磁通门磁强计工作原理及其应用
磁通门磁强计工作原理及其应用
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磁通门磁强计工作原理及其应用
何育林
(陕西宝成航空仪表有限责任公司,陕西宝鸡721006)
摘要:磁通门磁强计利用高导磁铁芯,在交替变饱和激励下,实现将微弱的直流磁场转变为交流电压输出以便测量。通过傅氏级数对磁通门磁强计及其探头工作原理进行推导,着重介绍其工作原理的实现过程及产品在工业生产中的应用。
关键词:磁通门磁强计;探头;磁场强度中图分类号:TM936《文献标识码:A文章编号:1000—8829(2008)S0—0269—03
“
£
PrincipleandApplication.ofFluxgate
l
Magnetometer
HEYu.1in
(ShanxiBaochengAviationInstrumentLtd.,Co,Bali721006,China)
Abstract:Onthecondition
core
can
ofalternatesaturated
stimulation,fluxgatemagnetometerusing
a
high
magneto—conductivity
transfer
weakDC
magneticfieldtoACvoltage.Theprincipleoffluxgate
magnetometeranditsprobe
are
introducedbyFourierSeries.Theprocessofrealizingprinciple
are
and
the
applicationofproductsinindustry
presentedmainly・
density
.
Keywords:fluxgate
magnetometer;probe;magnetic
磁通门磁强计具有测量灵敏度高,携带方便等优点,被广泛应用于军工企业测量弱磁场。磁通门磁强计是利用高导磁铁芯,在饱和交变激励下选通调制铁芯中直流磁场成分,将直流磁场转变为交流电压信号,从而完成对弱小直流磁场的测量。选用不同测量探头可测量均匀直流磁场(场强)及梯度(场差)磁场,还可用于检测弱磁材料的磁导率。
1仪器原理方框图
图1磁通门磁强计原理结构方框图
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仪器原理方框图如图1,振荡器输出经分频后,一路经功率放大后送到探头初级绕组提供激励电流,使探头铁芯饱和磁化,另一路信号(频率是激磁频率的2倍)经过移相后作为相敏检波器解调用。探头在被测磁场作用下,次级输出信号经选频放大器选出二次谐波电压进行放大,之后送到相敏检器解调输出,经A/D转换及数据处理后送给显示器。
仪器内部提供一个校准信号,用于校准仪器。
磁通门磁强计是利用高导磁率铁芯,在交变饱和激励下,选通调制铁芯中的直流磁场,实现将微弱的直流磁场转变为交流电压输出以备测试。
2磁通门探头工作原理
磁通门探头采用一对线圈构成敏感元件,两个线圈上各绕有初级绕组nl、Hi'以及次级绕组n2、n27,在各个线圈中插有高导磁材料铁芯,探头线圈绕法见图
2。
收稿日期:2008—04前
作者简介:何育林(195江),男,陕西西安人,工程师,中专,
主要从事电磁实验研究工作.
