高灵敏度环形磁通门传感器的研究与设计

基于磁通门效应的非晶丝弱磁传感器李文涛;王世伟;孙广杰;孙晓华;赵军【摘要】研制钴基非晶态合金丝制成的环形磁芯三绕组磁场传感器,缩小现有磁场传感器尺寸,提高传感器探头测量灵敏度和输出信噪比.采用旋转水纺法制备淬态非晶丝,经过电流退火工艺处理后作为传感器磁芯材料,利用环形三对称磁通门磁芯结构,有效地减小磁芯材料不均匀造成的测量误差,提高探头的信噪比.通过单片机、信号发生电路、相敏滤波电路等环节的集成构成传感器测试系统,提高传感器的测量精度和稳定度.试验结果表明传感器探头灵敏度达到了设计要求.【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2014(000)002【总页数】3页(P1-3)【关键词】磁通门;非晶丝;环形磁芯;相敏检波;弱磁传感器【作者】李文涛;王世伟;孙广杰;孙晓华;赵军【作者单位】内蒙古科技大学信息工程学院,内蒙古包头014010;内蒙古科技大学信息工程学院,内蒙古包头014010;包头稀土研究院,内蒙古包头014030;包头稀土研究院,内蒙古包头014030;包头稀土研究院,内蒙古包头014030;包头稀土研究院,内蒙古包头014030【正文语种】中文【中图分类】TM936.20 引言磁通门传感器是指利用被测磁场中高导磁铁芯在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度与被测磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的一种磁场传感器。

