磁通门电流测量基本原理

|时，磁芯处于磁导率线性区，此时磁导率 是一个常数；当激励磁 |时，磁芯周期性的处于磁导率线性区和非
线性区，此时磁导率 是一个随磁场强度大小变化而变化的变量。图 3 所示是磁 芯磁感应强度随着激励磁场强度变化而变化的曲线。
图 2 磁芯磁导率随磁场变化曲线
（b）
图 3 磁芯磁感应强度随磁场强度变化曲线
而使两根磁芯产生的磁通电动势叠加，从而提高了磁通门的测量精度。
图 4 双芯型磁通门结构图
当对图 4 所示的双芯型磁通门加以角频率为 的正弦激励信号， 并且假设激 励线圈在上半磁芯产生的磁场 的总磁感应强度 如下： 与待测量环境磁场 方向相同时，上半磁芯内 (7)
B = m ( H x + H e ) = m ( H x + H m sin w t )
N
。
He
U0 H0
图 1 单磁芯磁通门工作原理
对激励线圈加以角频率为 的正弦激励电流，产生激励磁场
： (1) (2)
He = Hm sinw t
式中：
为激励磁场强度幅值。则可推导出磁芯内部的磁感应强度 如下:
B = m ( H 0 + H e ) = m ( H 0 + H m sin w t )
¥ i =1
(5)
利用三角形函数的积化和差公式对式 5 进行整理， 可得单芯磁通门的输出电 压如下：
U o = NSH 0w å 2mi sin 2iw t - NSH m å im m é ëcos(2i + 1)w t - cos(2i - 1)w t ù û
i =1 i =1
¥
¥
1 - NSH m å mi é ë cos(2i + 1)w t - cos(2i - 1)w t ù û - NSH m m d cos w t 2 i=1 mi é ëcos(2i + 1)w t - cos(2i - 1)w t ù û - NSH m m d cos w t 2 i =1
¥
(8)
由于两个平行磁芯上的激励线圈反向串联， 因此激励信号在下半磁芯内产生 的总磁感应强度 如下：
B = m ( H x - H e ) = m ( H x - H m sin w t )
如下：
以上磁场在信号线圈中产生的感应电动势
U o = - NS
æ ö dB dm = - NS ç Ho + Hm sin w t + mw Hm cosw t ÷ dt dt è ø
(
)
(3) 小于磁芯饱和
对于磁导率曲线如图 2 所示的磁芯。当激励磁场强度幅值 磁场强度| 场强度幅值大于磁芯饱和磁场强度|
B1 = m ( H 0 + H m sin w t )
磁通门感应线圈输出的感应电动势 如下：
B2 = m ( H 0 - H m sin w t )
(12)
U =-
M æ dB1 dB2 ö dm Aç + = MAH 0 2 è dt dt ÷ dt ø
¥
(13)
结合前面两小节的分析，可以得线圈输出的磁感应电动势如下：
有随机性。具体表现是，重复开启和关闭辅助电源设备，磁通门的输出信号都带 有一个偏置直流电压。 当前， 对这一偏置电压的处理办法是， 通过添加调零电路、 或者数字标零等处理方式校正输出的零点， 使输出信号能真正的做到零输出。 目 前，还未有其它较好的解决方法。 e) 脉冲幅度检测法 脉冲幅检测法， 是利用磁通门输出信号与幅值成比例的关系进行的测量。 采 用这种方式，也可以得到与谐波法一样的结果。其原理图如图 8 所示。
式中： 为激励磁场强度幅值， 为环境磁场强度。 积， 为磁导率，
为信号感应线圈匝数为； 为磁芯截面
根据单芯型磁通门数学模型分析结果可知， 图 4 所示磁通门上半磁场在感应 线圈中产生的感应电动势如下：
U = NSH xw å 2 mi sin 2iw t - NSH m å im i é ëcos(2i + 1)w t - cos(2i - 1)w t ù û
图 5 环形磁通门传感器模型
设感应线圈缠绕匝数为 , 横截面积为 ， 传感器测量方向磁场强度为 励磁场为 块半环形磁芯：左半环形磁芯与右半环磁芯，如图 6 所示。
, 激
。在无漏磁和不考虑退磁效应的情况下，环形磁芯可以看作两
图 6 环形磁通门磁芯
