齊侃侃,石 超,呂 冰

(宜昌測試技術(shù)研究所,湖北 宜昌 443003)

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磁通門傳感器探頭溫度特性研究

齊侃侃,石 超*,呂 冰

(宜昌測試技術(shù)研究所,湖北 宜昌 443003)

磁通門傳感器主要由磁探頭與電路部分組成,其輸出不僅隨磁場變化,而且易受溫度的影響。為了確定磁通門傳感器磁探頭在寬溫度范圍下的溫度漂移情況,通過試驗(yàn)將探頭置于-40 ℃～150 ℃的溫度環(huán)境下,記錄得到探頭在寬溫度范圍下,其溫度特性曲線近似為正比線性關(guān)系。分析認(rèn)為,磁芯磁滯回線受熱偏移與線圈漆包線隨溫度熱脹冷縮是磁探頭溫漂的主要原因。本文提出選用低磁導(dǎo)率磁芯和高溫漆包線繞制探頭,并優(yōu)選一致性較好的探頭,采用最小二乘法對(duì)溫度漂移結(jié)果進(jìn)行擬合補(bǔ)償,有效地消除了溫度對(duì)磁探頭的影響,提高了磁通門傳感器的溫度穩(wěn)定性與應(yīng)用的廣泛性。

磁通門傳感器;溫度漂移;溫度補(bǔ)償;最小二乘法

磁通門傳感器具有體積小、重量輕、功耗低、分辨力高、抗震性好、便于與系統(tǒng)聯(lián)機(jī)配套等優(yōu)點(diǎn),因而得到了廣泛的應(yīng)用。在3 km以下的深井探測中,由于地底溫度從300 m以下開始,高度每下降100 m,溫度升高約3.3 ℃,因此磁通門傳感器的環(huán)境溫度將發(fā)生很大變化。目前國產(chǎn)大多數(shù)磁通門傳感器高溫只能達(dá)到85 ℃,且工作溫度范圍較小,國內(nèi)對(duì)高溫磁探測的研究較少。國外少數(shù)產(chǎn)品可以滿足要求,但價(jià)格昂貴。

當(dāng)磁通門傳感器用于深井探測時(shí),環(huán)境溫度發(fā)生較大的變化,磁傳感器的溫度漂移會(huì)直接影響測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。國外針對(duì)磁通門傳感器的溫度補(bǔ)償方法主要有以下方法,在信號(hào)輸出電路上接上與探頭相同的線圈實(shí)現(xiàn)探頭的溫度補(bǔ)償[1],在電路中加入線圈,帶入電容與電感,使得電路復(fù)雜;根據(jù)線圈在磁場中的溫度系數(shù)補(bǔ)償輸出結(jié)果[2],沒有考慮磁芯的影響,補(bǔ)償結(jié)果不準(zhǔn)確等等。本文從測試的結(jié)果出發(fā),直接補(bǔ)償擬合輸出值,簡單直接準(zhǔn)確。除了使用低溫度漂移的元器件,減小電路溫漂誤差外,文章詳細(xì)研究了磁通門傳感器探頭的溫度特性,結(jié)合探頭結(jié)構(gòu)原理與最終測試結(jié)果,系統(tǒng)分析了探頭的溫漂原因,并采用最小二乘法對(duì)磁探頭的溫度漂移誤差進(jìn)行擬合補(bǔ)償。測試與分析結(jié)果具有較強(qiáng)的說服力,對(duì)工程應(yīng)用有較大的參考意義。

1 磁通門探頭的工作原理

磁通門探頭的基本原理服從法拉第電磁感應(yīng)定律。本文磁通門探頭選用雙磁芯結(jié)構(gòu),如圖1所示[3-5]。它由激勵(lì)線圈、感應(yīng)線圈和磁芯構(gòu)成,兩根磁芯上纏繞的激磁線圈反向串聯(lián),兩磁芯中的激磁磁場方向在任一瞬間都是空間反向的。周期性激勵(lì)電流Iexc產(chǎn)生激勵(lì)磁場,e(t)為感應(yīng)電壓。

圖1 雙磁芯磁通門探頭結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢為

(1)

其中,W2為感應(yīng)線圈匝數(shù),H～為激勵(lì)線圈磁場強(qiáng)度。S為磁芯橫截面積,μ為磁芯磁導(dǎo)率。假設(shè)激勵(lì)線圈磁場強(qiáng)度為

H～=Hmcos2πf1t

(2)

式中,Hm為激磁磁場強(qiáng)度幅值,f1為激勵(lì)電源頻率。

由于磁芯磁導(dǎo)率曲線是非線性的,激勵(lì)磁場瞬時(shí)值的周期性變化會(huì)引起磁導(dǎo)率μ(t)的變化[6]。μ(t)無正負(fù)之分,為時(shí)間的偶函數(shù),將μ(t)展開為傅立葉級(jí)數(shù),則感應(yīng)電勢e的展開式將出現(xiàn)奇次諧波分量。假設(shè)外界環(huán)境磁場為H0,則作用于磁芯軸向上的磁場除了激勵(lì)磁場外還有外界磁場H0?？紤]外界磁場H0時(shí)公式變成如下所示

