磁通门磁力仪工作原理、结构与使用

磁通门磁力仪

磁通门式磁敏传感器又称为磁饱和式磁敏传感器。它是利用某些高导磁率的软磁性材料(如坡莫合金）作磁芯，以其在交直流磁场作用下的磁饱和特性及法拉第电磁感应原理研制的测磁装置。

这种磁敏传感器的最大特点是适合在零磁场附近工作的弱磁场进行测量。传感器可作成体积小，重量轻、功耗低，既可测T、Z，也可测ΔT、ΔZ，不受磁场梯度影响，测量的灵敏度可达 0．01 nT，且可和磁秤混合使用的磁测仪器。由于该磁测仪对资料解释方便，故已较普遍地应用于航空、地面、测井等方面的磁法勘探工作中，在军事上，也可用于寻找地下武器（炮弹、地雷等）和反潜。还可用于预报天然地震及空间磁测等。

4.1磁通门式磁敏传感器的物理基础

（一）磁滞回线和磁饱和现象

铁磁性材料的静态磁滞回线，如图1．35所示。在图中当磁化过程由完全退磁状态开始，若磁化磁场等于零，则对应的磁感应强度也为零。随着磁化磁场H的增大，磁感应强度B亦增大，扭曲线OA段所示。但当H增加到某一值Hs之后，B就几乎不随H的增加而增强，通常将这种现象称作磁饱和现象。开始饱和点所对应的Bs、H。，分别称作饱和磁感应强度和饱和磁场强度。

图1.35 静态磁滞回线示意图

当H增加到Hs后，如使H逐渐减小下来，磁感应强度也就随之减小下来。但实践证明，一般这种减小都不是按照AO所示的规律减小，而是按照AB所示的轨迹进行，并且当磁场H 减小到零时，磁感应强度B并不等于零，也就是说磁感应强度的变化滞后于磁场H的变化，这种现象称为磁滞现象。

当H由H S减小到零时，B所保留的值Br被称作最大剩磁，之所以叫最大剩磁是由于H 从小于Hs的不同值减小到零，其所对应的剩磁也是不同的，但以H从Hs减小到零时所对应的剩磁Br最大。

欲使剩磁去掉，就需加一个与原磁化磁场相反的磁场，如OC段所示。线段OC即表示使磁感应强度B恢复到零时所需要的反向磁场强度，这一场强通常称为矫顽力，并用Hc表示。

最大剩磁Br饱和磁感应强度Bs饱和磁场强度Hs及矫顽力Hc是磁性材料的四个重要

参数，在设计制造磁力仪器时，必须予以重视。

通常磁通门式磁敏传感器使用软磁性材料。所谓软磁性材料，是指那些Hc小的磁性材料，特点是易去磁。软磁性材料在仪器中是工作在周期性变化的磁场（一般为正弦交变磁场）中的，故其磁化过程是周期性进行的，其结果便形成动态磁滞回线（它与图1.35静态磁滞回线形状大致相同，面积比静态磁滞回线面积大些），由于动态磁滞回线的面积等于反复磁化一周所损耗的能量，所以动态磁滞回线的形状和大小随磁化磁场频率而变。在动态磁场作用下，除磁滞损耗之外，还有涡流损耗和其它损耗。这些损耗均与磁化磁场的频率有关。

磁通门式磁敏传感器设计中所用到的磁滞回线是动态饱和磁滞回线，（即磁滞回线中最大的一条回线）。动态磁滞回线上各点对应的斜率，μd=dB/dH叫做该点的动态导磁率。

磁通门磁力仪是利用具有高导磁率的软磁铁芯在外磁场作用下的电磁感应现象测定外磁场的仪器。它的传感器的基本原理是基于磁芯材料的非线性磁化特性。其敏感元件是由高导磁系数、易饱和材料制成的磁芯，有两个绕组围绕该磁芯;一个是激励线圈，另一个则是信号线圈。在交变激励信号f的磁化作用下，磁芯的导磁特性发生周期性饱和与非饱和变化，从而使围绕在磁芯上的感应线圈感应输出与外磁场成正比的信号，该感应信号包含f、2f及其它谐波成分，其中偶次谐波含有外磁场的信息，可以通过特定的检测电路提取出来。

1.坡莫合金片的磁滞迥线特点

坡莫合金与一般的铁磁性物质比较，具有很高的导磁率(u=dB/dH)，比如国产IJ86型的坡莫合金，起始导磁率u0=150000CGSM单位。很小的矫顽磁力(Hc)和很小的饱和磁场(Hs)，因此坡莫合金的磁滞回线窄而且陡，但是一般的铁磁性物质的磁滞回线宽而且缓，如图3一l和3一2所示。