激励磁场在两个半环中产生的磁感应强度大小相等且方向相反：
的信息，而待测量磁场
的偶次谐波。因此，通过提取磁通门输出信号中的偶次谐波成分，并测量其大小 即可测量到待测量磁场 的强度。
单芯型磁通门输出电压除了包含磁通感应电动势外， 还包含磁通门变压器效 应产生的电压，而且与变压器效应相比，磁通感应电动势非常微弱。因此，不可 以直接利用单磁芯磁通门感应线圈的输出信号测量环境磁场， 必须先剔除变压器 效应产生的电压。 b) 双磁芯磁通门传感器数学模型[3,4] 为了改善单芯磁通门， 剔除单芯磁通门中存在的变压器效应影响， 提出了双 磁芯型磁通门； 双磁芯磁通门由两根平行放置的磁芯构成， 磁芯上的激励线圈反 向串联， 感应线圈同向串联。 这样的结构能够消除变压器效应产生的感应电动势，
磁通门电流测量基本原理
一 磁通门技术基本原理
磁通门技术起源于磁通门现象， 是利用磁芯饱和现象实现被测量磁场磁调制， 实现磁场到电场的转化， 完成磁场测量过程的技术。 这种技术可以实现对微弱磁 场（10 − 10 ）的测量[1]。使用磁通门技术进行电流测量时，实现电场
到磁场、 磁场到电场的两级转换过程； 整个测量过程中待测量电流不与测量仪器 产生直接的电气连接，因此这种测量技术也是一种电流隔离测量技术。
对应在信号线圈中产生的感应电动势如下：
¥ ¥
(9)
U = NSH xw å 2m i sin 2iw t + NSH m å im m é ë cos(2i + 1)w t - cos(2i - 1)w t ù û
i =1 i =1
1 + NSH m å mi é ëcos(2i + 1)w t - cos(2i - 1)w t ù û + NSH m m d cos w t 2 i =1
¥
(6)
由上式可以清晰得得出： 单磁芯型磁通门输出得感应电动势是包含了被测量 环境磁场 和激励磁场 的信息；当环境磁场为零时（ = 0）时，输出的感应
电动势只包含激励磁场 的信息， 输出信号只含有激励信号频率的奇次谐波成分； 当环境磁场不为零时 （ 也包含被测量磁场 ≠ 0） 时， 输出的感应电动势即包含激励磁场 的信息， 的信息在频域上是激励信号频率
U = 4 MAH 0w å mi sin 2iw t
i =1
(14)
由该式可知， 圆环形磁通门感应电动势的数学模型与双磁芯磁通门相同， 输 出的信号是与待测量磁场 呈正比的偶次谐波分量交流信号。
2 磁通门信号检测方法[1,3]
通过对以上几种类型的磁通门输出感应电势的数学模型进行分析， 可知： 磁 通门输出信号各次谐波分量的相位与激励电源的相位有关， 当被测量磁场反向时， 相位反转 180 度；谐波分量的频率均是激励电源的偶次谐波，各次谐波分量幅 度均随着饱和深度而变化。 根据以上输出信号特征， 目前有两种常见的磁通门输出信号检测方案： 谐波 法， 其中最常用的是二次谐波法； 非谐波检测法， 包括脉冲幅度法、 脉冲间隔法、 脉冲宽度法和脉冲相位差值法， 其中脉冲幅度法和脉冲间隔法是最为常用的两种 非谐波检测方法。 因此本节将进一步介绍二次谐波检测法、 脉冲幅度法和脉冲宽 度法。 d) 二次谐波检测法 磁通门输出有效信号中只含有激励信号的偶次谐波， 且其中二次谐波分量幅 度值最大； 磁通门输出噪声信号中只含有其基次谐波， 且其幅度最大的是基波和 三次谐波。 噪声信号中幅度最大的两种谐波分量分布在磁通门有效输出信号幅度 最大的二次谐波的两侧。 因此， 采用二次谐波法能够有效的消除磁通门输出的噪 声信号。如图 7 所示是二次谐波检测法原理图。 由图 7 可知， 实现二次谐波检测法的信号处理电路较为繁琐： 磁通门信号输 出后，首先经过带通滤波和 成单向的脉动电压 谐振；再经过选频放大后，由相敏整流将其整流 ( )，最后经过积分滤波器处理成为平滑的直流电压信号。
采用二次谐波法对磁通门输出信号进行检测时， 相敏调节是必须的， 相敏调节可
以进一步消除奇次谐波的影响。
图 7 二次谐波检测法原理图
