一組匝數(shù)相同的線圈w1、w2則同向串聯(lián)在一起作為激勵線圈；在w1、w2的外邊繞一公用的測量線圈（稱作訊號線圈）wS，則當在激勵線圈w2通入一正弦交變電流 II MSint時，假定由w1產(chǎn)生的磁場為 H1HmSint，那么，在w2中必然產(chǎn)生一個磁場為H2-HmSint。由圖137可見，對于激勵交變場來講，其磁路為一閉合磁路，故沒有退磁作用，對于正弦交變磁場來說，導磁率即為材料的動態(tài)相對導磁率，由于高達幾十萬，而在真空中的動態(tài)相對導磁率近似為

14、1，所以，w1及w2所產(chǎn)生的磁力線在磁芯未達到飽和之前，均可視為無漏磁的通過整個閉合磁路的。作用于兩長邊的交變磁化磁場，可分別等效為：H1 = 2Hmsint; H2= - 2Hmsint對于被測恒定地磁場He來講，其磁路是一開斷磁路，并有退磁場Hd的存在。故磁芯對外加恒定磁場He的有效導磁率，是物體的動態(tài)相對導磁率d 磁性材料的動態(tài)磁滯回線形狀比較復雜，極難用一簡單數(shù)學模型加以描述。但為了對探頭進行理論分析，并進行具體計算，必須把實際的軟磁性材料的最大動態(tài)磁滯回線加以近似化、理想化，即用一個足以表征其特性（飽和特性）的模型來表示之。圖1.38中的三折線模型，就是常用的一種。 圖1.38 傳感

15、器測磁原理圖當外加磁場He0時，作用于磁芯兩長邊的總磁化磁場僅是交變磁化磁場，但如果兩個激勵線圈的匝數(shù)w1=w2 則H12HmSint=-H2，再假定磁芯的兩長邊的幾何尺寸及電磁參數(shù)完全相同，測量線圈的安裝位置也非常對稱時，則在長邊1和長邊2中產(chǎn)生的通過測量線圈的磁通量，每時每刻都大小相等、方向相反，從而使通過測量線圈的總磁通量恒等于零。因此，在測量線圈中所感生的感應電動勢及二次諧波均為零。 當沿磁芯長軸方向作用的外加恒定地磁場He不為零時，由于疊加恒定磁場的結(jié)果，使長邊1與長邊2中的總磁化磁場的對稱性遭破壞，其情況如圖1.38(b）所示。于是，長邊1與長邊2中的總磁化磁場分別為：H1 = H

16、e + H1 = He + 2HmSint (1.33)H2 = He + H2 = He - 2HmSint (1.34)長邊1與長邊2中的磁感應強度在未飽和段分別為：B1 =dHe + 2Hm.Sint (1.35)B2 =dHe - 2Hm.Sint (1.36)式中B1和B2的曲線表示法分別如圖138(c) 所示。 由B1和B2的數(shù)學表達式及圖138(c)可見，由于迭加恒定磁場的結(jié)果，使長邊1與長邊2中的磁感應強度對于時間軸的對稱性破壞了。B1在-/2到/2區(qū)間內(nèi)，可用下述函數(shù)來表示：在-/22范圍內(nèi)： B1 =-BS BS為一常數(shù)。 在12范圍內(nèi)： B1 =-dHe + 2 HmSi

17、n (1.37)在1/2范圍內(nèi)： B1 = BSB2在-/2到/2區(qū)間內(nèi)，可用下述函數(shù)來表示：在-/22范圍內(nèi)： B2 =BS BS為一常數(shù)。在12范圍內(nèi)： B2 =-dHe - 2 HmSin (1.38)在1/2范圍內(nèi)： B2 = - BS對式中飽和點的坐標點的求取，可如下述：令：dHe + 2 HmSin= BS=HS則有：Sin1=(HS -dHe)/(2Hm) (1.39) Sin2=(HS +dHe)/(2Hm) (1.40)從物理學中得知：磁芯中磁通量為其磁感應強度B與磁芯截面積S的乘積。故假定長邊1和長邊2的截面積相等，即：S1=S2=S，則利用法拉第電磁感應定律的數(shù)學表達式便

18、可求得長邊1與長邊2中B的變化，在信號線圈S中所感生的電壓，可分別用下列函數(shù)表示：E1在-/2到/2區(qū)間內(nèi)，可用下述函數(shù)來表示：在-/22范圍內(nèi)： E1 = 0 在12范圍內(nèi)： E1 = -2×10-8Hm SSCos (1.41)在1/2范圍內(nèi)： E1 = 0E2在-/2到/2區(qū)間內(nèi)，可用下述函數(shù)來表示：在-/22范圍內(nèi)： E2 = 0 在12范圍內(nèi)： E2 = 2×10-8Hm SSCos (1.42)在2/2范圍內(nèi)： E2 = 0函數(shù)的變化規(guī)律如圖1.38(d)中的e1、 e2所示。由以兩組分段函數(shù)式（1.41）和（1.42）中或由圖138(d)可見：在-1到2的任何

