一种磁芯非对称排布的低噪声正交基模磁通门传感器探头
阅读说明：本技术 一种磁芯非对称排布的低噪声正交基模磁通门传感器探头 (Low-noise orthogonal fundamental mode fluxgate sensor probe with asymmetrically arranged magnetic cores ) 是由 瞿体明 邵良俊 姜豪 宋彭 于 2020-11-12 设计创作，主要内容包括：本发明属于磁场测量技术领域,尤其涉及一种磁芯非对称排布的低噪声正交基模磁通门传感器探头。本传感器探头的X轴磁芯探头、Y轴磁芯探头和Z轴磁芯分别置于立方体传感器骨架的一条顶边、一条底边和一条侧边上,三个正交磁通门探头之间的垂直距离dx、dy和dz相等。本传感器探头在有限的空间内探头间相对距离更大,有效减少了由于探头内激励电流焦耳热产生的温升,“U”型钴基非晶磁芯,使用单拾取线圈方案,通过优化电压拾取线圈的绕制位置来减小退磁因子的影响,使用拾取线圈同时作为反馈线圈进行反馈调节；使用高热导率的固化胶进行固定,防止探头由于震动产生低频噪声,同时较好的导热性可以有效引导探头磁芯在通流时产生的焦耳热,减小温漂影响。(The invention belongs to the technical field of magnetic field measurement, and particularly relates to a low-noise orthogonal fundamental mode fluxgate sensor probe with asymmetrically arranged magnetic cores. The X-axis magnetic core probe, the Y-axis magnetic core probe and the Z-axis magnetic core of the sensor probe are respectively arranged on one top edge, one bottom edge and one side edge of a cubic sensor framework, and the vertical distances dx, dy and dz between the three orthogonal fluxgate probes are equal. The probe of the sensor has larger relative distance between probes in a limited space, effectively reduces the temperature rise caused by joule heat of exciting current in the probe, adopts a single pick-up coil scheme, reduces the influence of a demagnetization factor by optimizing the winding position of a voltage pick-up coil, and simultaneously uses the pick-up coil as a feedback coil to perform feedback regulation; the high-thermal-conductivity curing adhesive is used for fixing, the probe is prevented from generating low-frequency noise due to vibration, meanwhile, the good thermal conductivity can effectively guide the joule heat generated by the magnetic core of the probe in through-flow, and the temperature drift influence is reduced.)
技术领域
本发明属于磁场测量技术领域，尤其涉及一种磁芯非对称排布的低噪声正交基模磁通门传感器探头。
背景技术
磁通门传感器是一种用于弱磁场测量的磁传感器，可以进行动态矢量磁场的精准测量，有着体积小，功耗低，精度高，操作方便等一系列优点。磁通门传感器在很多领域都有着广泛用途，低噪声的正交基模磁通门传感器更是在地磁导航、空间定位、电磁跟踪、生物监测、空间监测、地质勘探等多个领域有应用前景，在军用和民用领域发挥着十分重要的作用。