分析坡莫合金的磁滞迥线可以知道，当外磁场有微弱变化时候，就会引起磁感B的显著变化，可以说磁感应强度B对外磁场H的变化有放大的作用，或者说坡莫合金对外磁场感觉灵敏。由于坡莫合金磁滞迥线所包含的面积很小，可以近似地看成一条曲线，B随H 的变化特点就与一般铁磁性物质所表现者有所不同了。

2.偶次谐波的产生

在无外磁场状况下，当初级线圈中供一个交流电压E=Em*COSwt时，则在坡莫合金中将产生一个交变磁场表达式如下:

H= 一H m coswt其中H m>H s 饱和磁场

由于H随时间变化将引起B随时间变化，当一HsBm的这段时间也相等。从B曲线来看，相当于一段失真的正弦曲线。此曲线可以看成由基波和三次谐波合成。如图3一3所示。

当有外磁场存在时，作用在坡莫合金的总磁场为:

H=H 0+H m COS θ 其中(H 0十Hm)>Hs

同样在一HSHs 时，B 达到饱和值。由于磁场的变化是在外磁场Ho 的基础上变化的，所以在H 与Ho 同向时，B 先达到饱和，保持在常值Bm 的时间比较长，当H 与Ho 反向时，B 保持在常值Bm 的时间比较短。这个B 随时间变化的曲线由于顶部是平的，可以看作是其基波和三次谐波合成，但是由于正负半周不对称，还应该有二次谐波的成分，这个二次谐波的曲线和外磁场的存在有关，如图3一4所示。

括弧内由于Hm>(Hs+Ho)，按二项式定理展开，并略去(Hs+Ho)/Ho 的4次方以上的高次项，经过整理后得到:

H m

wSnKuHs

b 82-=H 0

式中右端除了Ho 以外都为与灵敏元件绕制等有关的常数，可见输出电压振幅与外磁场H 。成正比。

3.3环型芯磁通门传感器的工作原理

单线圈型磁通门传感器的激励线圈和感应线圈使用同一组线圈，产生的感应电压含有很大并且又无益的基波分量。为了抑制这些基波信号的干扰，出现了环型和管型等其他结构的传感器。环型传感器可以看成双棒型传感器的延伸，并且形成了闭合回路，因为它激励磁场在左右两边对称的磁芯中心大小相等、而且方向相反，所以产生的感应电压的基波分量相互抵消。因此环型磁通门传感器输出的感应电压大小为:

由上式表明，在这样的传感器中，理论上激励磁线圈都不产生感应电压，激励磁场存在只是使磁芯的导磁系数发生周期性的变化。坡莫合金磁芯在交变磁场的激励下，它的导磁系数随时间发生周期性变化，当还没有被磁化到饱和的时候，导磁系数很大，磁通的闸门打开，磁通量很大;当磁芯饱和的时候，导磁系数很小，闸门关闭，磁通量就很小。当平行于感应线圈轴向有外磁场存在的时候，感应线圈内部的磁通量也发生周期性的改变，外磁场受到周期性变化的磁通的调制，在感应线圈两端感应出电压，用合适的方法测量该感应电压就能够得出外磁场的大小。

由于两个半芯的二次谐波电压的频率、振幅和相位都一样，因此灵敏元件的总输出振幅电压为2倍二次谐波电压振幅，即:

磁通门磁力仪的主要性能

1.分辨率

磁通门磁力仪的分辨率(对微弱信号变化量的反应能力)相当高，一般可以达到1—10nT，相当于地磁场强度的0.00001—0.0001倍。特殊制造的磁通门磁力仪的分辨率可以达到0.001nT，因此可以用于测量地磁脉动。卫星载磁通门式向量磁力仪的分辨率因量程而异，在测量弱磁场的时候分辨率可以达到0.002nT。

限制分辨率的主要因素是电子线路前置放大器的噪声以及探头的灵敏度和噪声。

2.测量范围

磁通门磁力仪的测量范围是—65000到65000nT之间。为了提高灵敏度和免受磁化产生永久磁场，磁通门磁力仪的探头铁芯由高导磁率软磁材料制作。这些材料的饱和磁场强度Hs只有0.0001T左右。如果待测磁场达到或超过这个强度，激励磁场的调制功能就明显受限，被测磁场更强时，甚至可以将铁芯磁化，必须退磁才能消除剩磁。所以，磁通门磁力仪被认为只适用于弱磁场的测量，

3.频率响应

磁通门磁力仪频率响应范围大约在10Hz以内，一般适用于测量缓慢变化的稳恒磁场。监测交变，脉动或扰动磁场时，需要特殊制作的磁强计。

二、磁通门式磁敏传感器的二次谐波法测磁原理

一般地说，磁通门传感器的磁芯几何形状有下面几种：

在闭合式磁芯中，有长方形磁芯、跑道形磁芯、圆形磁芯三种；在非闭合式磁芯中，