精密测量直流大电流的自激振荡磁通门法研究

基于磁通门技术的直流漏电流检测方法及实现摘要：随着科技的日益发展和提高，直流电源系统变成了工业生产现场当中至关重要的动力设备。

如果直流系统接地点发生了故障，不能及时有效加以消除的话，很可能会造成严重人身事故甚至引发特别重大的电力事故，使国民经济出现一定的经济损失。

而磁通门技术则是一个可以检测弱磁的技术，不但可以对毫安级的直流漏电系统提供相应的技术支持，进行直流漏电流测量，还能够对直流系统接地情况进行实时的监控，如果出现问题可以准确地准确地定位到故障点，另外，磁通门技术的经济性也是相当高的，特别它所具有的微型化和简单安全的特性，这种优势使磁通门技术相关产品在市场当中具有良好的使用发展前景。

关键词：磁通门技术；直流漏电流；检测方法目前直流系统检测过程当中还存在着相应的问题，这些问题不仅不利于用电安全，还会对经济造成一定的损失。

而磁通门技术的发展则能够为直流漏电流检测提供相应的技术支持与帮助，还能使直流漏电流的检测范围降低至毫安级内，提高故障点检测的精准度。

因此，磁通门技术在工业现场作业环境当中运用是十分广泛的。

除此之外，磁通门技术也具有微型化与简便安全的优点，具有良好的使用和发展前景。

一．基于磁通门的直流漏电流检测的概念与原理1.1磁通门技术的概念磁通门技术来源于一种磁通门现象，这个现象的根源也就是电磁感应理论，是一个能够对微弱磁场做出精确测量的技术。

磁通门是运用磁性饱和现象来进行设计的，因此，可以有效地去对被检测磁场实现磁调制，并将其转变为感应电动式来进行输出，利用这种方法可以有效地有效地完成磁场到电场之间的转化，若是将这种方法应用于测量电参数时，则是对电场到磁场、磁场到电场之间的转化过程。

这个过程当中可以完成对信号的隔离，因此从这个角度来进行分析，磁通门技术也是一个隔离技术。

1.2直流漏电流检测的原理磁通门式的直流漏电流测量技术是实现将电场转换为磁场，再由磁场转换为电场的一种隔离式检测，非常适合在有绝缘条件要求的场合。

直流检测的原理及方法目录直流检测的原理及方法 (1)1.直接式测量 (1)2.非直接式测量 (2)2.1.霍尔传感器 (2)2.2.直流电流互感器 (5)2.3.电流比较仪 (8)3.总结 (9)测量电流的方法一般分为直接式和飞直接式两种。

直接式一般通过串联电阻进行，根据欧姆定律电流的大小和电压成正比，因此可以测量一个小电阻的电压差得到所经过电流的大小。

非直接式测量一般通过监控电流产生的磁场得到，由于电流周围本身会产生磁场，电流的大小和它自身产生的磁场成正比，因此可以通过测量磁场的大小得到经过电流的大小。

比较：直接式用于电压不高，电流相对较小的情况；非直接式不带有任何导电关系，可用于电压较高，电流较大的情况。

1.直接式测量如前所述，直接式测量一般都是通过测量串接在电路中电阻两端的电压信号来计算得到所测的电流的大小，测量电流的上限一般为十几安培。

直接得到的电信号是模拟信号，一般都比较微弱，还会外接放大电路将信号放大，再通过A/D 转换电路将其转换为数字信号。

这一类电流传感器对串接的测量电阻和外接的信号放大电路有一定的要求。

首先，这一电阻要有较高的精度和较好的温漂特性。

测量电阻的电阻值在一定的环境下是不变的，可以通过使用一些较好的测量仪器及较先进的测量方法得到所需的精度要求；但是温度漂移不可预测，补偿也比较困难。

因此，对于电流传感器而已，温漂特性是最应该关注的问题之一。

如：一个电阻R=1mΩ，精度为1%，电阻的温漂系数TCR=±200ppm/℃，当输出电流I=33A，输出功率P=1W；当I=45A 时输出功率P=2W，这种情况下电阻温度会有所改变。

假设温度漂移是75℃，如果TCR=20 ppm/℃，输出精度改变=（75℃）×（20 ppm/℃）×（0.0001%/ppm）=0.15%；如果是普通电阻，温漂特性达800ppm/℃，则输出精度改变=（75℃）×（800ppm/℃）×（0.0001%/ppm）=6%，可见，传感器中电阻的温漂系数对测量精度影响还是比较大的，要尽可能地选电阻温度系数小的材料。

