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    I國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

    磁通門是利用被測(cè)磁場(chǎng)中高導(dǎo)磁鐵芯在交變磁場(chǎng)的飽和激勵(lì)下，其磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的非線性關(guān)系來測(cè)量弱磁場(chǎng)的一種傳感器。磁通門傳感器也稱磁強(qiáng)計(jì)，由探頭和接口電路組成，具有分辨率高(高可達(dá)10-11T)、測(cè)量弱磁場(chǎng)范圍寬(在10-8T以下)、可靠、簡(jiǎn)易、經(jīng)濟(jì)、耐用、能夠直接測(cè)量磁場(chǎng)的分量和適于在高速運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中使用等特點(diǎn)。磁通門傳感器的研究起始于1928年，幾年后才出現(xiàn)了利用磁性材料自身磁飽和特性的磁通門磁強(qiáng)計(jì)，它被用來測(cè)量1mT以下的直流或低頻交流磁場(chǎng)。1936年，Aschenbrenner和Goubau稱達(dá)到了0.3nT的分辨率。在第二次世界大戰(zhàn)中，用于軍事探潛的磁通門傳感器有了較大的發(fā)展。

    用電流傳感器作為電氣設(shè)備絕緣在線檢測(cè)系統(tǒng)的采樣單元，已得到業(yè)內(nèi)人士的共識(shí)。目前，電流傳感器有多種類型，如霍爾傳感器、無磁芯電流傳感器、高導(dǎo)磁非晶合金多諧振蕩電流傳感器、電子自旋共振電流傳感器等。由于電力系統(tǒng)使用環(huán)境的特殊性，許多傳感器存在自身的局限性。目前應(yīng)用于電力系統(tǒng)的電流傳感器多是以電磁耦合為基本工作原理的，從采樣方式上分，這類傳感器主要有直接串入式、鉗式、閉環(huán)穿芯式三種。大量的研究試驗(yàn)表明，基于“零磁通原理”的小電流傳感器更適合電力系統(tǒng)絕緣在線檢測(cè)的要求。本文所述小電流傳感器即是以磁通門技術(shù)為基本原理，加上閉環(huán)控制在電子電路中的應(yīng)用，使小電流傳感器具有高精度、高穩(wěn)定度、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。

    磁通門是一種磁測(cè)量傳感器。由于它在動(dòng)目標(biāo)中可以極敏感地感應(yīng)地磁強(qiáng)度,早在本世紀(jì)30年代就被應(yīng)用于航磁測(cè)量部門。近20年來,在物理學(xué)、電子技術(shù)、金屬冶煉等方面取得的巨大成果,使磁通門在弱磁測(cè)量、抗電磁干擾、耐高溫、可靠性、壽命、價(jià)格方面取得了前所未有的進(jìn)展。在地質(zhì)勘探和石油鉆井中,包括磁通門在內(nèi)的敏感元件提供的有關(guān)鉆頭前進(jìn)方向的信息,使按設(shè)計(jì)井身軌跡實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量定向—水平鉆井成為可能。

    我在這里簡(jiǎn)單列舉幾個(gè)國(guó)際上取得的成果。MilanM.Ponjavic等人提出了一種自激震蕩的磁通門傳感器模型，對(duì)在模型中影響傳感器工作的主要特性都進(jìn)行了討論[2]。Q.Ma等人設(shè)計(jì)了一種新型DC傳感器，這種新型DC傳感器可以有效提高測(cè)量的準(zhǔn)確度，同時(shí)具有良好的線性度。這種傳感器是基于磁勢(shì)自平衡和反饋補(bǔ)償?shù)腫3]。EyalWeiss等人研究了一種正交磁通門傳感器，這種傳感器不僅改善了磁通門的等效磁噪聲，而且簡(jiǎn)化了磁通門的輸出過程[4]。Szewczyk,R課題組為我們呈現(xiàn)了一種雙軸微型化磁通門傳感器，這種傳感器的鐵芯由鐵鈷合金制造，并且依托于PCB多層技術(shù)，同時(shí)為磁通門的進(jìn)一步微型化提供了依據(jù)[5]。GuillermoVelasco-Quesada等人設(shè)計(jì)了一種大電流測(cè)量裝置，并且通過增加開關(guān)電源和產(chǎn)生磁補(bǔ)償電流開關(guān)使得在功率方面取得了很大的提高[6]。

    II磁通門技術(shù)原理

    磁通門傳感器是利用被測(cè)磁場(chǎng)中高導(dǎo)磁率磁芯在交變磁場(chǎng)的飽和激勵(lì)下，其磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的非線性關(guān)系來測(cè)量弱磁場(chǎng)的。這種物理現(xiàn)象對(duì)被測(cè)環(huán)境磁場(chǎng)來說好像是一道“門”，通過這道“門”，相應(yīng)的磁通量即被調(diào)制，并產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。利用這種現(xiàn)象來測(cè)量電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，從而間接的達(dá)到測(cè)量電流的目的。

