CN105866713B - 状态反馈式自激励磁通门传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种状态反馈式自激励磁通门传感器，由三个完全相同的磁通门单元通过单向环形拓扑耦合，输出与迟滞整形电路与计数显示电路连接。通过状态反馈对传感器自我激励的幅度和频率进行调节，并通过时域内检测并计算磁芯所处正饱和状态与负饱和状态之间的时间差值判定被测磁场的大小，实现超高灵敏度磁场检测。与现有技术相比，性能不受激励信号发生装置稳定性及噪声的影响，提高了磁场检测的灵敏度和分辨力；与级联磁通门相比，通过状态反馈实现了传感器灵敏度调节，所采用的控制算法实现超高灵敏度磁场检测；使用时间差检测方案对磁场进行检测，实现数字量输出与显示，为磁通门传感器数字化磁测量奠定了基础。
Description
技术领域：
本发明涉及一种磁通门传感器，尤其是一种不需要外加激励信号的磁通门传感器。
背景技术：
磁通门传感器的基本原理是法拉第电磁感应定律，利用磁芯的磁滞饱和特性将磁信号转换成电信号进行测量。磁通门传感器具有分辨率高、测量范围大和剩磁误差小等优点，是一种综合性能很好的弱磁测量传感器。
现有磁通门传感器产品大多是通过检测输出信号的偶次谐波来计算被测磁场的大小，其灵敏度和分辨率受探头噪声的制约，一般可采用差分结构探头、高精度电流激励和改进检测方案等方面进行优化。现有众多专利也是基于此方面的设计，如US7212001公开的《Fluxgate sensor integrated having pick-up coil mounted on excitation coil inprinted circuit board and method for manufacturing the same》、CN101604966公开的《磁通门传感器激励电路》和CN101545958公开的《双向磁饱和时间差磁通门传感器》。通过对探头结构进行优化和应用时间差检测方法，虽然可以减弱磁通门探头输出信号中奇次谐波噪声对磁通门传感器性能的影响，但是都依赖外界激励信号才能正常工作，并且受到激励信号发生装置本身的稳定性和噪声的影响，不利于实现对弱磁场的精确检测。
US7420366B1《Coupled nonlinear sensor system》和US7528606B1《Couplednonlinear sensor system for sensing a time-dependent target signal and methodof assembling the system》公开了一种通过磁通门之间的单向环形耦合实现自我激励的级联磁通门传感器，但是传感器参数一旦确定，传感器的灵敏度等性能参数便固定不变，不利于对弱磁场的超高灵敏度检测和实时检测。
发明内容：
本发明的目的就在于针对磁通门传感器正常工作依赖于外界激励信号和级联磁通门传感器灵敏度难调节的不足，提供一种通过状态反馈实现超高灵敏度磁场测量的自激励磁通门传感器。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
状态反馈式自激励磁通门传感器，是由加法电路a16经电压电流转换电路a17、磁通门检测探头a11、仪表放大器a12、积分电路a13、滤波电路a14和放大电路a15与加法电路b36连接，滤波电路a14经程控放大电路a23和程控滤波电路a24与加法电路a16连接，滤波电路a14经A/D采集电路a21和微处理器a22与程控滤波电路a24连接，滤波电路a14与加法电路c71连接；加法电路b36经电压电流转换电路b37、磁通门检测探头b31、仪表放大器b32、积分电路b33、滤波电路b34和放大电路b35与加法电路c56连接，滤波电路b34经程控放大电路b43和程控滤波电路b44与加法电路b36连接，滤波电路b34经A/D采集电路b41和微处理器b42与程控滤波电路(44连接，滤波电路b34经加法电路c71、整形电路c72和FPGA计数单元c73与数据显示与存储单元c74连接；加法电路c56经电压电流转换电路c57、磁通门检测探头c51、仪表放大器c52、积分电路c53、滤波电路c54和放大电路c55与加法电路a16连接，滤波电路c54经程控放大电路c63和程控滤波电路c64与加法电路c56连接，滤波电路c54经A/D采集电路c61和微处理器c62与程控滤波电路c64连接，滤波电路c54与加法电路c71连接构成。