19、時刻，對應el、e2內(nèi)都大小相等，極性相反，因而互相抵消。于是在-/2到/2區(qū)間內(nèi),在S中感生的總感應電壓為：在-/2-2范圍內(nèi)： ES = 0 在12范圍內(nèi)： ES = -2×10-8Hm SSCos (1.43)在-11范圍內(nèi)： ES = 0在12范圍內(nèi)： ES = 2×10-8Hm SSCos (1.44)在2/2范圍內(nèi)： ES = 0由上述分析可以看出：當兩半芯完全對稱時，在外加磁場He=0的情況，測量線圈S中產(chǎn)生的總感應電壓Es的重復頻率，為激勵頻率的二倍。這就是通常所說的二次諧波法的基本分析。這個結(jié)果在客觀上就提出了一個新的問題，即在設計傳感器時，必須保持兩半芯

20、的對稱性，否則，在-11區(qū)間內(nèi)，兩半芯的感生電壓不能得以抵消掉。又因Es的重復頻率仍等于激勵頻率，故在Es中將含有激勵頻率的奇次諧波。為消除奇次諧波的影響，必須使磁芯保持對稱。由于Es是屬周期性的重復脈沖，故可用富氏分解法來計算Es的二次諧波分量的大小。由上述分段函數(shù)組式可知，Es是一奇函數(shù)。富氏分解中的余弦項的系數(shù)an=0?，F(xiàn)在計算富氏分解中正弦項的系數(shù)b2 。經(jīng)過計算：b2=16×10-8dSfS (Hs/Hm)×He (1.45)Es = 16×10-8dSfS (Hs/Hm)×HeSin2t (1.46)式(1.45)便是測量線圈中輸出二次諧波電

21、壓的振幅表達式；式(1.46）是測量線圈中感應電壓信號的完整表達式。 從上述兩式中可得以下結(jié)論：1傳感器測量線圈輸出二次諧波的電壓振幅與被測磁場He的大小近似成正比關系，根據(jù)這種關系可以測量外磁場。2被測磁場的變號(改變方向)，二次諧波電壓的極性隨之改變。3傳感器輸出二次諧波電壓的大小，除與被測磁場He近似成正比關系外，還與傳感器磁芯對于He的有效動態(tài)相對導磁率d接收線圈的匝數(shù)S，磁芯有效面積S，激勵磁場的頻率f，磁芯的飽和磁場強度Hs成正比關系，而與激勵磁場的振幅Hm成反比。這些將是設計與制造傳感器時的重要參數(shù)。 三、磁通門式磁敏傳感器的應用用磁通門式磁敏傳感器可以構(gòu)成多種不同用途的測磁儀器

22、。例如，用于磁測量的有：地面磁通門磁力儀，航空磁通門磁力儀，磁通門磁力梯度儀，三分量高分辨率磁通門磁力儀，小口徑井中磁力儀，微機型磁通門磁力儀以及用于探測地下炸彈、地雷等鐵磁性物體的探測儀器等。重新對磁通門磁力儀的數(shù)據(jù)采集部分進行設計，用微處理器代替原來的硬件環(huán)路。使原來完全由硬件控制的閉環(huán)系統(tǒng)的控制任務用軟件來完成。新設計的磁通門磁力儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用MSP430FXXX系統(tǒng)的16位單片機作為微處理器。其大概的框圖如圖2一4所示。4.2.2波形發(fā)生電路信號發(fā)生器電路非常重要，它要為磁通門傳感器探頭提供激勵信號，從某種意義上講它是激勵信號發(fā)生電路的核心部分。從第三章我們可以知道只要是交變電流

23、都可以作為磁通門激勵信號，但是從探頭的靈敏度和線性度考慮，用正弦波激勵信號最為理想。為了減少元氣件的數(shù)量，在綜合了現(xiàn)有的各種信號發(fā)生電路后決定采用美國AD公司的AD9833。這種能輸出正弦波和三角波的函數(shù)發(fā)生器電路具有頻率范圍寬、正弦波失真低、三角波的線性度好和溫度漂移低等特點。圖4一5為所設計的信號發(fā)生電路的原理圖。將低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)就可以得到帶通濾波器了。設前者的截止頻率為f1，后者的截止頻率為f2，f2應該小于fl，那么通帶為(f2一fl)。在實用的電路中也經(jīng)常采用單個集成運放構(gòu)成壓控電壓源二階帶通濾波電路其中心頻率為:電路原理圖如圖4一6所示。4.4選頻放大電路磁通門檢測電路

24、需要用到一個選頻放大電路，即在檢測線圈后面需要加一個選頻電路，其主要功能是濾出探頭輸出信號的二次諧波分量，并使盡可能少的非二次諧波分量進入后級的放大電路。根據(jù)第三章有關磁通門傳感器工作原理的數(shù)值分析結(jié)果，我們可以知道，磁通門傳感器探頭輸出信號含有多次諧波分量，其中奇次諧波和被測磁場沒有關系，而所有的偶次諧波都與被測磁場有關，所以各種不同類型的磁通門傳感器的差別在很大程度上取決于對這個輸出信號的檢測方法。當然也可以采用同時檢測所有偶次諧波的方法，利用所有偶次諧波共同作用來檢測被測磁場的大小，應該采用多諧振電路進行檢測。選頻電路其選頻頻率為:電路原理圖如圖4一7所示4.5A/D采用電路設計本系統(tǒng)所設計的A/D采樣電路主要用到了linear公司的LTC1606。下面具