目前常见的磁通门传感器分为平行式磁通门传感器和正交式磁通门传感器。平行式磁通门传感器的工作原理图如附图1所示，其采用了激励磁场Hexc和待测磁场Hz平行的设计。对于平行式磁通门传感器来说，其体积相对较大，噪声水平较高，性能很难有进一步的提升。正交式磁通门传感器在降低噪声、减小体积等方面有潜在优势。
正交式磁通门传感器的工作原理图如附图2所示，激励电流直接沿轴向穿过磁芯，在磁芯内产生环向的激励磁场Hexc，因此通常不需要激励线圈，只需要一个拾取线圈即可。这类磁通门激励磁场方向(环向)和待测磁场方向(轴向)垂直，因此被称为正交式磁通门。相比较传统磁通门传感器而言，它能够进一步降低噪声，提高传感器性能。当前正交磁通门传感器多采用三轴磁芯对称放置的“井”字型设计，沿磁芯长度密绕拾取线圈，最后得到反映待测磁场大小的偶次谐波信号。这种设计所能够达到的最好的1Hz处噪声指标约为几十pT/rt(Hz)。若想进一步将噪声抑制到10pT/rt(Hz)@1Hz以下则十分困难。
发明内容
本发明的目的是提出一种磁芯非对称排布的低噪声正交基模磁通门传感器探头，以用于弱磁场的测量。本发明对传感器内的单轴磁芯探头进行优化设计，从而提高测量灵敏度；通过非对称设计方案实现对传感器间激励磁场耦合作用的抑制，并减小焦耳热聚集效应，以减小传感器温漂，提高测量精度。
为实现上述发明目的，本发明提出如下设计方案：
本发明的低噪声正交基模磁通门传感器探头由立方体传感器骨架、X轴正交磁通门探头、Y轴正交磁通门探头和Z轴正交磁通门探头组成，所述的X轴、Y轴和Z轴正交磁通门探头分别置于立方体传感器骨架的一条顶边、一条底边和一条侧边上，三个正交磁通门探头之间的垂直距离dx、dy和dz相等，且分别与临近边垂直距离小于5mm。
上述低噪声正交基模磁通门传感器探头中，所述的X轴探头、Y轴探头和Z轴探头具有相同的结构，每个磁芯探头包括”U”型钴基非晶磁芯、电压信号拾取线圈、高热导率固化剂和陶瓷管；所述的“U”型钴基非晶磁芯置于陶瓷管内，通过高热导率固化剂进行固化封装，所述的电压信号拾取线圈缠绕在陶瓷管上。
本发明提出的磁芯非对称排布的低噪声正交基模磁通门传感器探头，其优点是：
本发明的磁芯非对称排布的低噪声正交基模磁通门传感器探头，充分考虑了各种材料属性和布局，通过非对称式的三轴排布来减小磁芯间磁场的相互影响，有效地减少由于激励电流焦耳热产生的温升，防止温升对传感器精度产生影响；采用了高磁导率，强磁各向异性的钴基非晶丝经过热处理后作为探头磁芯，并区别于传统单轴“一”字形磁芯设计，采用了”U”型的磁芯结构，很好的消除了传感器单轴的零位偏移；拾取线圈采用单线圈绕制在磁芯外围的方案，有结构紧凑、装配容易、平行度好、方便调节正交度的优点；拾取线圈的绕制依据电磁有限元仿真结果，绕制在非晶磁芯退磁场影响较小的区域，使得电压输出信号在确定的磁芯结构和线圈匝数设计方案下达到最大，以达到提高灵敏度的作用；通过在激励电流中增加直流分量使磁芯始终工作在单向饱和态，通过缩小拾取线圈范围来减小退磁因子的影响，并使用拾取线圈同时作为反馈线圈进行反馈调节，使正交基模磁通门传感器探头具有体积小(小于10cm3)、灵敏度高(10000V/T)和噪声低(小于10pT/rt(Hz))的效果。
附图说明
图1是已有技术中平行式磁通门探头的工作原理图。
图2是已有技术中正交式磁通门探头的工作原理图。
图3是本发明提出的磁芯非对称排布的低噪声正交基模磁通门传感器探头的整体示意图。其中dx,dy,dz三个值相等，即三个传感器互相的垂直距离相等。
图4是本发明提出的磁芯非对称排布的低噪声正交基模磁通门传感器探头中磁芯探头的结构示意图。
图5是本发明提出的磁芯非对称排布的低噪声正交基模磁通门传感器探头的工作原理框图。
图6是本发明的磁芯探头中激励线圈的绕制方案优化过程中一个特定条件下的实施例。
图3～图5中，1是X轴磁芯探头，2是Y轴磁芯探头，3是Z轴磁芯探头，4是立方体传感器骨架，5是非晶磁芯，6是电压信号拾取线圈，7是高热导率固化剂，8是陶瓷管，9是整体工作流程中的信号激励部分，10是整体工作流程中的信号拾取部分，11是整体工作流程中的信号处理和输出部分。
具体实施方式