微处理器a22通过A/D采集滤波电路a14输出端信号，经过放大滤波处理转换成磁通信号，经加法电路a16和电压电流转换电路a17转换成mA级电流信号，输入激励线圈111构成磁通的叠加，实现磁通反馈的参数调整。
含有磁场信息的电信号经放大电路a15、加法电路b16、电压电流转换电路b17转换为mA级电流信号，输入激励线圈311构成磁通门探头b31的电流激励；磁通门探头a11和磁通门探头c51的电流激励与磁通门探头b31一致。
磁通门检测探头是由激励线圈、感应线圈、无磁性材料骨架和磁芯组成，感应线圈112的输出级经由仪表放大器a12与积分电路a13连接，实现感应电动势到磁通量的转换。
传感器磁芯采用具有明显过阻尼双稳态非线性特性的软磁材料，传感器磁芯加工成高矩形比长方体和高长径比圆柱体。
传感器骨架无磁材料选自光敏树脂、PCB基料FR-4、ABS塑料或PVC材料中的任一种。
整形电路c72对输出模拟信号进行双阈值电压滞回比较，得到的是含有磁场信息的矩形信号。
有益效果：状态反馈式自激励磁通门传感器依据磁芯过阻尼双稳态非线性特性，在磁通耦合实现磁通门传感器自激励的基础上，基于状态反馈对于非线性耦合振荡特性的影响对磁通门传感器的工作状态进行调整，以此提高传感器的磁场检测灵敏度。仿真结果表明，通过对状态反馈参数的合理调整，可使磁通门传感器的灵敏度提高一个数量级以上。本发明制作的磁通门传感器与现有磁通门产品相比，不需要外界激励信号便可正常工作，使得磁通门传感器的性能不受激励信号发生装置稳定性及噪声的影响，有利于提高磁场检测的灵敏度和分辨力；与US7420366B1和US7528606B1公开的级联磁通门传感器相比，状态反馈式自激励磁通门传感器依据状态反馈对于磁通门传感器磁场测量范围及磁场检测灵敏度的影响规律，可方便地改变传感器磁场检测灵敏度和磁场检测范围，有利于实现超高灵敏度磁场检测和磁场实时检测；利用时间差检测方案对磁场进行检测，实现数字量输出与显示，为磁通门传感器数字化磁测量提供了基础。
附图说明：
图1状态反馈式自激励磁通门传感器结构图
图2磁通门探头结构示意图
图3高精度高速整形电路结构图
图4时间差检测方法示意图
图5传感器磁芯的高矩形比长方体结构图
图6传感器磁芯的高长径比圆柱体结构图
11磁通门检测探头a，12仪表放大器a，13积分电路a，14滤波电路a，15放大电路a，16加法电路a，17电压电流转换电路a，21A/D采集电路a，22微处理器a，23程控放大电路a，24程控滤波电路a，31磁通门检测探头b，32仪表放大器b，33积分电路b，34滤波电路b，35放大电路b，36加法电路b，37电压电流转换电路b，41A/D采集电路b，42微处理器b，43程控放大电路b，44程控滤波电路b，51磁通门检测探头c，52仪表放大器c，53积分电路c，54滤波电路c，55放大电路c，56加法电路c，57电压电流转换电路c，61A/D采集电路c，62微处理器c，63程控放大电路c，64程控滤波电路c，71加法电路，72整形电路，73FPGA计数单元，74数据显示与存储单元，
111探头激励线圈a，112探头感应线圈a，113探头无磁骨架a，114探头磁芯a，311探头激励线圈b，312探头感应线圈b，313探头无磁骨架b，314探头磁芯b，511探头激励线圈c，512探头感应线圈c，513探头无磁骨架c，514探头磁芯c，721电源正极，722电源地，723极性电容，724无极性电容，725电压基准芯片，726高速电压比较器，727精密电阻一，728精密电阻二，729精密电阻三。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：