摘 要磁通门磁力计是一种基于软磁材料磁化饱和时的非线性特性而工作的一种磁力计，用以精确测量大小为10-3T 以下的稳定或者低频交变的磁场，其应用范围涉及空间探索和地球物理等的许多领域。

本文分析了磁通门传感器的工作原理以及磁通门磁力计的结构,利用数值分析的手段，形象地分析了磁通门的工作原理，并完成了开环和闭环的磁通门磁力计的原理样机的设计与制作，其中闭环采用PID 数字控制补偿待测场。

磁通门传感器由用金属玻璃带VITROVAC6025作铁芯材料、卷绕形成环形铁芯而成。

激励信号周期为64s µ，采用二次谐波检测的方法进行信号检测。

在此基础上完成了原理样机的定标方案设计和一维磁通门磁力计的测试。

用16位的A/D 转换器进行数据采集，在山洞实验室环境内开环测量结果表明，该原理样机开环分辨率达到115.6810T −×，线性测量范围为7110T −×。

闭环磁通门磁力计实现了分辨率为5×10-10T，线性测量范围达到3.3×10-5T 的磁场测量。

用研制的磁力计进行了初步的地磁场测量应用，在对华中科技大学引力实验室山洞中东西方向进行了400小时的地磁场观测，结果表明地磁场存在着半日波动，日变化约为12nT。

本磁力计还可以用于飞行器、卫星等其他领域。

关键字：磁通门传感器，磁通门磁力计，磁场测量，相关检测，软磁材料AbstractFluxgate magnetometers (FGM) are vector devices which can measure DC or low-frequency AC magnetic fields in the range up to 1mT by utilizing the non-linearity characteristics of the soft magnetic material core when it is saturated. Now FGM technology is used in many fields, from space exploration to geophysics etc.Both the construction and principle of the fluxgate sensors are introduced in detail in this paper. Especially, we visualize the operation principle of the fluxgate sensors by numerical simulation. Meanwhile, we test the second-harmonic fluxgate magnetometer in open-loop and closed-loop situation. A metallic glass ribbon of composition VITROV AC6025 is chosen here as the magnetic ring-core and we use 64s µ square waveform as the excitation signal. A 16bit AD converted used in testing experiment. Experimental results in our own laboratory of the one dimension open-loop fluxgate magnetometer show that its resolution comes to about 115.6810T −× with a linear dynamic of about 7110T −×. Meanwhile the closed-loop magnetometer has been studied .The detected magnetic field was compensated by numerically controlled PID. In this situation, the resolution of the fluxgate magnetometer comes to about 0.5nT with a linear dynamic of about -53.310T ×.The one dimension fluxgate magnetometer has been used to measure the ground magnetic field of our laboratory about 400 hours long. We observed semidiurnal the ground magnetic field oscillation, and the result shows ground magnetic changed approximately down to 12nT daily in our laboratory.This fluxgate magnetometer can also be used in the aerobat, satellite and some other important areas.Key words: fluxgate sensor; fluxgate magnetometer; measuring magnetic field; lock-in measurement; soft-magnetic material.独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

