金属感应交流磁场传感器技术研究

Classified Index: TN763.1
U.D.C: 621.38
Dissertation for the Master Degree in Engineering RESEARCH ON SENSOR TECHNOLOGY OF AC MAGNETIC FIELD INDUCED BY METAL
Candidate：Niu Xuesong
Supervisor：Asso.Prof. Xu Hongguang Academic Degree Applied for：Master Degree in Engineering Specialty：Information and Communication
Engineering
Affiliation：Shenzhen Graduate School
Date of Defense：December, 2014
Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
伴随着物联网产业的高速发展，物品信息的识别至关重要，而基于传统识别技术的产品，存在着应用场合的局限，因此，新的识别技术有一定的市场需求。

其中，以金属符号为代表的关于金属信息的识别，已经受到了广泛关注，所以，研究用于金属符号信息识别的技术显得尤为重要。

本课题通过对磁场传感器技术的理论研究，利用新型磁场传感器材料，结合新的硬件设计思路，设计了用于测量金属感应交流磁场传感器，能够对金属表面几何形状的缺陷进行探测，具有灵敏度高、响应较快等特点。

本文首先阐述当前磁传感器的分类、工程背景以及它们的设计原理。

结合当前传感器的性能，为了实现金属感应交流磁场的检测，引入了巨磁阻抗效应技术和涡流传感技术，通过对两种传感技术原理的分析，选取非晶丝、线圈和磁芯作为传感器材料，并设计实验，验证了传感器材料的工作特性，根据材料工作特性，设计了用于探测金属感应交流磁场的传感器。

根据非晶丝的工作特性，设计非晶丝探头，提取磁场信号，通过变频和高阶低通滤波器设计，将磁场信号还原到低频段，然后设计锁相放大电路，将反应磁场的交流信号转变成直流电压，再经过低噪声直流放大器，完成与交流磁场幅度成比例的直流电压的放大，最终实现对金属平面感应交流磁场的检测。

根据线圈和磁芯的工作特性，设计涡流检测探头，然后根据探头参数变化，分别研究了探头信号的相位检测技术和包络检测技术，并设计了相位检测模块和包络检测模块，有效提取检测了探头变化，实现了对金属表面不同尺寸缺陷的检测。