状态反馈式自激励磁通门传感器，是由加法电路a16经电压电流转换电路a17、磁通门检测探头a11、仪表放大器a12、积分电路a13、滤波电路a14和放大电路a15与加法电路b36连接，滤波电路a14经程控放大电路a23和程控滤波电路a24与加法电路a16连接，滤波电路a14经A/D采集电路a21和微处理器a22与程控滤波电路a24连接，滤波电路a14与加法电路c71连接；加法电路b36经电压电流转换电路b37、磁通门检测探头b31、仪表放大器b32、积分电路b33、滤波电路b34和放大电路b35与加法电路c56连接，滤波电路b34经程控放大电路b43和程控滤波电路b44与加法电路b36连接，滤波电路b34经A/D采集电路b41和微处理器b42与程控滤波电路(44连接，滤波电路b34经加法电路c71、整形电路c72和FPGA计数单元c73与数据显示与存储单元c74连接；加法电路c56经电压电流转换电路c57、磁通门检测探头c51、仪表放大器c52、积分电路c53、滤波电路c54和放大电路c55与加法电路a16连接，滤波电路c54经程控放大电路c63和程控滤波电路c64与加法电路c56连接，滤波电路c54经A/D采集电路c61和微处理器c62与程控滤波电路c64连接，滤波电路c54与加法电路c71连接构成。
微处理器a22通过A/D采集滤波电路a14输出端信号，经过放大滤波处理转换成磁通信号，经加法电路a16和电压电流转换电路a17转换成mA级电流信号，输入激励线圈111构成磁通的叠加，实现磁通反馈的参数调整。
含有磁场信息的电信号经放大电路a15、加法电路b16、电压电流转换电路b17转换为mA级电流信号，输入激励线圈311构成磁通门探头b31的电流激励；磁通门探头a11和磁通门探头c51的电流激励与磁通门探头b31一致。
磁通门检测探头是由激励线圈、感应线圈、无磁性材料骨架和磁芯组成，感应线圈112的输出级经由仪表放大器a12与积分电路a13连接，实现感应电动势到磁通量的转换。
传感器磁芯采用具有明显过阻尼双稳态非线性特性的软磁材料，传感器磁芯加工成高矩形比长方体和高长径比圆柱体。
传感器骨架无磁材料选自光敏树脂、PCB基料FR-4、ABS塑料或PVC材料中的任一种。
整形电路c72对输出模拟信号进行双阈值电压滞回比较，得到的是含有磁场信息的矩形信号。
磁通门检测探头a11是由激励线圈111、感应线圈112、无磁性材料骨架113和磁芯114组成；磁通门检测探头b31是由激励线圈311、感应线圈312、无磁性材料骨架313和磁芯314组成；磁通门检测探头c51是由激励线圈511、感应线圈512、无磁性材料骨架513和磁芯514组成。
磁通门传感器的自激励通过磁通门之间的磁通耦合实现，状态反馈实现对磁通门传感器磁场检测灵敏度的调整。感应线圈112的输出级经由仪表放大器a12与积分电路a13连接实现感应电动势到磁通量的转换，积分电路a13经由滤波电路a14分别与放大电路a15、A/D采集电路a21和程控放大电路a23输入端连接，A/D采集电路a21与微处理器a22连接，微处理器a22与程控放大电路a23和程控滤波电路a24连接，程控滤波电路a24的输出端经由加法电路a16和电压电流转换电路a17与激励线圈111连接，实现磁通门的状态反馈控制，放大电路a15经由加法电路b36和电压电流转换电路b37与磁通门的激励线圈311连接，实现磁通门间的磁通耦合；感应线圈312的输出级经由仪表放大器b32与积分电路b33连接实现感应电动势到磁通量的转换，积分电路b33经由滤波电路b34分别与放大电路b 