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    I國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

    磁通門是利用被測磁場中高導磁鐵芯在交變磁場的飽和激勵下，其磁感應(yīng)強度與磁場強度的非線性關(guān)系來測量弱磁場的一種傳感器。磁通門傳感器也稱磁強計，由探頭和接口電路組成，具有分辨率高(高可達10-11T)、測量弱磁場范圍寬(在10-8T以下)、可靠、簡易、經(jīng)濟、耐用、能夠直接測量磁場的分量和適于在高速運動系統(tǒng)中使用等特點。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計，它被用來測量1mT以下的直流或低頻交流磁場。1936年，Aschenbrenner和Goubau稱達到了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)備絕緣在線檢測系統(tǒng)的采樣單元，已得到業(yè)內(nèi)人士的共識。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、抗干擾能力強等優(yōu)點[1]。

    磁通門是一種磁測量傳感器。由于它在動目標中可以極敏感地感應(yīng)地磁強度,早在本世紀30年代就被應(yīng)用于航磁測量部門。近20年來,在物理學、電子技術(shù)、金屬冶煉等方面取得的巨大成果,使磁通門在弱磁測量、抗電磁干擾、耐高溫、可靠性、壽命、價格方面取得了前所未有的進展。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)鉆頭前進方向的信息,使按設(shè)計井身軌跡實現(xiàn)高質(zhì)量定向—水平鉆井成為可能。

    我在這里簡單列舉幾個國際上取得的成果。MilanM.Ponjavic等人提出了一種自激震蕩的磁通門傳感器模型，對在模型中影響傳感器工作的主要特性都進行了討論[2]。Q.Ma等人設(shè)計了一種新型DC傳感器，這種新型DC傳感器可以有效提高測量的準確度，同時具有良好的線性度。這種傳感器是基于磁勢自平衡和反饋補償?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)，同時為磁通門的進一步微型化提供了依據(jù)[5]。GuillermoVelasco-Quesada等人設(shè)計了一種大電流測量裝置，并且通過增加開關(guān)電源和產(chǎn)生磁補償電流開關(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磁場中高導磁率磁芯在交變磁場的飽和激勵下，其磁感應(yīng)強度與磁場強度的非線性關(guān)系來測量弱磁場的。這種物理現(xiàn)象對被測環(huán)境磁場來說好像是一道“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)電動勢。利用這種現(xiàn)象來測量電流所產(chǎn)生的磁場，從而間接的達到測量電流的目的。

    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,磁導率為μ,載流激磁線圈在鐵心上建立的激磁磁場強度為H,感應(yīng)線圈的有效匝數(shù)為W2。

    在未認定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)電勢為：

    e=-10（W2μHS）（1）

    如果S和W2都不變,鐵心遠離飽和工作狀態(tài),其磁導率μ常數(shù),這個物理模型中的感應(yīng)電勢e將僅僅是激磁磁場強度H變化的結(jié)果。如果激磁磁場強度

    H=Hmcos(2πf1t)(2)

    式中:Hm為激磁磁場強度幅值;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)學模型。

    實際變壓器效應(yīng)數(shù)學模型應(yīng)為：

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

    然而,鐵心磁導率μ(t)無正負之分,是個偶函數(shù)。將μ(t)展為傅立葉級數(shù)時,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,考慮鐵心磁導率產(chǎn)的變化后感應(yīng)電勢,將出現(xiàn)奇次諧波分量?？紤]環(huán)境磁場實際施加在鐵心軸向的分量HOL時,式(4)將變成：

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

    當比鐵心飽和磁場強度和激磁磁場強度幅值Hm都小得多時,它對鐵心磁導率μ(t)的影響可以忽略。單獨由HOL引起的感應(yīng)電勢e的增量eHOL為:

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

    式(8)證明只要鐵心磁導率μ隨激磁磁場強度而變,感應(yīng)電勢中就會出現(xiàn)隨環(huán)境磁場強度而變的偶次諧波增量e(HOL)。

    當鐵心處于周期性過飽和工作狀態(tài)時,e(HOL)將顯著增大。利用這種物理現(xiàn)象就可以測量環(huán)境磁場。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。e(HOL)相當微弱。為實現(xiàn)精確測量,可設(shè)計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。

    III存在的問題

    電流測量方法主要包括：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交流和直流。霍爾電流傳感器能夠檢測幾千安培的電流，精度范圍在0.5%和2%之間，但是霍爾電流傳感器的檢測精度受溫度和外界磁場影響較大，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)勘探和太空探測中，傳統(tǒng)的磁通門傳感器還應(yīng)用于弱磁場檢測，比如地磁場探測、鐵礦石探測、位移檢測和無損檢測等方面[7]。由于二次諧波解調(diào)電路的復雜性和工業(yè)磁材料性能的限制使得這種傳感器對于一般工業(yè)應(yīng)用來說過于昂貴。近年來隨著軟磁材料的快速發(fā)展和電子元件價格的下降使得磁通門電流傳感器經(jīng)濟價格上可與霍爾傳感器進行相比。同時，對于直流測量應(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。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)，所以磁場偏移得到有效抑制，同時保證了磁通門電流傳感器較高的測量精度。

    由于磁通門能夠檢測的最大磁場不過數(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。復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

    磁通門從其問世以來得到了不斷的發(fā)展和改進，被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域，如地磁研究、地質(zhì)勘探、石油測井、空間磁場探測、磁性導航、武器偵察、探潛、磁性材料測試和材料無損探傷等弱磁場探測的各個領(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)，測繪太陽的“太陽風”和帶電粒子相互作用的空間磁場、月球磁場、行星磁場以及星際磁場的圖形等。美國宇航局(NASA)目前正在制訂的一項雄心勃勃的微型儀器技術(shù)開發(fā)計劃，主要目的是發(fā)展適合21世紀的小型、低價、高性能航天器，利用MEMS技術(shù)對航天器有效載荷的某些機電部件進行微型化，以極大地減小各種科學儀器和傳感器的體積和質(zhì)量，提高探測器的功能密度。美國噴氣推進實驗室(JPL)稱這些微型儀器將是新的微型實驗室的心臟，它們主要包括：火星登陸器、微加速度計、微磁強計、微濕度計、微氣象站、微地震儀、微集成相機、微成像光譜儀以及微推進器等。由此可見，微型磁通門在其計劃中的位置。

    目前磁通門技術(shù)的發(fā)展方向有：1、提高分辨率。2、提高測強精度。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磁鐵芯上用機械的方法纏繞上勵磁線圈和感應(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現(xiàn)微型化。目前，利用MEMS技術(shù)與半導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利用計算機模擬與仿真軟件對磁通門的接口電路進行模擬優(yōu)化，提高電路的性能;⑤利用計算機對微型磁通門探頭結(jié)構(gòu)進行模擬計算，以縮短設(shè)計周期，提高研究效率，進一步降低成本;⑥向?qū)嵱没⑸唐坊较虬l(fā)展，從而促進相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

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

    V參考文獻

    [1]吳嘉慧，施文康，“磁通門技術(shù)在檢測中的應(yīng)用”，國內(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.

    [7]RipkaP,BillingsleySW.Fluxgate:Tunedvs.untunedoutput,IEEETrans.Magn.1988,(34),1303-1305

    [8]Kaluza,AGrüger,HGrüger.Newandfutureapplicationsof?uxgatesensors.Sens.ActuatorsA,Phys,2006,(106):48–51