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
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
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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。