35、A/D采集电路b41和程控放大电路b43输入端连接，A/D采集电路b41与微处理器b42连接，微处理器b42与程控放大电路b43和程控滤波电路b44连接，程控滤波电路b44的输出端经由加法电路36b和电压电流转换电路b37与磁通门激励线圈311连接，实现磁通门的状态反馈控制，放大电路b35经由加法电路c56和电压电流转换电路c57与磁通门激励线圈511连接，实现磁通门之间的磁通耦合；感应线圈512的输出级经由仪表放大器c52与积分电路c53连接实现感应电动势到磁通量的转换，积分电路c53经由滤波电路c54分别与放大电路c55、A/D采集电路c61和程控放大电路c63输入端连接，A/D采集电路c61与微处理器c62连接，微处理器c62与程控放大电路c63和程控滤波电路c64连接，程控滤波电路c64的输出端经由加法电路c56和电压电流转换电路c57与磁通门激励线圈511连接，实现磁通门的状态反馈控制，放大电路c55经由加法电路a16和电压电流转换电路a17与磁通门激励线圈111连接，实现磁通门之间的磁通耦合。滤波电路a14、滤波电路b34和滤波电路c54的输出端同时与加法电路c71连接，加法电路c71经整形电路c72与FPGA计数单元c73连接实现时间差的计算，并经由数据显示和存储单元c74实现磁场信息的显示和存储。
当磁通耦合式激励自调整磁通门传感器轴向存在待测磁场时，实际激励磁芯的磁场为激励磁场与待测磁场之和，其含有的直流分量处于非对称状态，正向磁饱和状态与负向磁饱和状态之间存在时间差值。滤波电路a14、滤波电路b34和滤波电路c54的输出端同时与加法电路c71连接实现磁通合成，输出经整形电路c72整形成占空比不同的矩形波信号，送入FPGA计数单元c73采样计数，通过计算矩形波信号高电平与低电平持续时间的差值计算出待测磁场的大小。
实施例1
传感器的探头骨架由PCB基板FR-4材料搭建，磁芯采用软磁材料并加工成高矩形比的长方体结构。磁通门检测探头a11是由激励线圈111、感应线圈112、无磁性材料骨架113和磁芯114组成。
磁通门检测探头b31是由激励线圈311、感应线圈312、无磁性材料骨架313和磁芯314组成。
磁通门检测探头c51是由激励线圈511、感应线圈512、无磁性材料骨架513和磁芯514组成。
磁通门传感器的自激励通过磁通门之间的磁通耦合实现，状态反馈实现对磁通门传感器磁场检测灵敏度的调整。感应线圈112的输出级经由仪表放大器a12与积分电路a13连接实现感应电动势到磁通量的转换，积分电路a13经由滤波电路a14分别与放大电路a15、A/D采集电路a21和程控放大电路a23输入端连接，A/D采集电路a21与微处理器a22连接，微处理器a22与程控放大电路a23和程控滤波电路a24连接，程控滤波电路a24的输出端经由加法电路a16和电压电流转换电路a17与磁通门激励线圈111连接，实现磁通门传感器的状态反馈控制，放大电路a15经由加法电路b36和电压电流转换电路b37与磁通门激励线圈311连接，实现磁通门之间的磁通耦合；感应线圈312的输出级经由仪表放大器32与积分电路33连接实现感应电动势到磁通量的转换，积分电路b33经由滤波电路b34分别与放大电路b35、A/D采集电路b41和程控放大电路b43输入端连接，A/D采集电路b41与微处理器b42连接，微处理器b42与程控放大电路b43和程控滤波电路b44连接，程控滤波电路b44的输出端经由加法电路b36和电压电流转换电路b37与磁通门的激励线圈311连接，实现磁通门传感器的状态反馈控制，放大电路b35经由加法电路c56和电压电流转换电路c57与磁通门传感器激励线圈511连接，实现磁通门之间的磁通耦合；感应线圈512的输出级经由仪表放大器c52与积分电路c53连接实现感应电动势到磁通量的转换，积分电路c53经由滤波电路c54分别与放大电路c55、A/D采集电路c61和程控放大电路c63输入端连接，A/D采集电路c61与微处理器c62连接，微处理器c62与程控放大电路c63和程控滤波电路c64连接，程控滤波电路c64的输出端经由加法电路c56和电压电流转换电路c57与磁通门激励线圈511连接，实现磁通门传感器的状态反馈控制，放大电路c55经由加法电路a16和电压电流转换电路a17与磁通门激励线圈111连接，实现磁通门之间的磁通耦合。