与其他类型磁传感器相比，具有分辨率高(可达10-11 T)，测量弱磁场范围宽(0～10-8 T)，能够直接测量磁场的分量和适于在高速运动系统中使用等特点。

在诸多类型的磁场测量传感器中，磁通门是综合性能最好的一种[1-2]。

1 磁通门传感器的基本工作原理磁通门传感器对弱磁场测量十分有效，它具有很高的分辨力和良好的方向性，可将环境磁场物理量转化为相应的电势信号，从而实现对磁场的测量。

磁通门传感器是利用铁磁材料的各向异性磁电阻效应制作的一种能够测量磁场大小和方向的传感器。

当磁芯处于周期性过饱和工作状态时，感应电势中就会出现随环境磁场强度而变的偶次谐波分量。

多磁环磁通门传感器原理理论说明1. 引言1.1 概述多磁环磁通门传感器是一种常用于测量磁场强度的传感器，其工作原理基于多个磁环的特性。

利用这些特性，传感器能够准确地测量电流通过的导线或电缆所产生的磁场强度。

1.2 文章结构本文将从多个方面详细介绍多磁环磁通门传感器的原理、优势以及制备工艺等内容。

首先，我们将对传感器的原理进行介绍，包括其工作方式和相关的物理原理。

然后，我们将重点讨论多磁环材料选择与设计，并解释不同材料对传感器性能的影响。

接下来，我们将探讨磁场测量方法与原理，解释如何通过测量电流产生的磁场来确定其强度。

1.3 目的本文旨在全面了解多磁环磁通门传感器的工作原理和应用优势，并提供相关制备工艺和注意事项。

通过深入了解这一技术，读者可以更好地应用该传感器进行实际工程项目中的测量任务，并为未来该技术的发展提供参考和展望。

以上是“1. 引言”部分的内容，按照要求使用普通文本格式进行回答。

2. 多磁环磁通门传感器原理2.1 传感器原理介绍多磁环磁通门传感器是一种常见的磁场测量装置，它主要基于闭合铁心中磁通与外加电流之间的关系。

传感器内部包含多个磁环，这些磁环通过金属铁心连接成一个闭合回路。

当通入电流时，产生的漩涡电流会改变金属铁心周围的磁场分布，进而影响到通过磁环中的总磁通。

2.2 磁环材料选择与设计在多磁环磁通门传感器中，选择合适的材料对于传感器性能具有重要影响。

由于不同材料对于漩涡电流和渗透深度有不同的响应特性，需要根据实际需求来选择合适的材料。

另外，在设计过程中还需要考虑到金属铁心以及各个磁环之间的长度、直径等参数对于传感器灵敏度和稳定性所造成的影响。

2.3 磁场测量方法与原理说明多磁环磁通门传感器主要依靠测量通过闭合回路磁通的变化来实现对磁场的测量。

当外加磁场作用下，随着金属铁心周围磁场强度的变化，闭合回路中的总磁通也会相应发生改变。

通过测量磁环中总磁通的变化，可以得到外加磁场的强度值。

磁通门传感器专利技术分析刘钰薇;戴文韫【摘要】磁通门传感器是用来测试弱磁场大小和方向的设备.近几十年来,随着社会发展和科技进步,磁通门传感器取得了快速发展.本文以磁通门传感器的专利申请作为分析对象,重点研究并分析了磁通门传感器的技术分支,以及全球及中国范围内关于磁通门传感器的专利申请态势、重要申请人等信息,从而能够从专利角度更好地了解磁通门传感器的知识.【期刊名称】《河南科技》【年(卷),期】2018(000)012【总页数】3页(P36-38)【关键词】磁通门传感器;弱磁场;磁强计;专利【作者】刘钰薇;戴文韫【作者单位】国家知识产权局专利局专利审查协作四川中心,四川成都 610213;国家知识产权局专利局专利审查协作四川中心,四川成都 610213【正文语种】中文【中图分类】TP212.1磁通门传感器是用来敏感弱磁场大小和方向的设备，在室温下某些设计优良的设备分辨力能够达到0.1nT。

磁通门技术在磁场测量领域具有诸多实用性，比如，空间测量、地理勘探与绘制、无损检测和各种军事应用，而磁通门技术在免疫分析技术中，能够与超导量子干涉仪相媲美，它甚至具有更高分辨力（低于0.1nT）。

本文在中国专利检索系统文摘数据库（CPRSABS）和德温特世界专利数据（DWPI）中结合关键词和分类号对“磁通门传感器”技术领域的专利文献进行检索和分析[1]。

1 技术分解通过检索并结合磁通门传感器的技术进行统计分析，确定了如下的技术分解表，其中数量是指该分支在中国专利检索系统文摘数据库（CPRSABS）和德温特世界专利数据（DWPI）中的专利数量。

2 申请态势本文在CNABS和DWPI数据库对磁通门传感器的专利申请进行了检索和统计，检索时间截至2017年5月，国内的申请态势和全球的申请态势如图1所示。

由图1可以看出，就全球而言，磁通门传感器技术虽然起步较早，但在20世纪90年代以前都属于平稳的缓慢发展阶段，20世纪90年代至2000年左右进入一个平稳增长的发展阶段，2000年后进入快速发展时期，特别是2008年以后，发展迅速[2]。

清华大学科技成果——一种高灵敏磁场探测系统
成果简介
磁传感器是用来检测磁场的存在，测量磁场的强度，确定磁场的方向，或确定磁场的强度方向是否有变化的器件，测磁仪器中的“探头”或者“取样装置”就是磁传感器。

磁传感器在信息工业、交通运输、医疗仪器等领域具有越来越广泛的应用，这些应用也对磁传感器微型化、灵敏度、使用范围、成本和制备工艺等提出了更高的要求。

目前所采用的磁传感器主要有霍尔元件、磁通门、巨磁阻材料（GMR）、超导量子干涉元件（SQUID）等，这些器件各有其优缺点。

霍尔元件使用简单、价格便宜，但是一般只能用于测试10-8T以上的直流磁场或低频交流磁场；磁通门一般用来测试10-10T到10-3T的直流磁场，因其成本低主要用于交通运输领域；巨磁阻材料是近些年发展起来的，利用巨磁阻效应实现对小磁场的敏感响应，这种材料的制备主要采用薄膜技术，对尺寸和厚度的要求十分严格。

超导量子干涉元件是目前灵敏度最高的低磁场测试系统，可以探测到10-15T的磁场，但是它只能工作在液氦温度，设备体积大且价格非常昂贵，主要应用于医疗和科学研究领域。