关键词：磁场传感器；巨磁阻抗效应；涡流；包络检测；相位检测
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Abstract
With the rapid development of internet of things industry, identification of item’s information is very important, products using these traditional recognition technologies have application limits, so the new recognition products have a certain market demand. Among them, identification on the metal information represented by metal symbol has received widespread attention, so research on sensor for identification of metal symbol has become heavily critical. In this paper, through the theoretical research on the technology of the magnetic field sensor, make use of new materials of magnetic sensor, design the magnetic field sensor for alternating-current magnetic field measurement of metal inducing, combing with the innovative hardware designing thought, which can accomplish the detection of geometry defect of metal surface.
First of all, this paper expounds the classification and engineering background of magnetic field sensor and their designing principle. According to the performance of current sensor, in order to achieve the defection of alternating-current magnetic field induced by metal, introduce the technology of giant magnetic impedance effect and eddy current effect, through the analysis of two kinds of technology, select the amorphous wire, coil and magnetic core as material of sensor, and design experiments, verify the work characteristic of sensor material, design the sensor for detecting alternating-current magnetic field induced by metal. According to the working characteristics of amorphous wire, design amorphous wire probe, extract the magnetic signal. Through the design of conversion and high order low-pass filter, reduce the magnetic field signal to low frequencies, and then design phase locked amplifier circuit, change the alternating-current signal reacting magnetic field into direct-current voltage and through the low noise direct-current amplifier, complete amplification of direct-current voltage which is proportional to the amplitude of alternating-current magnetic field, eventually, realize the detection of alternating-current magnetic field induced by metal surface. According to the working characteristics of the coil and the magnetic core, design the eddy current probe, then according to the change of probe’s parameters, research the technology of phase detection and envelope detection on the probe signal, design the phase detection module and envelope detection module and extract the change of probe effectively, realize the detection of different size defect in metal surface.
Keywords: magnetic field sensor, giant magneto impedance, eddy current, envelope detection, phase detection
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目录
摘要 (I)
ABSTRACT (II)
第1章绪论 (1)
1.1课题背景及意义 (1)
1.2国内外研究发展现状 (2)
1.2.1 GMI传感器国内外研究发展现状 (2)
1.2.2 涡流传感器国内外研究发展现状 (3)
1.3本文的主要研究内容 (5)
第2章磁场传感器理论研究 (6)
2.1磁场检测传感技术简介 (6)
2.2电流感应磁场产生原理 (7)
2.3巨磁阻抗效应理论研究 (12)
2.3.1 非晶态合金材料 (12)
2.3.2 GMI效应的工作原理 (13)
2.3.3 GMI效应的激励方法 (15)
2.3.4 GMI效应影响因素 (16)
2.4涡流检测理论研究 (17)
2.4.1 涡流检测工作原理 (17)
2.4.2 涡流检测模型分析 (17)
2.4.3 涡流检测深度分析 (19)
2.4.4 涡流检测影响因素 (20)
2.5本章小结 (20)
第3章 GMI交流传感检测技术研究 (21)
3.1GMI工作特性测试 (21)
3.2GMI交流传感检测技术分类 (26)
3.2.1 二极管检波法 (26)
3.2.2 同步检波法 (26)
3.3GMI交流传感检测总体设计方案 (27)
3.4GMI交流传感检测硬件设计 (28)
3.4.1 非晶丝探头设计 (28)
3.4.2 变频器设计 (30)
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3.4.3 高阶低通滤波器设计 (31)
3.4.4 锁相放大器设计 (34)
3.4.5 低噪声放大器设计 (36)
3.5GMI交流传感检测性能测试 (37)
3.6本章小结 (41)
第4章涡流传感检测技术研究 (42)
4.1涡流工作特性测试 (42)
4.2涡流传感检测技术分类 (43)
4.2.1 相位检测法 (44)
4.2.2 包络检测法 (44)
4.2.3 交流电桥法 (45)
4.3涡流传感检测总体设计方案 (46)
4.4涡流传感检测硬件设计 (46)
4.4.1 涡流检测探头设计 (46)
4.4.2 探头驱动器设计 (47)
4.4.3 探头前置放大器设计 (48)
4.4.4 相位检测法的研究设计 (49)
4.4.5 包络检测法的研究设计 (52)
4.4.6 低噪声放大器设计 (55)
4.5涡流传感检测性能测试 (56)
4.6本章小结 (59)
结论 (60)
参考文献 (61)
哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (65)
致谢 (66)
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第1章绪论
1.1 课题背景及意义
伴随着信息产业的发展，未来的世界将会变成一个万物相联、人物相联的世界，21世纪的社会将是一个物联网高速发展的智能化社会[1]。

万物相联的社会意味着各种各样、千变万化的信息的传递，其中以金属符号为代表的关于金属信息的传递和识别具有一体性好、不易损毁、价格低廉等特点，其已经收到越来越多的关注，这就需要研究用于金属符号信息识别的传感器技术。

伴随着新型材料和新技术的不断涌现，传感器适用的场合已经遍及世界的各个角落，科技工作者从灵敏度、稳定性、功耗等各方面去研制和改善传感器。

磁场传感器作为众多传感器的一种，由于其安全性好、检测灵敏度高、成本低廉等特点，使它在电磁测量、生物医学、轨道交通以及深空探测等领域得到了广泛推广应用。

大多数磁传感器的设计原理是由其材料决定的，因此，新材料的诞生往往能带来传感器技术的革新和成本的降低。

由于电磁学物理量可以跟许多非电磁物理量相互转化，因此，磁场传感器可以跟许多非磁性物理量产生联系，这使得磁场传感器的应用扩展到了许多非磁性测量的应用中。

目前，有很多磁场测量手段应用到人们的日常生产和生活中，但是或多或少都有一些不适用的地方。

在1~106 Oe范围内的磁场，霍尔传感器比
，且灵敏度不高；在10-6~102 Oe 较适合，但是其工作温度最高只能到70C
范围内的磁场，用巨磁电阻传感器和线圈传感器比较适合，但是对弱磁场的测量却不够理想；在10-10~10-4 Oe的范围内的磁场，可以使用超导量子干涉仪，但其造价昂贵。