滤波电路a14、滤波电路b34和滤波电路c54的输出端同时与加法电路c71连接，加法电路c71经整形电路c72与FPGA计数单元c73连接实现时间差的计算，并经由数据显示和存储单元c74实现磁场信息的显示和存储。
基于Ising模型对探头磁芯114、探头磁芯314和探头磁芯514进行建模，应用平均场理论得到状态反馈式自激励磁通门传感器的动力学模型如下：
其中，x1、x2、x3为归一化的磁芯磁感应强度，(·)代表对于时间的微分，c为与磁芯材料及温度相关的系统参数(c＞1)，Hx为外界磁场的大小，λ为磁通耦合系数，由放大电路a15、放大电路b35和放大电路c55决定，α为磁通自反馈系数。
传感器磁芯114、传感器磁芯314和传感器磁芯514均采用软磁材料做成带状结构，具有明显的过阻尼双稳态非线性特性，依据非线性系统的稳定性分析和分岔理论，得到：当磁通耦合系数λ小于某一临界值时，耦合磁通门系统会产生稳定的自激振荡，并且磁通自反馈系数α可以对耦合系统的自激振荡特性加以调整，以此实现磁通门传感器的自我激励；同时，根据外界磁场大小适当调整状态反馈控制参数，可使磁通门传感器的磁场检测灵敏度提高一个数量级以上。
当状态反馈式自激励磁通门传感器轴向存在待测磁场时，实际激励磁芯的磁场为激励磁场与待测磁场之和，其含有的直流分量处于非对称状态，正向磁饱和状态与负向磁饱和状态之间存在时间差值。滤波电路a14、滤波电路b34和滤波电路c54的输出端同时与加法电路c71连接实现磁通合成，输出经整形电路c72整形成占空比不同的矩形波信号，送入FPGA计数单元c73采样计数，通过计算矩形波信号高电平与低电平持续时间的差值计算出待测磁场的大小，并通过数据显示和存储单元c74实现磁场数据的显示与存储。
现根据状态反馈式自激励磁通门传感器的动力学模型对时间差与弱磁场对应关系进行具体计算。结合合成磁通量的理论波形，有如下关系成立，
得到：
则时间差可表示为
对于较小的Hx上是可以简化为
通过以上公式进行计算，即可得到状态反馈式自激励磁通门传感器轴向方向的外界弱磁场的大小。
实施例2
传感器的探头骨架由光敏树脂经3D打印机打印成型，磁芯采用软磁材料并加工成高长径比的圆柱体结构。磁通门检测探头a 11是由激励线圈111、感应线圈112、无磁性材料骨架113和磁芯114组成。磁通门检测探头b31是由激励线圈311、感应线圈312、无磁性材料骨架313和磁芯314组成。磁通门检测探头c51是由激励线圈511、感应线圈512、无磁性材料骨架513和磁芯514组成。
磁通门传感器的自激励通过磁通门之间的磁通耦合实现，状态反馈实现对磁通门传感器磁场检测灵敏度的调整。感应线圈112的输出级经由仪表放大器a12与积分电路a13连接实现感应电动势到磁通量的转换，积分电路a13经由滤波电路a14分别与放大电路a15、A/D采集电路a21和程控放大电路a23输入端连接，A/D采集电路a21与微处理器a22连接，微处理器a22与程控放大电路a23和程控滤波电路a24连接，程控滤波电路a24的输出端经由加法电路a16和电压电流转换电路a17与磁通门激励线圈111连接，实现磁通门传感器的状态反馈控制，放大电路a15经由加法电路b36和电压电流转换电路b37与磁通门b激励线圈311连接，实现磁通门b之间的磁通耦合；感应线圈312的输出级经由仪表放大器b32与积分电路b33连接实现感应电动势到磁通量的转换，积分电路b33经由滤波电路b34分别与放大电路b35、A/D采集电路b41和程控放大电路b43输入端连接，A/D采集电路b41与微处理器b42连接，微处理器b42与程控放大电路b43和程控滤波电路b44连接，程控滤波电路b44的输出端经由加法电路b36和电压电流转换电路b37与磁通门激励线圈311连接，实现磁通门传感器的状态反馈控制，放大电路b35经由加法电路c56和电压电流转换电路c57与磁通门激励线圈511连接，实现磁通门传感器之间的磁通耦合；感应线圈512的输出级经由仪表放大器c52与积分电路c53连接实现感应电动势到磁通量的转换，积分电路c53经由滤波电路c54分别与放大电路c55、A/D采集电路c61和程控放大电路c63输入端连接，A/D采集电路c61与微处理器c62连接，微处理器c62与程控放大电路c63和程控滤波电路c64连接，程控滤波电路c64的输出端经由加法电路c56和电压电流转换电路c57与磁通门激励线圈511连接，实现磁通门传感器的状态反馈控制，放大电路c55经由加法电路a16和电压电流转换电路a17与磁通门激励线圈111连接，实现磁通门传感器之间的磁通耦合。