应用说明
本发明提供的一种基于磁电复合材料的磁场传感系统，具有较高的磁场探测灵敏度（可探测10-12T的弱磁场），可以探测交流、直流磁场。

制作工艺简单、价格低廉、应用范围广（除上述应用领域外，也可用于军事上）。

(10)申请公布号 CN 102520375 A(43)申请公布日 2012.06.27C N 102520375 A*CN102520375A*(21)申请号 201110416138.6(22)申请日 2011.12.14G01R 33/04(2006.01)(71)申请人吉林大学地址130012 吉林省长春市前进大街2699号(72)发明人王一 宗发保 赵静 秦佩任广群 程德福 王君(74)专利代理机构长春吉大专利代理有限责任公司 22201代理人王立文(54)发明名称磁通门磁力仪检测电路及精度提高方法(57)摘要本发明涉及一种磁通门磁力仪检测电路及精度提高方法。

是由磁通门磁力仪检测电路，是由磁通门探头与放大滤波I 连接，磁通门探头和放大滤波I 分别与增益选择连接，增益选择经放大滤波∏和检波积分与采集电路连接，检波积分经反馈选择与磁通门探头连接，模拟管理电路分别与增益选择和检波积分连接，模拟管理电路经探头驱动电路与磁通门探头连接，模拟管理电路经反馈选择与磁通门探头连接，模拟管理电路与采集电路连接构成。

模拟管理电路能自动根据外界磁场大小选择最佳的前向通道、检波脉冲和反馈环节，使得磁通门磁力总在最佳的量程上获得较高的精度及信噪比，尤其在大范围变化的分量磁场测量中仍能获得较高的信噪比。

(51)Int.Cl.权利要求书1页 说明书3页 附图3页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 3 页1/1页1.一种磁通门磁力仪检测电路，其特征在于，是由磁通门探头与放大滤波I 连接，磁通门探头和放大滤波I 分别与增益选择连接，增益选择经放大滤波∏和检波积分与采集电路连接，检波积分经反馈选择与磁通门探头连接，模拟管理电路分别与增益选择和检波积分连接，模拟管理电路经探头驱动电路与磁通门探头连接，模拟管理电路经反馈选择与磁通门探头连接，模拟管理电路与采集电路连接构成。

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。

磁通门传感器的设计摘要三分量磁通门地磁场检测装置是应用磁通门传感器对地磁场进行测量的矢量检测装置。

与其它类型测磁仪器相比,磁通门传感器具有分辨率高,测量弱磁场范围宽,体积小、重量轻、功耗低,经济性好,能够直接测量磁场的失量和适于在高速运动系统中使用等特点,被广泛应用于各种领域。