对于经过热处理的高导磁软磁合金,矫顽力珥很
小,为了简化分析将磁滞回线用3段折线表示,如图3
・270・
所示。
图2探头形状于绕组方法
坍
丌局
H
J
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图3三段折线磁滞回线
铁芯在恒定磁场作用下,次级绕组是不能产生感应电势的,因为铁芯中只能形成一个恒定的磁通。在初级绕组中加一个激励交流电压(正弦波),则初级绕组中的电流在铁芯上加了一个饱和磁化场B,铁芯预磁化后导磁率是随时间变化的,此时外加恒定外场,在铁芯中所产生的磁通多再不是恒定值。根据电磁感应定律,次级绕组n2、n2,中将产生与外磁场成正比的感应电势眈。2.1无外磁场作用下探头的工作原理
Ho=0时,如图4(a)表示激励电压波形和磁滞回线,
其中%表示激励磁场强度幅值,皿是饱和磁场强度;
图4(b)表示典型的磁化曲线,其中西l、西1’分别表示铁芯l、2在激励磁场作用下产生的交变磁通;该交变磁通分别在其两个次级产生的感应电势e2l、e22。两个次级绕组串联正接后e2l、e22相叠加,由于e2l、e22幅值相等,相位相差1800得到的次级输出已2=0。通过图4以及分析可以看出,在外磁场H0=---0时,咖I与谚1’大小
相等,相位相反,合磁通∑啦0,所以次级输出e2=0,
仪器没有输出。
2.2有外磁场作用下探头的工作原理
当H090时,如图5所示,这时在疡的作用下,
激磁工作点被偏移,图5(a)表示被偏置的激励波形;图5(b)表示在被偏置的激励磁化场作用下,分别在铁芯l、2中产生的磁通多l、多l7,由于工作点偏离原点而移至A点,所以西l、西l’的波形随之发生变化。上部
《测控技术》2008年第27卷增刊
由于受饱和磁化场影响,从而引起上部的幅值变小;下部幅值变大,形成了上下不对称的波形,此时合成
磁通Eq-C0,探头次级有信号输出。
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图4无外磁场作用下交变饱和激励铁芯的感应电势
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(a)
(b)
图5有外磁场作用下交变饱和激励铁芯的感应电势
从图5中可以看出,在一个激励周波时期内包含两个次级感应电势的周期,即次级输出电势的频率是激磁频率的两倍。激励电压波形是正弦,次级感应电
压波形是尖脉冲波。
一
由于凰的存在,在一个单铁芯内部产生磁感应,
如果单铁芯的横截面积是A,则绕有Ⅳ匝的测量线圈的感应电势为
P:一ⅣA竺
出
(1)
测量线圈中的感应电势可以看作是两个单铁芯内
部感应电势的和,即曰=掳f,其中鼠是单铁芯内部产
磁通门磁强计工作原理及其应用
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告望磁感应。对于测量较小的外磁场凰,岛与凰成正蝻
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(11)
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用同样的方法计算出e22=o。因此,最后可以得出探头的次级输出电压为
乞=16fNAHo,u,。sin(rd/,/H。)
(12)
3磁通门探头灵敏度
由上述推导可见,探头输出电压的二次谐波的幅值与被测得磁场成正比。
探头灵敏度尺为
R=导=16.fNA,ud,sin(rd-/,/H。)
(13)
/-/0
由式(13)可以看出,探头的灵敏度与激磁频率厂、
铁芯截面积A、测量线圈的匝数Ⅳ以及铁芯的表观磁导率∥。成正比。为了有效提高仪器测量灵敏度,不能单方面考虑提高激磁频率.厂、铁芯截面积A。从铁磁学的角度来看,铁芯的涡流损耗与频率,和铁芯的横截面积A成正比,提高激磁频率.厂及铁芯的横截面积A,可能会使铁芯中涡流损耗急剧增加,导致铁芯的表观磁导率口。大幅下降,反而会降低探头测量灵敏度。为了有效提高探头灵敏度,频率^铁芯的横截面积A应综合考虑,使fANa乘积达到最大。
影响磁通门磁强计测量精度的因素多种多样,非常复杂。由于实际的磁通门探头要比上述的模型复杂很多,除了要考虑以上因素对探头灵敏度的影响外,还要照顾到这些因素之间的相互作用和其他参数的影响等。激励振荡器的频率或滤波器等选频环节中心频率的变化会引起探头灵敏度的变化。由于频率的变化会使探头输出各谐波分量变化,因此频率的稳定性是探头工作的重要保证。
4磁通门磁强计在工业中的应用
从探头铁芯结构可以分为闭路铁芯和开路铁芯,闭路铁芯探头测量灵敏度高,对测量环境要求严,适用于科研单位使用;开路铁芯测量灵敏度较低,适用于军工企业测量弱小磁场用。
磁通门磁强计探头通过不同连接还可以实现测量均匀直流磁场(场强)、梯度(场差)磁场,还可用于
检测弱磁材料的导磁率。
(下转第274页)
・274・