滤波电路a14、滤波电路b34和滤波电路c54的输出端同时与加法电路c71连接，加法电路c71经整形电路c72与FPGA计数单元c73连接实现时间差的计算，并经由数据显示和存储单元c74实现磁场信息的显示和存储。
外界磁场的计算和实施例1相同，不再赘述。
Claims (6)
1.一种状态反馈式自激励磁通门传感器，其特征在于，是由加法电路a(16)经电压电流转换电路a(17)、磁通门检测探头a(11)、仪表放大器a(12)、积分电路a(13)、滤波电路a(14)和放大电路a(15)与加法电路b(36)连接，滤波电路a(14)经程控放大电路a(23)和程控滤波电路a(24)与加法电路a(16)连接，滤波电路a(14)经A/D采集电路a(21)和微处理器a(22)与程控滤波电路a(24)连接，滤波电路a(14)与加法电路c(71)连接；加法电路b(36)经电压电流转换电路b(37)、磁通门检测探头b(31)、仪表放大器b(32)、积分电路b(33)、滤波电路b(34)和放大电路b(35)与加法电路c(56)连接，滤波电路b(34)经程控放大电路b(43)和程控滤波电路b(44)与加法电路b(36)连接，滤波电路b(34)经A/D采集电路b(41)和微处理器b(42)与程控滤波电路b(44)连接，滤波电路b(34)经加法电路c(71)、整形电路c(72)和FPGA计数单元c(73)与数据显示与存储单元c(74)连接；加法电路c(56)经电压电流转换电路c(57)、磁通门检测探头c(51)、仪表放大器c(52)、积分电路c(53)、滤波电路c(54)和放大电路c(55)与加法电路a(16)连接，滤波电路c(54)经程控放大电路c(63)和程控滤波电路c(64)与加法电路c(56)连接，滤波电路c(54)经A/D采集电路c(61)和微处理器c(62)与程控滤波电路c(64)连接，滤波电路c(54)与加法电路c(71)连接构成。
2.按照权利要求1所述的状态反馈式自激励磁通门传感器，其特征在于，微处理器a(22)通过A/D采集滤波电路a(14)输出端信号，经过放大滤波处理转换成磁通信号，经加法电路a(16)和电压电流转换电路a(17)转换成mA级电流信号，输入激励线圈(111)构成磁通的叠加，实现磁通反馈的参数调整。
3.按照权利要求1所述的状态反馈式自激励磁通门传感器，其特征在于，含有磁场信息的电信号经放大电路a(15)、加法电路b(16)、电压电流转换电路b(17)转换为mA级电流信号，输入激励线圈(311)构成磁通门探头b(31)的电流激励；磁通门探头a(11)和磁通门探头c(51)的电流激励与磁通门探头b(31)一致。
4.按照权利要求1所述的状态反馈式自激励磁通门传感器，其特征在于，磁通门检测探头是由激励线圈、感应线圈、无磁性材料骨架和磁芯组成，感应线圈(112)的输出级经由仪表放大器a(12)与积分电路a(13)连接，实现感应电动势到磁通量的转换。
5.按照权利要求4所述的状态反馈式自激励磁通门传感器，其特征在于，传感器磁芯采用具有明显过阻尼双稳态非线性特性的软磁材料，传感器磁芯加工成高矩形比长方体或高长径比圆柱体。
6.按照权利要求4所述的状态反馈式自激励磁通门传感器，其特征在于，传感器骨架无磁材料选自光敏树脂、PCB基料FR-4、ABS塑料或PVC材料中的任一种。
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