磁通门测磁场流程
哎呀，各位看官，今儿咱来摆摆龙门阵，聊聊这磁通门测磁场的事儿。

咱先用咱四川话儿给大家铺个底儿：
说起这磁通门测磁场啊，那就得先说说它那精细的流程。

先是要准备工具，就像咱们做饭要先备齐材料一样。

然后，就得找准地方，找个磁场平稳的地儿，就像咱们找块风水宝地儿建房子似的。

再然后，就得开始测量了，那可得小心翼翼，就像咱们捏个豆腐花儿一样，稍微一使劲儿就破了。

咱们再来用贵州话儿给大家说说：
测磁场这事儿啊，其实也不难，就是要细心。

你得按照步骤来，不能乱来。

先检查设备，再找准位置，然后开始测量。

测量的时候，手不能抖，心不能慌，要不然就测不准了。

咱们再换陕西方言给大家道道：
这磁通门测磁场啊，得按规矩来。

先检查家伙事儿，再找个好地方，然后开始干活儿。

干活儿的时候，得稳稳当当的，不能毛毛躁躁的，要不然就白忙活了。

最后咱们用北京话儿给大家总结总结：
总的来说啊，这磁通门测磁场就是个技术活儿，得按照科学的流程来。

先检查设备，确保没问题；再找个合适的地点，保证测量的准确性；然后开始测量，这时候就得心细手稳了。

这样一套流程下来，咱们就能得到准确的磁场数据了。

哎，各位看官，今儿咱就聊到这儿了。

这磁通门测磁场的流程啊，说起来简单，做起来可得细心。

咱们得按照科学的步骤来，才能得出准确的结果。

希望今儿咱聊的能让大家有个明白的了解，下次再见啦！。

基于磁通门原理的高精度电流传感器的研制【摘要】分析了磁通门式电流传感器的原理。

该电流传感器由晶振产生方波驱动磁芯，改善了传统RC模拟激磁电路的稳定性问题；用结构更加简单的峰值检波电路取代传统复杂的谐波法电路，简化了电路设计，并降低了系统功耗；实验结果表明，该电流传感器实现了预期功能，性价比较高，具有良好的推广价值。

【关键词】磁通门；峰值检波；电流传感器1.引言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。

2.磁通门原理与电流传感器系统组成2.1 磁通门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。

本文采用现有技术中结构简单应用较广泛的一种单绕组磁通门。

环形磁芯上绕有线圈，此绕组即作为激励绕组又作为测量绕组。

所测电流从磁环中间穿过。

如图1所示。

一般磁性材料都有S形状曲线的特性，称之为磁滞回路（hysteresis loop），如图2所示。

此磁滞回路曲线建立在B-H的坐标轴上，为磁性材料遭受完全磁化与非磁化周期，下图所示为典型磁滞曲线的铁心，如果曲线由a点开始，此点表示最大正磁化力，至b点磁化力为零，然后下降至c点为最大负磁化力，再至d点磁化力为零，最后返回最大正磁化力的a点，此即为整个磁性周期。

磁通门测量磁场的工作原理一、磁通门结构磁通门主要由两个磁环组成，称为主磁环和探测磁环。

主磁环是一个环形磁芯，内部绕有分别与其匹配的两个线圈，分别为激励线圈和探测线圈。

探测磁环则是一个绕在主磁环外的环形磁芯，内部也绕有同样的两个线圈，但与主磁环的线圈相比，其线圈的匝数一般要少一些。

二、磁通门原理磁通门的测量原理基于磁滞回线的特性，即磁场由强逐渐增强至极大值再逐渐减小至零值时，磁性材料内部所含磁通量的变化过程。

当这个过程呈现出饱和状态时，磁通量存在一个极大值。

根据法拉第电磁感应定律，当外加的交变磁场通过磁通门时，会在其内部诱发探测线圈中的感应电动势信号。

三、磁通门工作过程在实际使用过程中，磁通门测量磁场一般采用“对差式”的方法，即在一个磁通门上设置两个探测线圈，分别位于主磁环两端，探测线圈间的信号进行差分运算后输出。

当磁通门中没有外加磁场时，其两个探测线圈的输出信号应当相等，称为零基准状态。

如果有外加磁场，由于磁通门内磁性材料中的磁滞效应，会导致探测磁环中的磁通量发生变化，从而引起探测线圈的感应电动势信号的不同。

这种不同的信号将被检测器采集并放大，形成输出信号，经过处理和转换后得到磁场的强度。

四、总结磁通门测量磁场的工作原理基本上是基于磁性材料磁滞回线的磁通量变化特性。

它利用磁通门内部磁性材料由于外加磁场而产生的磁滞效应，通过差分探测线圈的信号，实现了高精度的磁场测量。

在实际应用中，磁通门具有体积小、重量轻、功耗低、响应快、抗干扰能力强等优点，因此被广泛应用于磁场测量的诸多领域，如磁力计、环境磁场测量、地球物理勘探、地磁场测量等。