本发明提出的磁芯非对称排布的低噪声正交基模磁通门传感器探头，其结构如图3所示，由立方体传感器骨架4(可采用Stycast环氧树脂、PEEK(聚醚醚酮)工程塑料、玻璃钢、尼龙等)、X轴正交磁通门探头1、Y轴正交磁通门探头2和Z轴正交磁通门探头3组成，所述的X轴、Y轴和Z轴正交磁通门探头分别置于立方体传感器骨架的一条顶边、一条底边和一条侧边上，三个正交磁通门探头之间的垂直距离dx、dy和dz相等，且分别与临近边垂直距离小于5mm。
上述低噪声正交基模磁通门传感器探头中的X轴探头1、Y轴探头2和Z轴探头3具有相同的结构，如图4所示，每个磁芯探头包括“U”型钴基非晶磁芯5、电压信号拾取线圈6、Stycast 2850FT固化剂7和氧化铝陶瓷管8；所述的“U”型钴基非晶磁芯5置于氧化铝陶瓷管8内，通过Stycast 2850FT固化剂7进行固化封装，也可以在8内灌入如硅橡胶等软质填充材料。电压信号拾取线圈6缠绕在氧化铝陶瓷管8上。
以下对本发明的磁芯非对称排布的低噪声正交基模磁通门传感器探头，结合附图对具体实施例的工作原理和工作过程进行介绍：
将本发明的由三轴磁芯组成的正交基模磁通门传感器探头置于待测磁场中，使用激励电流模块对系统进行供电，即可得到X、Y、Z方向的三分量磁场大小，通过后处理即可得到探头位置的矢量磁场情况。
本发明传感器采用的磁芯非对称排布形式如图3所示。其中的立方体传感器探头骨架4采用PEEK(聚醚醚酮)工程塑料制成，密度小，导热性好。实际制作过程中，先使用PEEK工程塑料制作探头骨架，并留出三个相互正交的圆孔，将X轴磁芯探头1、Y轴磁芯探头2、和Z轴磁芯探头3分别嵌入PEEK探头骨架中，这样可以尽可能保持三轴的正交度。其中X轴磁芯探头1、Y轴磁芯探头2、和Z轴磁芯探头3按照图3所示非对称排列装配。该排列方式可以大幅度地减小三轴磁芯间的相互影响，尤其是当磁芯采用本发明中使用的高磁导率钴基非晶丝时，若按照传统三轴居中对称式排布，磁芯间的磁场相互耦合作用会十分明显。三轴非对称排列方式也可以有效减少焦耳热在探头中部的聚集，减小由焦耳热温升导致的传感器温漂影响；该排布方式也大幅度减少磁芯和探头表面的距离，增强散热效果。较优情况下，磁芯和探头表面距离小于5mm。
本发明中使用的磁芯探头的详细结构图如图4所示。磁芯探头外壳8为氧化铝陶瓷管，其中填充Stycast 2850FT固化剂7，能够有效地增加散热效率，减小探头中心处的热量聚集，在实际长时间使用中也能够有效控制温升，避免因为磁芯温度过高产生的温漂误差。单轴探头如图3所示。有别于传统的单根磁芯，本发明采用“U”型磁芯设计，这种设计可以有效地减少传感器的零位漂移。非晶磁芯5为“U”型，放置于氧化铝陶瓷管8中，并使用Stycast2850FT固化剂7填充，该固化剂的室温热导率高于1W/(m·K)，该2850固化剂全名为Loctite公司生产的STYCAST 2850FT环氧导热灌封胶，也可以灌入如硅橡胶等软质填充材料。在玻璃管外部，使用细铜线密绕成电压信号拾取线圈6。经过有限元电磁仿真，磁芯中部的退磁场强度最小，因此线圈密绕在磁芯中部，避开了磁芯两端，能够有效减小磁芯弯折处的不均匀磁场以及退磁效应对抑制噪声的不利影响，并能有效提高测量信号的灵敏度。
本发明的一个实施例中磁芯探头的详细结构如图6所示，以U型磁芯间距为1mm，磁芯长度20mm，绕制匝数5000匝，单匝拾取线圈导线直径0.1mm为例，此时电压拾取线圈应以径向49层，每层轴向102匝进行绕制，此时经过拾取线圈的磁通量最大，输出电压信号最大。
本发明所提出的正交基模磁通门传感器探头的使用状态如图5所示，整体由三个模块组成。激励电路模块9的作用是向磁芯输入电流激励，该模块与三轴磁芯相互串联，保证了电流的稳定和均匀。其中磁芯激励电流为100kHz交流电流Iac加上直流偏置Idc的混合激励，有别于传统的纯交流激励，这种模式可以使探头输出与外磁场变化频率相同的基模信号，其传感器带宽可以覆盖DC-10kHz，并且能够显著降低由于磁畴偏转引起的巴克豪森噪声。
XYZ三轴磁芯探头模块10受电流激励并对外磁场产生感应，三个探头磁芯互相串联，与激励电路模块9组成激励回路。三轴的非晶磁芯5外各缠绕一个拾取线圈6，作为拾取感应电压信号的拾取线圈。实际工作中，磁芯探头模块10的所有引线由PCB电路板进行连接，简化布线，方便调试。
信号处理和反馈模块11用于调制解调与信号反馈。通过信号处理模块实现电压信号的有效采集，同时输出三路独立的电压信号；磁芯探头模块10中的拾取线圈6也充当着反馈模块中的反馈线圈，反馈信号使磁芯工作在零场附近，提高了传感器整体的线性度。
具体的使用中，将信号拾取模块10置于待测磁场位置，使用激励电流模块9对系统进行供电，即可得到XYZ方向的三分量磁场大小，通过信号处理和反馈模块11后处理即可得到探头位置的矢量磁场情况。