(3)

由于作用于磁芯軸向方向的外界磁場分量H0比激勵(lì)磁場強(qiáng)度的幅值Hm和磁芯飽和磁場強(qiáng)度Hs都小很多,可以忽略H0對(duì)磁芯磁導(dǎo)率μ(t)的影響。公式中的最后一項(xiàng)為外界磁場H0所引起的感應(yīng)電勢e的增量e(H0)。將磁芯磁導(dǎo)率μ(t)的傅立葉級(jí)數(shù)形式代入。在理想情況下,兩個(gè)磁芯形狀尺寸和電磁參數(shù)完全對(duì)稱,激磁磁場在感應(yīng)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢互相抵消,但是環(huán)境磁場在兩個(gè)磁芯軸向的分量是同向的。差分式探頭感應(yīng)線圈的輸出電動(dòng)勢為單磁芯的兩倍,且輸出電壓與外界磁場H0成正比關(guān)系,即

e(H0)=-4π×10-8f1N2SH0(2μ2msin4πf1t+
4μ4msin8πf1t+6μ6msin12πf1t+…)

(4)

式中,μ2m,μ4m等分別為各次諧波分量幅值。

通過上式可以看到采用二次諧波法可以測量外界的環(huán)境磁場。在設(shè)計(jì)和制作雙磁芯磁通門探頭時(shí),應(yīng)盡可能使兩根磁芯的尺寸參數(shù)保持一致,且兩個(gè)激勵(lì)線圈匝數(shù)與電阻盡量相同,從而減小不對(duì)稱帶來的噪聲。

2 磁通門傳感器探頭的溫度特性

磁通門傳感器的溫度漂移誤差較大,其中電子元器件、磁探頭磁芯材料以及由漆包線繞制的磁線圈都會(huì)受到溫度的影響,直接影響傳感器的刻度因子和零點(diǎn)值[6],導(dǎo)致測量值與真實(shí)值之間的明顯偏差,所以非常有必要了解磁通門傳感器溫度特性并進(jìn)行溫漂誤差補(bǔ)償[7]。本文主要從磁通門傳感器探頭的角度出發(fā),研究分析探頭的溫度漂移特性,找到探頭溫漂原因,并擬合補(bǔ)償漂移誤差,從而提高磁通門傳感器的測量準(zhǔn)確性與溫度穩(wěn)定性。

2.1 探頭溫度特性曲線

本文選用雙磁芯對(duì)稱結(jié)構(gòu)的磁探頭,磁芯材料為非晶坡莫合金,銅漆包線。測試過程對(duì)環(huán)境要求較高,本試驗(yàn)地點(diǎn)偏僻,環(huán)境磁場(包括地磁場)影響較小,試驗(yàn)地點(diǎn)地磁場8 h變化約為15 nT,本次測試時(shí)間約為6 h,且相對(duì)于最終的試驗(yàn)數(shù)據(jù),其影響可以忽略,可以認(rèn)為輸出變化都是溫度的變化引起。試驗(yàn)中將多個(gè)繞制好的磁探頭分散水平放入無磁性高低溫溫箱中,用膠帶固定,并引出導(dǎo)線到外接電路板上。試驗(yàn)地點(diǎn)地磁場約為49 000 nT,水平放置探頭,所測值為地磁場的水平分量。

試驗(yàn)開始,先調(diào)節(jié)溫箱溫度從20 ℃加溫到150 ℃,然后從150 ℃降溫到-40 ℃,再從-40 ℃加溫到20 ℃,溫度循環(huán)變化一個(gè)周期。通過Aglient 34970采集各個(gè)探頭在各個(gè)溫度點(diǎn)上對(duì)應(yīng)的實(shí)際輸出值。常溫下設(shè)計(jì)的電壓與磁場轉(zhuǎn)換系數(shù)為100 μV/nT。將所有的探頭測試數(shù)據(jù)繪制成圖表,選取具有規(guī)律性的曲線,(注:所有磁探頭的放置位置略有不同,因此輸出電壓值不同,本文只關(guān)注溫度變化時(shí),輸出電壓的變化量)如圖2、圖3所示。

圖2 磁通門傳感器Ⅰ探頭輸出電壓隨溫度的變化曲線

圖2中顯示,一個(gè)溫度循環(huán)周期內(nèi),輸出電壓的最小值:3.198 7 V;最大值:3.222 0 V。溫度漂移量:0.023 3 V。電壓隨溫度的變化:123 μV/℃。圖3中顯示,一個(gè)溫度循環(huán)周期內(nèi),輸出電壓的最小值:3.261 5 V;最大值:3.312 9 V。溫度漂移量:0.051 4 V。電壓隨溫度的變化:271 μV/℃。