本文分析了磁通门传感器的工作原理,详细论述了如何采用数字检波的方法进行信号处理.本文还介绍了三分量地磁场检测装置硬件电路的设计和单片机程序。

检测装置主要由三分量磁通门传感器、单片机最小系统、A/D数据采集电路和串口电路构成。

三分量磁通门传感器检测到磁场的矢量大小,输出信号经过有源滤波器和放大器处理后得到三路幅度与磁场各分量大小成正比的正弦信号。

A/D同时对三路信号进行4倍频采样,将两个周期的采样数据传送到单片机,然后单片机通过串行端口将数据发送到计算机,最后由计算机完成数据的处理和分析。

关键词三分量地磁场数字检波数据采集串行端口The Design of Geomagnetic Field Detection Device Based on Three-component Fluxgate SensorsAbstratThe three-component fluxgate geoamagnetic field detection device is a kind of vector detection device which can measure the geoamagnetic field directlypared with other instruments which can measure geomagnetic field,the fluxgate sensor has the virtue of small size,light weight, low power consumption and good economy,is used widely in different fields.This paper introduces the working principle of the fluxgate sensor and the digital demodulation method in detail. The design of hardware circuit of the three-component fluxgate geomagnetic field detection device and progamming of MCU are also introduced in this paper. The detection device consists of three-component fluxgate sensors, MCU system, A/D data acquisition circuit and com port communication circuit. The magnetic vector is detected by the three-component fluxgate sensors,signals output from the senors are processed by active filters and amplifiers.Then there are three sinusoidal signals,whose amplitude are proportional to the magnitude of geomagnetic field component. The A/D convertor produces 4 points sampling signals, and transmits data of two cycles to CPU, then CPU send the data to computer via the com port. Finally,the data is processed and analyzed by computer.Keywordsthree componentsgeomagnetic fieldDigital demodulation Data AcquisitionCom Port目录摘要 1Abstrat 21 绪论 11.1 研究三分量磁通门地磁场检测装置的目的和意义 1 1.2 各种测磁仪器 21.3 磁通门测磁仪器的研究现状 52 检测装置的工作原理 62.1 磁通门传感器的工作原理62.2 检测装置的工作原理 82.3 地磁检测装置的主要功能123 三分量磁通门地磁场检测装置的硬件电路设计123.1 前置检测电路的设计 123.1.1 分频电路和信号转换电路的设计: 133.1.2 驱动电路的设计: 133.1.3 选频放大电路的设计: 143.2 16位A/D转换器4倍频采样的硬件设计163.2.1 根据A/D采集电路的设计要求选择合适的A/D: 16 3.2.2 A/D采集电路的设计: 173.3 内部电源的设计184 三分量磁通门地磁场检测装置的的软件设计194.1STC89C54RD+单片机介绍194.2 A/D的软件控制204.3 程序流程图214.4 示例程序214.5 串口发送的硬件设计235 测试结果及分析245.1 分频器电路测试245.2 功率驱动电路的测试 255.3 信号转换电路测试255.4 带通滤波器的测试266 对三分量测量的通道差异进行校正的方案设计286.1 方案1:通过硬件电路的调试进行校正286.2 方案2:通过软件编程对测量结果进行校正29总结30参考文献及参考资料31致谢33英文翻译34英文翻译原文371 绪论1.1 研究三分量磁通门地磁场检测装置的目的和意义在介绍三分量磁通门地磁场检测装置之前,首先介绍一下它的研究目的和意义。

基于环形均匀磁场的磨粒传感器设计
吴伟;吕浩文;李博;王海英;王金超
【期刊名称】《传感器与微系统》
【年(卷),期】2024(43)2
【摘要】针对传统的电感式磨粒传感器流量较小、监测区域磁感应强度较低、梯度较大的问题,设计了一种基于环形均匀磁场的磨粒传感器。

通过设计环形流道,实现在监测区域内产生均匀径向磁场。

同时分析了磁路截面面积与传感器磁感应强度的关系,并比较不同磁极截面形状对磁感应强度的影响,完成了对传感器的结构优化,得出采用楔形磁极可有效提高磁场利用率。

利用Ansys软件建立传感器的三维有限元模型,揭示了传感器的静磁场和瞬态特性。

利用单磨粒无油液实验,对比分析实验结果与仿真结构的输出特性,验证了传感器的有效性。

实验结果表明,传感器在采用低倍率放大器的情况下,可检测出0.28 mm的铁磁性磨粒,与现有的传感器相比具有较高的灵敏度。

【总页数】5页(P105-109)
【作者】吴伟;吕浩文;李博;王海英;王金超
【作者单位】西安石油大学机械工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP212;TH122
【相关文献】
1.基于均匀设计法的磨粒流加工试验
2.电感式磨粒传感器中非铁磁质磨粒的磁场特性
3.电涡流磨粒传感器磁场仿真研究
4.电感式磨粒监测传感器的磁场均匀性研究
5.基于磨粒轨迹均匀性的钎焊金刚石磨抛盘地貌优化设计
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磁通门经纬仪磁传感器的研制范晓勇滕云田周勋周鹤鸣张炼（中国北京100081 中国地震局地球物理研究所）摘要：结合磁通门地磁经纬仪的观测特点，对磁通门传感器模型进行理论分析，选择具有高磁导率的1J86坡莫合金，和具有相同热膨胀系数、高塑性、较高持久蠕变强度的GH128合金，分别作为磁芯和骨架材料，采用跑道形磁芯结构作为设计磁通门传感器的核心部分。

对设计的磁通门传感器进行技术指标测试，结果表明，实验磁通门传感器优于设计要求。

关键词：磁通门传感器；磁芯材料；跑道形磁芯；低噪声；温度特性稳定0 引言地磁场的观测通常分为绝对观测和相对记录。

磁通门经纬仪被主要应用于地磁场的绝对观测，因磁通门经纬仪在地磁场七要素的偏角Ｄ分量和倾角Ｉ分量的观测中操作容易而且观测精度高，已经成为国际上通用的地磁绝对观测仪器（徐文耀，2003；中国地震局监测预报司，2002; Gilbert D，1998；H U Auster，2003），所以世界各国的地磁观测者都在寻求高技术指标、性能稳定的磁通门地磁经纬仪，而各国研究人员对磁通门地磁经纬仪性能的提高也在不断地探索和研究中。