金属符号信息识别可以利用金属感应交流磁场的探测来实现，传统的磁场传感器在灵敏度、体积、响应速度以及成本方面无法满足技术需求，而巨磁阻抗效应技术和涡流效应技术在灵敏度、响应速度以及易于实现自动化检测方面具有一定的优势。

因此，研究用于金属感应交流磁场检测的传感器以这两种技术为研究重点。

本课题通过对金属感应交流磁场传感器技术的研究，利用新型磁场传感器材料，结合新的硬件设计思路，设计了用于测量金属感应磁场的传感器，能够实现对金属平面感应交流磁场以及金属试件不同尺寸缺陷感应交流磁场的测量，该传感器具有较高灵敏度、快速响应、微型尺寸等优点，从而丰富
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了磁场传感器的种类。

在信息产业高速发展背景下，为实现磁场信息的提取，尤其是物联网体系下磁场信息的提取，在传感器选择方面提供了另外一种可能。

为实现金属物品信息标识[2]、物联网体系下金属标签体系的建立等领域提供了硬件平台。

1.2 国内外研究发展现状
测量精度的不断提高在于磁场传感器的不断改良和创新，随着科技的发展，新型磁性材料的不断涌现和半导体技术的日新月异，国内外对磁场测量器件的研究取得了显著进步。

1.2.1 GMI传感器国内外研究发展现状
巨磁阻抗（Giant Magneto Impedance，GMI）效应是科学家Harrison在二十世纪三十年代发现的，但是受限于当时的工艺水平，始终没有得到进一步关注和发展，直到上世纪末，才慢慢被学术界接收，而在这方面的贡献则主要归功于Mohri[3]。

这名来自日本的学者将Co基非晶材料置于磁场环境中，对其阻抗进行探究，发现该材料具有巨磁阻抗效应。

从那个时候开始，关于非晶材料的一系列效应和成果被相继提出，比如应力磁阻抗效应、巨磁阻抗效应等。

科技工作者的探索方向也被划分为两个方面：一方面是研制新型合金材料使GMI效应变得更加明显，另一方面是通过优化基于GMI材料的调理电路得到更好的传感器特性。

Moron等人对GMI材料实施了特殊工艺的退火处理[4]，他们接着搭建了GMI阻抗特性平台，用不同频率的信号施加到驱动电路，测试和分析了非晶材料的阻抗，发现非晶丝在较高频率范围内，GMI效应跟趋肤深度相关，较低频率范围内时，GMI效应主要跟电感相关。

他们通过大量的实验研究发现，通过适当的应力退火或者磁场退火后，有助于GMI效应的改善。

Inada等人利用新材料CoSiB非晶丝[5]，发明了一种传感器，在300 KHz 频率范围内能有效测量-400 Oe~400 Oe范围内的磁场，灵敏度高，线性度好。

来自瑞士的Simmon Brugger和Oliver Paul等人研制出磁场检测传感器，内部整合了磁场集中模块和谐振模块等单元，测量精度达到400 nT [6]。

二十一世纪初，日本的爱知制钢公司利用新材料CoFeSiB研制成功一款集成度很高的传感器IC[7]，接着，该公司在数年间，开发出了一系列基于非晶材料的传感器IC，比如传感器“AMI304[8]”，这些成果标志着非晶丝的研究进入到了一个新的阶段。

2007年，来自罗马尼亚的科学家[9]在以磁性微粒聚合物构建的悬浮流体环境下，进行试验，测试了矩阵式排布的GMI效应，实验发现，
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矩阵式排布的GMI效应随矩阵元素数量的增加而变大，并以此效应提出了一种生物传感器模型，该模型以非晶丝阵列为元素。

随着研究的深入，各国科学家都陆续发表了自己的成果。

来自日本的Nakai和Takada等人发现非晶软磁材料的步进特性[10]，由此提出了磁性传感器用于记忆功能的想法。

Moutoussamy等人在法国[11]研究了新型GMI效应下传感器内部结构，当其驱动信号频率在数KHz到数百KHz的时候，检测指标接近1000 V/T。

Pratap Kollu等[12]在韩国研制的非晶材料磁传感器，其利用深度负反馈技术，使得该传感器具有抑制磁滞和温漂等效果，在磁场强度-2~2 Oe范围内，测量磁场的灵敏度可以达0.27 V/Oe。