⑨点击“defaultproperties”按钮,设置“default
Authentication
level”为“None”;
④打开“Application”页面,选择“Tektronix
TLA
ApplicationServer”;
⑤双击“properties”按钮,进入“properties”界面,选择“defaultAuthenticationlevel”;为“None”
⑥点击“Location”按钮,选择“Runapplication
on
thiscomputer”;
⑦点击“Security”按钮,选择“Usecustomaccess
Permissions”并点击“Edit”按钮,设置为“Everyone”访问权限;选择“UsecustomlaunchPermissions”并点击“Edit”按钮,设置为“Everyone”访问权限;
⑧点击“Identity”按钮,选择“Interactiveuser”。控制计算机(客户机)的设置(此为操作系统是WindowsXP设置,其他操作系统可参照此设置):
①安装并配置TCP/IP,安装rnAapplication
softwareCD中的TPIclicentSW(TPI客户端软件);
②选择“Share.1evelaccess(共享访问级别)”或
“User。level
access(用户访问级别)”;③在程序中的“运行”里,运行“dcomcnfg.exe”;④进入“组件服务”界面,打开“组件服务”文件夹一打开“计算机”文件夹一打开“我的电脑”文件夹一打开“DCOM配置”文件夹一选中“TektronixⅡAapplication”一点击鼠标右键,选中属性进入“TektronixTLA
application属性界面”,身份验证级别
设为“无”;点击“位置”按钮,选择在“Tektronix”计算机上运行程序;点击“安全”按钮,“启动和激活权限”使用默认值(计算机默认值为“管理员”),.“访问权限”使用自定义,设为“Everyone”;“配置权限”
使用自定义,设为“管理员”。
2.3
TPI连接测试
设置完成后,直接运行TLA系列逻辑分析仪随机
带的用VC++编写的“testclient”程序,如果设置正确,将出现以下成功的对话框,否则必须重新正确设置。
2.4编程指令简介
下面是用VB6.0对变量进行定义和对函数进行调用的语句,若用其他编程语言可参照此进行。
DimAppAsObjectDimSystemAsObjectDimLAAsObjectDimStatusAsLongDimSlotAs
Long
DimBytesPerSarnpleAs
Long
连接服务器:
Set
App=CreateObject(”TLA700.Application”)《测控技术》2008年第27卷增刊
调用系统:SetSystem=App.GetSystem
通过以下路径加载系统(<path>的内容为预存的系统文件的路径,如:“c:kmyktocuments\system.tla'’):
System.LoadSystem”<path>”
设置LA模块槽号(n为LA模块槽号):Set
LA=
System.GetModuleBySlot(n)
设置通道组名称和内容:LA.SetChannelGroup
”duliang”,”1)2(7—0),D3(7—0)”
删除通道组A3"LA.DeleteChannelGroup”A3”
调用运行函数运行系统:Run()
调用读数据函数:GetData()调用显示数据函数:ShowData()
在实际控制中,只要在逻辑分析仪的某个路径中存储一定量的测试状态或系统设置,控制时只需调用系统设置并读取数据,可以大大简化编程任务。3
结束语
随着逻辑分析仪的不断发展和功能的逐渐增多,
对逻辑分析仪的控制技术的要求也越来越高。TLA系
列逻辑分析仪的控制方式也由最初的TPI发展为今天的TPI.NET,为用户提供更多的TLA系统设置、模块
设置和模块触发等控制功能,对使用者和控制者提出了更高的要求。参考文献:
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口
(上接第271页)
磁通门磁强计在工业中典型应用:
①观察地球磁场各个分量的磁场分布情况。
②在工厂与科研单位中,可用于某些特定空间磁场强度和磁场扰动的测量,如某些精密仪器安装环境
的测定,人工子午线的测量等。
⑨可对设备仪器的磁屏蔽效果进行测量。
④可测量弱磁材料的导磁率,以区分磁场材料的抗磁性。
⑤用场差探头可检测零件退磁效果(如磁力探伤后零件的检查),以及测量仪器仪表及电器设备对外部
空间的漏磁大小。
⑥用于工业测量小矫顽力材料指零用。
口
磁通门磁强计工作原理及其应用
作者:作者单位:
何育林
陕西宝成航空仪表有限责任公司,陕西 宝鸡 721006
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