磁通门经纬仪由磁传感器、检测器和无磁经纬仪三部分组成。

磁传感器性能指标的提高对于磁通门经纬仪总体观测指标的提高起着关键性的作用。

根据磁通门经纬仪观测特点，磁传感器应具有极好的矢量响应性、较高的灵敏度和稳定的温度系数等特点，因磁通门传感器具有以上技术特点，所以成为磁通门经纬仪磁传感器的首选。

为了提高国产磁通门经纬仪的整体技术指标，设计一款磁通门经纬仪所需的磁通门传感器，经过实验测试，所设计的磁通门传感器的性能指标符合磁通门经纬仪所用磁传感器的设计要求，该传感器具有的低噪声、高灵敏度、温度特性稳定等特点，其将对提高国产磁通门经纬仪的整体技术指标起到非常重要的作用。

1工作原理1.1磁通门经纬仪工作原理磁通门传感器具有极好的矢量响应性，只有传感器磁轴方向的地磁场分量才能使传感器产生感应电动势，当传感器的磁轴方向与地磁场方向处于正交位置时，传感器测得地磁场显示为零值。

磁通门传感器是利用铁磁体磁化时在饱和区的非线性来测量磁场的装置，是一种稍加改造的变压器式器件，利用外磁场对这种特殊变压器的输出信号产生的某些非对称的调制作用，检测这些调制作用引起的输出信号的任何一种变化来实现对外磁场的测量。

一般的铁磁体都是使用Co基合金，然而铁基非晶合金也具有高饱和磁感应强度和低损耗，极强的耐腐蚀性能和良好的软磁性能的特点。

作为磁通门传感器的探头磁芯，制备出磁通门传感器探头，研究了磁芯的热处理工艺、探头结构及外界条件对探头灵敏度的影响，为磁通门探头的设计提供实验依据。

一种单环磁通门传感器的设计与仿真陈浩;倪大成;任浩;郑华雄;李敏【摘要】文中提出了一种单环磁通门传感器并介绍了单环磁通门的工作原理.另外介绍了一种磁芯的等效电路模型,并以此为基础建立单磁芯磁通门传感器仿真模型,通过制作产品和仿真分析确定传感器设计的合理性.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2018(026)013【总页数】5页(P123-127)【关键词】单环;电流传感器;仿真;激励信号;小电流测量【作者】陈浩;倪大成;任浩;郑华雄;李敏【作者单位】宁波中车时代传感技术有限公司浙江宁波315021;宁波中车时代传感技术有限公司浙江宁波315021;宁波中车时代传感技术有限公司浙江宁波315021;宁波中车时代传感技术有限公司浙江宁波315021;宁波中车时代传感技术有限公司浙江宁波315021【正文语种】中文【中图分类】TM933.1磁通门传感器本质上是一种利用法拉第电磁感应定律的测磁传感器。

磁通门传感器要求磁铁芯高导磁率，铁芯在激励信号作用下周期饱和，通过这种方式将被测信号调制，然后通过电路解调和处理输出[1-2]。

磁通门原理的传感器的分辨力一般能达到10-8～10-9T[3-5]，而霍尔元件很难测量1 mT以下的弱磁场[6]。

随着工业技术进步，越来越多的场合需要进行微小电流检测，霍尔传感器已无法满足需求，磁通门传感器的优势得以凸显。

多数磁通门传感器采用双环原理，一环为激励线圈，另一环为感应线圈[7-8]，另外有追求高精度的多环磁通门传感器，也有为精度要求不高场合而设计的成本相对低廉的单环磁通门传感器，其激励线圈和感应线圈为同一组线圈。

本文设计了一款单环磁通门传感器，应用于漏电流测量领域。

1 单环磁通门探头原理单环磁通门探头的工作原理如图1所示，周期变换的激励信号激励磁芯，产生激磁磁场。

根据法拉第电磁感应定律，磁场的变化会使线圈内产生感应电动势。

当原边通有电流Ip时，铁芯中产生磁场Hp。