磁通门是一种非常灵敏的磁场传感器，具有高精度和低成本等优点，使得它被广泛应用于科研、工业领域和日常生活中。

下面我们将介绍该传感器在不同领域的应用。

1. 磁力计磁通门可以用作磁力计来测量物体的磁场。

在无线充电器、手机和平板电脑等设备中，磁通门常常被用作磁力计来测量设备的方向和运动。

磁通门磁力仪原理磁通门磁力仪是一种用于测量磁场强度的仪器。

它基于磁通门原理，利用磁场的感应电动势来间接测量磁场强度。

其原理是根据法拉第电磁感应定律，当导体在磁场中运动时，会产生感应电动势。

磁通门磁力仪通过测量感应电动势的大小，计算出磁场的强度。

磁通门是磁导材料制成的闭合形状，它被放置在待测磁场中。

当待测磁场通过磁通门时，磁通门内部的磁通量会发生变化。

磁通门线圈是一根绕在磁通门上的线圈，它通过外部交流电源提供电流。

当电流通过线圈时，会在磁通门内产生一个较强的磁场，使磁通门处于饱和状态，从而使感应电动势的变化与待测磁场的强度成正比。

感应线圈是一个会感应到磁通门内磁场变化的线圈。

当磁通门内的磁通量发生变化时，感应线圈中就会产生感应电动势。

检测电路用于测量感应线圈中的感应电动势，并转换为磁场强度的数值。

检测电路一般包括放大器、滤波器和数字显示装置等。

放大器用于放大感应电动势的信号，以便更好地测量磁场强度。

滤波器用于滤除杂散信号，保证测量结果的准确性。

数字显示装置用于显示磁场强度的数值。

1.将磁通门磁力仪放置在待测磁场中，使磁通门受到待测磁场的作用。

2.打开电源，使电流通过磁通门线圈产生磁场，使磁通门饱和。

3.磁通门内磁通量发生变化，感应线圈中产生感应电动势。

4.感应电动势通过检测电路进行处理，经过放大和滤波后，转换为磁场强度的数值。

5.数字显示装置显示出磁场强度的数值。

1.测量范围广：磁通门磁力仪可以测量较大范围内的磁场强度。

2.精度高：磁通门磁力仪具有较高的测量精度，能够满足精密测量的需求。

3.响应速度快：磁通门磁力仪可以在较短的时间内快速响应磁场变化，适用于动态测量。

4.结构简单：磁通门磁力仪结构简单、操作方便，适用于各种环境和场合。

5.不受外界磁场干扰：磁通门磁力仪可以通过合理设计，减小外界磁场对测量结果的影响，提高测量精度。

总之，磁通门磁力仪基于磁通门原理，通过测量感应电动势来间接测量磁场强度。

一种自激型磁通门电流传感器的制作方法
自激型磁通门电流传感器的制作方法主要包括以下步骤：
1. 设计传感器结构：根据需求和性能要求，设计传感器的整体结构，包括磁芯、绕组、信号处理电路等部分。

2. 选取合适的磁芯材料：选择具有高磁导率、低磁滞、低矫顽力的磁性材料作为磁芯，如铁氧体、钕铁硼等。

3. 绕制绕组：在磁芯上绕制适当的绕组，一般采用高导电率的铜线或者银线，按照设计好的匝数和线径进行绕制。

4. 制作信号处理电路：根据传感器的输出信号特点，设计信号处理电路，包括放大器、滤波器、解调器等部分，用于提取有效信号并进行处理。

5. 集成与测试：将绕组和信号处理电路集成在一起，并进行性能测试，检查传感器的各项指标是否符合设计要求。

6. 优化与改进：根据测试结果，对传感器进行优化和改进，以提高性能和稳定性。

需要注意的是，具体的制作方法可能因应用需求、材料选择、工艺条件等因素而有所不同。

在实际制作过程中，需要根据具体情况进行适当的调整和改进。

磁通门自激振荡不平衡
磁通门自激振荡不平衡是一种常见的电子学问题，可能导致不稳定的振荡或无法维持自激振荡。

磁通门是一种磁传感器，其工作原理是通过测量穿过磁芯的磁通量来测量磁场强度。

在磁通门自激振荡中，振荡电路的振荡频率与磁通门的磁化频率相同或相近，导致振荡信号不断加强并持续振荡。

当磁通门自激振荡不平衡时，振荡信号的幅度可能会不断减小，导致无法维持自激振荡。

这可能是由于以下原因引起的：
1.电路元件参数不匹配：如果电路中的电阻、电容、电感等元件的参数不匹配，可能会导致振荡信号逐渐减弱或消失。

2.磁芯磁饱和：当磁场强度过高时，磁芯可能会达到饱和状态，导致磁通量无法继续增加，进而导致振荡信号逐渐减弱或消失。

3.反馈信号不正确：如果振荡电路中的反馈信号不正确，可能会导致振荡信号逐渐失真或消失。

为了解决磁通门自激振荡不平衡的问题，可以采取以下措施：
1.检查电路元件参数是否匹配，如果不匹配则需要进行调整。

2.调整磁芯的磁化频率，使其与振荡电路的频率相近或相同。

3.检查反馈信号是否正确，如果不正确则需要进行调整。

4.在振荡电路中添加适当的滤波器，以减少外部干扰对振荡信号的影响。

5.在振荡电路中添加适当的放大器，以增强振荡信号的幅度。