    磁通門現(xiàn)象是變壓器效應(yīng)的伴生現(xiàn)象,也服從法拉第電磁感應(yīng)定律。我們從簡(jiǎn)單的單鐵心磁通門探頭來說明其工作原理。如圖1,在一根鐵心上纏繞激磁線圈和感應(yīng)線圈,鐵心由軟磁材料制成,其橫截面面積為S,磁導(dǎo)率為μ,載流激磁線圈在鐵心上建立的激磁磁場(chǎng)強(qiáng)度為H,感應(yīng)線圈的有效匝數(shù)為W2。

    在未認(rèn)定S、μ、H和W2中的任一參數(shù)為不變量，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,感應(yīng)線圈上應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為：

    e=-10（W2μHS）（1）

    如果S和W2都不變,鐵心遠(yuǎn)離飽和工作狀態(tài),其磁導(dǎo)率μ常數(shù),這個(gè)物理模型中的感應(yīng)電勢(shì)e將僅僅是激磁磁場(chǎng)強(qiáng)度H變化的結(jié)果。如果激磁磁場(chǎng)強(qiáng)度

    H=Hmcos(2πf1t)(2)

    式中:Hm為激磁磁場(chǎng)強(qiáng)度幅值;f1為激磁電源頻率。則式(1)變?yōu)?br/>
    e=2π×μW2SHmsin(2πt)(3)

    這是理想變壓器效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

    實(shí)際變壓器效應(yīng)數(shù)學(xué)模型應(yīng)為：

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

    然而,鐵心磁導(dǎo)率μ(t)無正負(fù)之分,是個(gè)偶函數(shù)。將μ(t)展為傅立葉級(jí)數(shù)時(shí),可得：

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

    式中:μ0m為μ(t)的常值分量;μ2mμ4m分別為μ(t)的各偶次諧波分量幅值。

    將式(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,考慮鐵心磁導(dǎo)率產(chǎn)的變化后感應(yīng)電勢(shì),將出現(xiàn)奇次諧波分量?？紤]環(huán)境磁場(chǎng)實(shí)際施加在鐵心軸向的分量HOL時(shí),式(4)將變成：

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

    當(dāng)比鐵心飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度和激磁磁場(chǎng)強(qiáng)度幅值Hm都小得多時(shí),它對(duì)鐵心磁導(dǎo)率μ(t)的影響可以忽略。單獨(dú)由HOL引起的感應(yīng)電勢(shì)e的增量eHOL為:

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

    式(8)證明只要鐵心磁導(dǎo)率μ隨激磁磁場(chǎng)強(qiáng)度而變,感應(yīng)電勢(shì)中就會(huì)出現(xiàn)隨環(huán)境磁場(chǎng)強(qiáng)度而變的偶次諧波增量e(HOL)。

    當(dāng)鐵心處于周期性過飽和工作狀態(tài)時(shí),e(HOL)將顯著增大。利用這種物理現(xiàn)象就可以測(cè)量環(huán)境磁場(chǎng)。但與變壓器效應(yīng)相比較,其感應(yīng)線圈輸出的磁通門信號(hào)。e(HOL)相當(dāng)微弱。為實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量,可設(shè)計(jì)成差分輸出探頭來消除磁通門探頭變壓器效應(yīng)的感應(yīng)電勢(shì)。

    III存在的問題

    電流測(cè)量方法主要包括：分壓電阻、電流互感器、霍爾電流傳感器、Rogowski線圈(羅氏線圈)、磁通門電流傳感器、磁阻電流傳感器。其中霍爾電流傳感器和磁通門電流傳感器能夠檢測(cè)交流和直流。霍爾電流傳感器能夠檢測(cè)幾千安培的電流，精度范圍在0.5%和2%之間，但是霍爾電流傳感器的檢測(cè)精度受溫度和外界磁場(chǎng)影響較大，這就限制了霍爾元件的應(yīng)用范圍[6]。

    多年來磁通門傳感器廣泛用于地質(zhì)勘探和太空探測(cè)中，傳統(tǒng)的磁通門傳感器還應(yīng)用于弱磁場(chǎng)檢測(cè)，比如地磁場(chǎng)探測(cè)、鐵礦石探測(cè)、位移檢測(cè)和無損檢測(cè)等方面[7]。由于二次諧波解調(diào)電路的復(fù)雜性和工業(yè)磁材料性能的限制使得這種傳感器對(duì)于一般工業(yè)應(yīng)用來說過于昂貴。近年來隨著軟磁材料的快速發(fā)展和電子元件價(jià)格的下降使得磁通門電流傳感器經(jīng)濟(jì)價(jià)格上可與霍爾傳感器進(jìn)行相比。同時(shí)，對(duì)于直流測(cè)量應(yīng)用的性能優(yōu)越，磁通門電流傳感器不失為一種好的選擇。與霍爾傳感器相比，磁通門電流傳感器具有低溫漂和低漂移的優(yōu)點(diǎn)。由于磁通門電流傳感器的磁芯工作在周期性的飽和與非飽和狀態(tài)，所以磁場(chǎng)偏移得到有效抑制，同時(shí)保證了磁通門電流傳感器較高的測(cè)量精度。