采用二次谐波法， 磁芯的相关结构参数、 激励电源的特性对磁通门特性能都 存在影响。 采用二次谐波法处理磁通门信号时， 磁通门结构参数对磁芯饱和情况 的存在一定的影响量，磁芯参数（磁导率、饱和磁感应强度、矫顽力、退磁系数 等） ，磁芯的绕线匝数，磁芯的结构情况等等都是会导致检测的性能。 磁通门探测线圈是一种特殊变压器， 磁芯工作在过饱和状态， 磁芯磁导率 值周期性地从最大值变化到最小值， 这样才能获得较强的磁通门信号。 磁芯是磁 通门探测线圈的核心部件， 磁通门探测线圈主要由磁芯、 激励线圈和感应线圈组 成。因此，磁性材料的选择，磁芯的结构，感应线圈的匝数等，决定着磁通门性 能的好坏。 在国内受目前制造工艺和基础材料研制情况的限制， 谐波型磁通门的 发展受到一定的制约，近年来未有大的跨越发展。 激励电源的特性对磁通门性能的影响。采用二次谐波法处理磁通门信号时， 每一个电路的干扰都会影响磁通门传感器信号的处理效果。 因此， 对各环节电路 性能都要求较高，其中激励电源电路的性能是其中的一个重要电路环节。 激励电源电路的频率稳定度、 幅值稳定性， 相位稳定度以及波形质量都是影 响因素。对其性能的要求主要包括：频率稳定度，激励信号的频率会使磁通门输 出信号的频率与与后级滤波单元的中心频率偏移， 这样会影响磁芯的灵敏度； 电 压幅值稳定度激励电源电压幅值变化也是影响检测灵敏度的因素之一。 幅值的变 化会带来磁芯激磁磁场强度的幅值的改变；相位稳定度，稳定的相位，才能保障 相敏检波环节的准确性。 当二次谐波信号与基准方波信号间存在相差， 会降低相 敏检波的能力； 波形稳定度， 激励电源的波形不稳定， 会引起磁芯饱和角的变化， 导致检测的灵敏度变化。 当前， 采用二次谐波法测量磁通门信号面临的一个重要和需要改善的问题是： 采用谐波选择法进行信号分析和测量， 最后的输出信号带有一个偏置电压， 且具
i=1
(11)
由上式可知，磁通门的输出信号，是只含有偶次谐波的交流信号，而且与被 测量磁场 呈正比关系。
值得注意的是，以上推导过程建立在两根磁芯参数（包括形状参数）完全一 样以及上下磁芯激励线圈参数完全一样的基础上。 因此在实际设计和应用过程中 也应该保证上下磁芯和激励线圈参数完全一样。 c) 环形磁通门传感器数学模型[1,2] 环形磁通门可以看作双芯磁通门的延伸， 是一种差分结构的平行磁通门。 环 形磁通门具有良好的对称性，且形成了闭合回路，具有低噪声特性。
上述两式中： 为激励磁场强度幅值，
¥
(10)
为信号感应线圈匝数为； 为磁
芯截面积， 为磁导率，
为环境磁场强度。根据以上分析，可求得双磁芯磁通
门上下半轴在信号线圈中产生的感应电动势总和如下：
U = 2 NSH xw å 2 mi sin2iw t
i=1 ¥
¥
= 4 NSH xw å mi sin 2iw t
1 磁通门分类
磁通门传感器种类众多， 按照激励磁场与外界磁场的方向差异可以将其分为 以下三类：平行型磁通门、正交型磁通门和混合型磁通门；而其中平行型磁通门 传感器又分为单棒型磁通门、双棒型磁通门和环型磁通门[2]。调研结果显示平 行型磁通门传感器的应用较为广泛， 而其中环型磁通门传感器是应用最为广泛的 一种传感器。 a) 单磁芯磁通门传感器数学模型[2,3] 图 1 所示是单磁芯磁通门传感器的原理图。 在一根软磁性材料制成的磁芯上 分别缠绕激励线圈（又称初级线圈）和匝数为 的信号感应线圈（又称为次级线 圈） ；设磁芯横截面积为 ，磁导率为 ，环境磁场强度为
磁导率 是一个没有正负之分的标量，且随着激励磁场强度|
|的变化而变
化；因此当采用如图 3 所示的角频率为 的有极性激励磁场激励磁芯线圈时，可 把磁导率 看成一个角频率为2 的周期信号，且属于偶函数。可利用傅立叶级数 对变化磁导率信号 ( )展开：
¥
m = md + å mi cos 2iw t
i =1
(4)
式中，
为磁导率中直流成分， 是各2 次谐波分量幅值。将式 4 代入式 2
可得如下表达式：
U o = NSH 0w å 2 mi sin 2iw t + NSH mw sin w t å 2 mi sin 2iw t
i=1 i=1
¥
¥
æ ö - NSH m ç m d + å mi cos 2iw t ÷ cos w t è ø