来自法国的Alves等人[13]采用由Fe/Cu/Fe组成的多膜非晶材料作为传感器的探头材料，设计的传感器灵敏度达到了60 V/T。

捷克的Michal Malate等人[14]在实验的时候，对GMI传感器设置了直流偏置磁场，提高了传感器的灵敏度和稳定性。

来自法国Yelon等人在总结了非晶材料磁畴结构和其测试精度的关系，通过改变非晶丝的激励方式、驱动频率和易磁化轴等条件，对非晶丝传感器进行了改良，降低了传感器的噪声水平。

与之相对应，国内关于磁传感器的研究起步比较晚，虽然经过了三十多年的发展，取得了一些成果，但是在巨磁阻抗效应[15]的理论研究和实际应用方面，与国外还有不小的差距。

兰州大学单晓峰[16]研制的非晶材料高精度磁敏感探头，该探头采用差分阵列，在较大量程内保持了不错的精度。

清华大学庞浩[17]探测了外界磁体与非晶材料阻抗的关系，试验中发现非晶材料阻抗的变化随磁体外观、空间摆放坐标以及驱动信号变化而变化。

杨秀芳在华东师范探测了多磁性复合结构丝的阻抗效应[18]，通过制备不同循环次数的复合结构丝，首次研究了循环次数对阻抗和磁结构造成的影响。

来自北京信息科技大学的高鹏建等人[19]开发了一种高斯计，高斯计的核心材料是非晶丝。

系统通过采集数据，并利用液晶直接显示测量结果，分辨率较高，在磁场测量方面已经具有来一定的应用前景。

1.2.2 涡流传感器国内外研究发展现状
涡流传感器主要用途之一是探测导体平面缺陷。

当传感器探头靠近导体时候，探头的电感、电阻等参数就会发生变化，阻抗也会发生变化，通过检测这些变化参数的情况，就可以知道被测试件表面缺陷的信息，包括材质、缺陷的尺寸、形状等。

涡流现象最早是被来自法国的科学家Gambey在1824年发现的，Gambey 在试验中发现当铜板面对移动的磁铁时，具有磁阻尼现象，接着Foucauit发
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现铜板在不均匀的磁场中运动时，在铜板的表面会有电流流过。

Faradey在1831年对涡流现象进行了概况和总结，麦克斯韦在1873年用完整的数学表达式将电磁场理论系统化，从那时开始，涡流检测的理论也日趋完整。

十九世纪七十年代末，休斯设计研制的涡流检测平台，成功区分出不同导体。

虽然涡流的现象发现的很早，科学家们也很早就建立起了涡流检测理论，但是涡流检测由于材料和工艺等因素，始终没有推广开来。

20世纪20年代，科学工作者研制的涡流传感平台成功的测试出金属涂层厚度。

接着在1970年，来自美国的Libby根据前人的理论，率先提出了多频涡流的概念，即利用多频涡流传感检测技术实现对多组参数的测量。

20世纪90年代初，来自美国的石油公司ARCO利用瞬时电磁法研制成功一款电磁脉冲设备，成功的检测了铁磁性管道中的腐蚀现象。

同一时期，Jeffrey G 等人[20]研究成功的涡流传感平台，采用两种频率激励，通过探测和研究导体内部的腐蚀现象，找到了避免内部间隙影响探测结果的途径。

1995年，来自荷兰的RTD公司收购了由ARCO公司发明的关于瞬变电磁脉冲设备的专利，并在原专利的基础上进行了进一步的研究，改善线圈设计和运行软件，研制了腐蚀缝隙检测仪平台。