    由于磁通門能夠檢測(cè)的最大磁場(chǎng)不過數(shù)十高斯，所以磁通門僅適用于微弱的直流或者低頻交流電流的檢測(cè)。復(fù)雜的二次諧波處理電路以及鐵磁材料性能的限制，使得磁通門電流傳感器成本較高，在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用中存在著局限性。

    IV應(yīng)用現(xiàn)狀及前景預(yù)測(cè)

    磁通門從其問世以來得到了不斷的發(fā)展和改進(jìn)，被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，如地磁研究、地質(zhì)勘探、石油測(cè)井、空間磁場(chǎng)探測(cè)、磁性導(dǎo)航、武器偵察、探潛、磁性材料測(cè)試和材料無損探傷等弱磁場(chǎng)探測(cè)的各個(gè)領(lǐng)域。近年來，磁通門在宇航工程中也得到了重要應(yīng)用，例如，用來控制人造衛(wèi)星和火箭的姿態(tài)，測(cè)繪太陽(yáng)的“太陽(yáng)風(fēng)”和帶電粒子相互作用的空間磁場(chǎng)、月球磁場(chǎng)、行星磁場(chǎng)以及星際磁場(chǎng)的圖形等。美國(guó)宇航局(NASA)目前正在制訂的一項(xiàng)雄心勃勃的微型儀器技術(shù)開發(fā)計(jì)劃，主要目的是發(fā)展適合21世紀(jì)的小型、低價(jià)、高性能航天器，利用MEMS技術(shù)對(duì)航天器有效載荷的某些機(jī)電部件進(jìn)行微型化，以極大地減小各種科學(xué)儀器和傳感器的體積和質(zhì)量，提高探測(cè)器的功能密度。美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)稱這些微型儀器將是新的微型實(shí)驗(yàn)室的心臟，它們主要包括：火星登陸器、微加速度計(jì)、微磁強(qiáng)計(jì)、微濕度計(jì)、微氣象站、微地震儀、微集成相機(jī)、微成像光譜儀以及微推進(jìn)器等。由此可見，微型磁通門在其計(jì)劃中的位置。

    目前磁通門技術(shù)的發(fā)展方向有：1、提高分辨率。2、提高測(cè)強(qiáng)精度。3、提高分辨率、帶寬和精度的綜合技術(shù)水平。4、提高測(cè)量上限。5、提高分辨率、精度和拓寬量程的綜合技術(shù)水平。6、研制簡(jiǎn)易型、微型化和元件化磁通門器件。

    傳統(tǒng)制造磁通門的方法是在高導(dǎo)磁鐵芯上用機(jī)械的方法纏繞上勵(lì)磁線圈和感應(yīng)線圈制成探頭，再與接口電路連接起來，這種方法制作的磁通門在體積、質(zhì)量以及功耗等許多方面都難以實(shí)現(xiàn)微型化。目前，利用MEMS技術(shù)與半導(dǎo)體集成電路工藝相結(jié)合是研制微型磁通門傳感器的突破口。

    微型磁通門傳感器的研究方向如下：①系統(tǒng)化，將探頭與接口電路完全集成在一個(gè)芯片上，制成真正的磁通門MEMS系統(tǒng);②陣列化，根據(jù)需要在一個(gè)芯片上制作一系列磁通門探頭不僅可以提高傳感器的性能，也可完成某些特定的功能，如制作微型磁羅盤;③利用微加工技術(shù)，從而提高磁通門傳感器的性能，特別是磁芯的性能;④利用計(jì)算機(jī)模擬與仿真軟件對(duì)磁通門的接口電路進(jìn)行模擬優(yōu)化，提高電路的性能;⑤利用計(jì)算機(jī)對(duì)微型磁通門探頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計(jì)算，以縮短設(shè)計(jì)周期，提高研究效率，進(jìn)一步降低成本;⑥向?qū)嵱没⑸唐坊较虬l(fā)展，從而促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

    現(xiàn)在一些國(guó)際上的公司已經(jīng)將傳感器微型化進(jìn)行了生產(chǎn)，并取得不錯(cuò)的成績(jī)，以霍爾傳感器的應(yīng)用廣泛，已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。劍橋大學(xué)將磁通門原理制成測(cè)量探頭應(yīng)用在PCB板上，成功制得了產(chǎn)品。

    V參考文獻(xiàn)

    [1]吳嘉慧，施文康，“磁通門技術(shù)在檢測(cè)中的應(yīng)用”，國(guó)內(nèi)技術(shù)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.

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