磁通门技术

磁通门技术

I国内外研究现状

磁通门是利用被测磁场中高导磁铁芯在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的一种传感器。磁通门传感器也称磁强计，由探头和接口电路组成，具有分辨率高(最高可达10-11T)、测量弱磁场范围宽(在10-8T以下)、可靠、简易、经济、耐用、能够直接测量磁场的分量和适于在高速运动系统中使用等特点。磁通门传感器的研究起始于1928年，几年后才出现了利用磁性材料自身磁饱和特性的磁通门磁强计，它被用来测量1mT以下的直流或低频交流磁场。1936年，Aschenbrenner和Goubau称达到了0.3nT的分辨率。在第二次世界大战中，用于军事探潜的磁通门传感器有了较大的发展。

用电流传感器作为电气设备绝缘在线检测系统的采样单元，已得到业内人士的共识。目前，电流传感器有多种类型，如霍尔传感器、无磁芯电流传感器、高导磁非晶合金多谐振荡电流传感器、电子自旋共振电流传感器等。由于电力系统使用环境的特殊性，许多传感器存在自身的局限性。目前应用于电力系统的电流传感器多是以电磁耦合为基本工作原理的，从采样方式上分，这类传感器主要有直接串入式、钳式、闭环穿芯式三种。大量的研究试验表明，基于“零磁通原理”的小电流传感器更适合电力系统绝缘在线检测的要求。本文所述小电流传感器即是以磁通门技术为基本原理，加上闭环控制在电子电路中的应用，使小电流传感器具有高精度、高稳定度、抗干扰能力强等优点[1]。

磁通门是一种磁测量传感器。由于它在动目标中可以极敏感地感应地磁强度,早在本世纪30年代就被应用于航磁测量部门。近20年来,在物理学、电子技术、金属冶炼等方面取得的巨大成果,使磁通门在弱磁测量、抗电磁干扰、耐高温、可靠性、寿命、价格方面取得了前所未有的进展。在地质勘探和石油钻井中,包括磁通门在内的敏感元件提供的有关钻头前进方向的信息,使按设计井身轨迹实现高质量定向—水平钻井成为可能。

我在这里简单列举几个国际上取得的成果。Milan M. Ponjavic 等人提出了一种自激震荡的磁通门传感器模型，对在模型中影响传感器工作的主要特性都进行了讨论[2]。Q. Ma等人设计了一种新型DC传感器，这种新型DC传感器可以有效提高测量的准确度，同时具有良好的线性度。这种传感器是基于磁势自平衡和反馈补偿的[3]。Eyal Weiss等人研究了一种正交磁通门传感器，这种传感器不仅改善了磁通门的等效磁噪声，而且简化了磁通门的输出过程[4]。Szewczyk, R课题组为我们呈现了一种双轴微型化磁通门传感器，这种传感器的铁芯由铁钴合金制造，并且依托于PCB多层技术，同时为磁通门的进一步微型化提供了依据[5]。

Guillermo Velasco-Quesada 等人设计了一种大电流测量装置，并且通过增加开关电源和产生

磁补偿电流开关使得在功率方面取得了很大的提高[6]。

II 磁通门技术原理

磁通门传感器是利用被测磁场中高导磁率磁芯在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度

与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的。这种物理现象对被测环境磁场来说好像是一道

“门”，通过这道“门”，相应的磁通量即被调制，并产生感应电动势。利用这种现象来测量

电流所产生的磁场，从而间接的达到测量电流的目的。

磁通门现象是变压器效应的伴生现象,也服从法拉第电磁感应定律。我们从最简单的单

铁心磁通门探头来说明其工作原理。如图1,在一根铁心上缠绕激磁线圈和感应线圈,铁心由

软磁材料制成,其横截面面积为S,磁导率为μ,载流激磁线圈在铁心上建立的激磁磁场强度为

H,感应线圈的有效匝数为W 2。

在未认定S 、μ、H 和W 2中的任一参数为不变量，根据法拉第电磁感应定律,感应线圈

上应产生的感应电势为：

e=-108_dt

d （W 2μHS ） （1）

如果S 和W 2都不变,铁心远离饱和工作状态,其磁导率μ常数,这个物理模型中的感应电

势e 将仅仅是激磁磁场强度H 变化的结果。如果激磁磁场强度

H=H m cos(2πf 1t ) (2)

式中:H m 为激磁磁场强度幅值;f 1为激磁电源频率。则式(1)变为

e =2π×8_10 1

f μW 2S H m sin(2π1f t ) (3)

这是理想变压器效应的数学模型。

实际变压器效应数学模型应为：

e =2π×8_10

f 1(t)W 2S H m sin(2πf 1t ) － 8_10 dt

t du )(W 2S H m cos(2πf 1t ) (4) 然而,铁心磁导率μ(t)无正负之分,是个偶函数。将μ(t)展为傅立叶级数时,可得：

μ (t)=μ0m +μ2m cos4πf 1t + μ4m cos8πf 1t + (5)

式中:μ0m 为μ(t)的常值分量;μ2m μ4m 分别为μ(t)的各偶次谐波分量幅值。

将式(5)代入式(4),得：

e =2π×8_10

f 1W 2S H m [(μ0m +0.5μ2m )sin2πf 1t +1.5×(μ2m +μ4m )sin6πf 1t +2.5×(μ4m +μ6m )sin10πf 1t + (6)

由上可知,考虑铁心磁导率产的变化后感应电势,将出现奇次谐波分量。考虑环境磁场实

际施加在铁心轴向的分量H OL 时,式(4)将变成：

e=2π×8_10 f 1μ(t)W 2S H m sin(2πf 1t )－8_10 dt

t du )(W 2S H m cos(2πf 1t )－8_10 dt

t du )(W 2S H OL (7) 当OL H 比铁心饱和磁场强度s H 和激磁磁场强度幅值H m 都小得多时,它对铁心磁导率

μ(t)的影响可以忽略。单独由H OL 引起的感应电势e 的增量e H OL 为:

e=(OL H )=－2π×8_10 f 1W 2S OL H (2μ2m sin4πf 1t +4μ4m sin8πf 1t +6μ6m sin12πf 1t

+...) (8)

式(8)证明只要铁心磁导率μ随激磁磁场强度而变,感应电势中就会出现随环境磁场强度

而变的偶次谐波增量e(H OL )。

当铁心处于周期性过饱和工作状态时,e(H OL )将显著增大。利用这种物理现象就可以测量

环境磁场。但与变压器效应相比较,其感应线圈输出的磁通门信号。e(H OL )相当微弱。为实现

精确测量,可设计成差分输出探头来消除磁通门探头变压器效应的感应电势。

III 存在的问题

电流测量方法主要包括：分压电阻、电流互感器、霍尔电流传感器、Rogowski 线圈(罗

氏线圈)、磁通门电流传感器、磁阻电流传感器。其中霍尔电流传感器和磁通门电流传感器

能够检测交流和直流。霍尔电流传感器能够检测几千安培的电流，精度范围在0.5%和2%之

间，但是霍尔电流传感器的检测精度受温度和外界磁场影响较大，这就限制了霍尔元件的应