Bos和Sahlen等人[21]研究了机翼的侵蚀和缝隙现象，提出多种频率信号激励探头，对机翼进行探测，并获得推广。

21世纪初，P Edward and J Manson在多信号频率激励下，进一步探讨了信号混合研究[22]的可能性，对飞行器蒙皮缺陷进行探测。

2006年，Crouzen等人发明了基于脉冲涡流技术的测厚仪，从圆周和竖立两个方向对铁磁性管道进行了测厚记录，最大测厚范围达到250 mm，精度在15%左右。

来自英国剑桥John RUNLIN 等人利用脉冲信号，激励环绕式传感探测线圈，对导体内部不同位置缺陷实施探测，可以从最后信号的波形的变化明显分辨出有无缺陷。

Norton利用最小二乘法的知识和反演理论知识[23]，提出了基于利用涡流阻抗检测的数据的进行缺陷重构的理论。

Tian将主元的思想方法运用到涡流检测中[24]，将数据降维，简化数据处理，消除了检测过程中的噪声。

与之相对应，国内关于涡流传感器的研究起步比较晚，虽然经过了五十多年的发展，取得一些成果，但是在涡流效应的理论研究和实际工程应用方面相对落后。

我国在70年代中期研制成功了涡流电导仪、涡流探伤仪等设备，但是由于在检测工程中，空间间隙提离效应的影响和材料工艺水平的限制，导致涡流检测技术停滞不前，直到80年代末，南京航空航天大学对涡流技术进行了深入探讨和研究，对涡流理论进行了系统的分析和整理，才进一步提升了在涡流方面的理论水平。

90年代时期，我国在涡流传感器的研制进入了一个快速发展阶段[25]，相继研制成功了多频涡流、脉冲涡流等先进的传感设
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备，工作频带宽，信息量大，信号透射能力强，能穿透保护层完成对管道缺陷的检测[26,27]。

虽然国家在涡流传感器方面取得了一些成果，但是与国外相比，我国的涡流传感器在精度、灵敏度、微型集成化等方面与国外依然有不小的差距，许多领域依赖进口，所以，研制性能优异、体积微型、成本低廉的传感器件具备重要的经济价值。

1.3 本文的主要研究内容
本课题研究设计了用于金属感应交流磁场检测的传感器。

首先阐述了当前一些主流传感器技术以及电流感应磁场产生原理。

为了实现金属感应交流磁场的检测，引入了巨磁阻抗效应技术和涡流传感技术，通过对两种技术的研究分析，选取非晶丝、线圈和磁芯作为传感器材料，并设计实验，验证了传感器材料的工作特性，根据材料工作特性，通过对变频、高阶滤波、锁相放大、包络检测、相位检测、低噪放大等技术的分析，设计了两种用于探测金属感应交流磁场的传感器。

本文主要研究内容如下：
（1）磁场传感器理论基础研究，首先介绍了当前一些主流传感器技术，阐述电流感应磁场产生原理和典型电流磁场计算。

通过对当前传感器技术的分析，引出了巨磁阻抗效应和涡流检测效应。

然后重点分析了非晶材料阻抗变化的原理和驱动方式，列举了影响非晶材料阻抗变化的因素。

最后根据涡流效应的工作原理，建立涡流的等效电路模型，进行探头等效阻抗求解和深度分析，列举了影响探头等效阻抗的因素。

（2）GMI交流传感检测技术硬件实现，根据第二章对巨磁阻抗效应的研究，首先设计实验，观察非晶丝在磁场下的阻抗特性，接着介绍了常用的GMI交流磁场检测方法，通过对比结合实际情况，采用同步检波法。

然后根据非晶丝的阻抗特性，设计GMI交流磁场检测硬件系统，重点包括变频设计、锁相放大器设计等模块。

最后搭建实验平台，对传感器进行实验数据整理和性能分析。

（3）涡流传感检测技术硬件实现，根据第二章对涡流检测的研究，设计实验，验证涡流效应的工作特性，接着介绍了常用的涡流检测方法，通过对比结合实际应用情况，选择了包络检测法和相位检测法。

然后针对涡流工作特点，设计了涡流传感检测硬件系统，重点包括包络检测法和相位检测法硬件设计等模块。

最后搭建实验平台，对传感器进行实验数据整理和性能分析。

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第2章磁场传感器理论研究
在物联网高速发展的背景下，以金属符号为代表的关于金属信息的识别和金属物品信息的管理正受到越来越多的关注，因此，需要研究用于金属感应交流磁场检测的传感器。

本章中，首先主要介绍当前广泛应用的磁场检测技术和电流感应磁场的产生原理，为了改善当前传感器的性能，实现金属感应磁场的检测，重点引入了巨磁阻抗效应技术和涡流传感技术，指导后续章节中关于金属感应交流磁场传感器的研究和设计。

2.1 磁场检测传感技术简介
随着信息产业高速发展，磁场传感技术按照检测范围不同，主要有以下几种技术较为常用。

（1）感应线圈传感器。

感应线圈中电压的大小与磁场的变化率成正比关系，因此，传感器的灵敏度主要与感应线圈的面积、磁芯的磁导率以及线圈匝数等有关系。

感应线圈磁力计的设计原理决定了其只能测试变化的磁场，或者线圈在磁场中运动时也可以对磁场进行测量，但是，无法有效探测直流磁场。

（2）磁通门传感器。

磁通门传感器可测量磁场范围为10-6~102 Oe的直流磁场或者缓慢变化的磁场，测量的频带可以达到数KHz。

磁通门传感器的主要结构包括一个铁心和两个线圈，一个是主线圈（激励线圈），一个是辅线圈（检测线圈）。

在磁通门传感器测量磁场的时候，给主线圈施加频率为f的交流信号，对应的电流为I exc，然后增大电流，使铁芯饱和。

然后，根据磁力线溢出的情况，结合信号定位和二次谐波等技术，对磁场进行测量。

磁通门传感器相比其他传感器，具有较好的分辨率，所以在弱磁磁测量方面得到了较好的应用，但是它的造价比较高。

因此，尽量降低成本，使磁通门传感器小型化，集成化会是一个很好发展方向。

（3）霍尔传感器。

霍尔传感器主要测量的磁场范围是1 Oe到几千Oe，其工作频率在10-20 KHz之间。

磁场条件下，金属或者半导体会产生感应电势，它与磁场强度的比值为常数。

霍尔传感器主要工作原理是源于半导体材料洛伦兹力，霍尔传感器产生电压方向的宽度远比长度要短，载流子偏移产生霍尔电压，从而建立了电势，它与洛伦兹力等值反向。

此时端电阻变化变化很小，磁场强度与霍尔电势差的比值为常数。

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霍尔传感器在磁场强度测量、电流测量、位移测量以及转速测量等工业生产、生活以及电磁测量领域具有极其广泛的应用，由于它具有良好的电路兼容性，使它可以结合微电子集成电路行业，来促进自身的进一步发展，在今后的科技发展中，将会有性价比更高的传感器出现。

（4）GMR 传感器。

在磁场条件下，电阻变化率ρρ∆随GMR 磁电阻减小呈现出变大的趋势，它外在表现为当磁场产生非常微弱的变化时，阻抗立即发生明显变化，这就是巨磁电阻（Giant Magneto Resistance ，GMR ）效应。

由于GMR 效应能在纳米级薄膜中观察到，这使得GMR 传感器可以在集成在芯片内，实现传感器的单片集成化。

利用GMR 原理研制的器拥有尺寸微型、线性度好以及精度高等优势[28]，工作频率上限为1 MHz 。

因此，GMR 传感技术弱磁探测、磁开关等场合取得了很大的进步。

综上所述，随着科技发展，能够适应特殊应用的需要，一种具有较高灵敏度，尤其具有快速响应和微型尺寸的传感器会成为磁传感器发展的方向。

后续将详细介绍巨磁阻抗检测基本理论和涡流检测基本理论，为传感器硬件研发奠定理论基础。

2.2 电流感应磁场产生原理
金属感应磁场主要是利用电流感应产生的，因此，本小节将主要介绍电流感应磁场产生原理。

将线状电流I 进行无限细分之后，相应产生无限多微电流元d I l ，d l 是沿电流方向的线元。

假设为真空环境中，存在P 点，其空间坐标相对微电流元Id l 的关系是r =r r e ，r e 是半径方向单位矢量。

根据毕奥
萨伐尔定律，给出了微电流元d I l 在P 点磁感应强度d B 具体解析式，即：
02
d d 4πI r μ⨯=r l
e B （2-1） 式中 0μ——真空情况下的磁导率，其值等于724π10N/A -⨯。

图2-1 电流元磁场。