圖3 磁通門傳感器Ⅱ探頭輸出電壓隨溫度的變化曲線

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以分析得到:①隨著溫度升高,磁傳感器輸出電壓(即磁感應(yīng)強(qiáng)度)逐漸變大,溫度降低,輸出電壓逐漸減小。圖中清楚的顯示輸出電壓的溫度漂移趨勢;②試驗(yàn)證明磁探頭的溫度漂移基本符合線性變化,可以采用線性擬合的補(bǔ)償方法減小溫度漂移;③在升溫與降溫的循環(huán)過程中,磁探頭的一致性較好,同一溫度測量值偏差較小;④在整個(gè)溫度范圍內(nèi),各個(gè)磁探頭的溫漂幅值不同。

2.2 磁探頭溫度漂移原因

本次試驗(yàn)只為研究磁探頭的溫度特性,磁探頭主要由磁芯與漆包線組成,根據(jù)磁通門原理,雙磁芯探頭輸出電壓如式(4)所示。影響磁探頭輸出電壓值的主要因素是磁探頭的感應(yīng)線圈匝數(shù)N2,磁芯橫截面積S,磁導(dǎo)率μ和激勵(lì)電源頻率f1。在溫度試驗(yàn)中,感應(yīng)線圈匝數(shù)不變,激勵(lì)電源頻率不變。因此,可以得到以下結(jié)論。

①由于磁芯材料具有一定的溫度系數(shù),受熱后磁滯回線(磁芯磁滯回線數(shù)學(xué)模型復(fù)雜,確定磁滯回線的是B與H的映射關(guān)系[8-12],如圖4所示)發(fā)生偏移,矯頑力Hc與剩磁參數(shù)Br發(fā)生變化[1];

圖4 磁芯磁滯回線示意圖

②磁芯材料加工不均勻,各個(gè)探頭的磁芯特性隨溫度變化不一致;

③溫度變化時(shí)激磁線圈熱脹冷縮,導(dǎo)致激磁磁場不同,從而使得磁導(dǎo)率的變化不同。

2.3 采取的措施

首先,磁芯材料電磁性能在溫度變化時(shí)不均勻、不穩(wěn)定,磁芯材料磁導(dǎo)率越高,電磁性能一致性越不易保證、對(duì)環(huán)境溫度越敏感而導(dǎo)致穩(wěn)定性越差,所以在滿足其他指標(biāo)要求時(shí),不選用高磁導(dǎo)率材料[3];其次,選用熱粘性高溫漆包線,繞制探頭時(shí),均勻精密,并加熱粘緊,減小漆包線隨溫度的變化形變的程度;最后,在滿足以上兩點(diǎn)的同時(shí),繞制多個(gè)探頭,試驗(yàn)篩選出溫度性能好,線性度好,一致性好的探頭,便于線性擬合與溫度補(bǔ)償。

3 磁通門探頭溫度漂移補(bǔ)償

由于無法得到磁通門傳感器溫度變化與其造成誤差的明確函數(shù)關(guān)系,因此需要采用多種擬合模型。曲線擬合的目的是尋找一條光滑曲線,在某種準(zhǔn)則下最佳的擬合數(shù)據(jù)。最小二乘法具有更好的泛化性能,不易發(fā)生局部最優(yōu)及過擬合現(xiàn)象。其他擬合方法如BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[6],具有很強(qiáng)的函數(shù)逼近能力,但有著收斂速度慢、易陷入局部極小的缺點(diǎn)。本文選用最小二乘法擬合溫漂曲線[13],采用MATLAB軟件擬合數(shù)據(jù)[14-15]。

如圖5所示,選取探頭I試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

圖5 3種溫度特性擬合曲線

表1 不同溫度磁傳感器輸出電壓值

數(shù)據(jù)擬合曲線如圖5所示。

3種擬合曲線方程:

y=0.000 14x+3.204 6;
y=-6.4×10-7x2+2.1×10-4x+3.204 5;
y=-5.4×10-9x3+2.4×10-7x2+1.9×10-4x+3.203 8;

線性擬合殘差(實(shí)際數(shù)據(jù)與擬合數(shù)據(jù)的差值)為0.015 6;二階擬合殘差為0.011;三階擬合殘差為0.010。線性擬合誤差比高階擬合誤差大,但計(jì)算量小,方程簡單。因此,實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)需求,合理選擇擬合方法。通過曲線擬合,有效地補(bǔ)償了溫度引起的傳感器輸出漂移誤差,提高了傳感器輸出精度。

4 結(jié)論

本文主要研究磁傳感器雙磁芯磁探頭隨溫度變化的輸出特性,在-40 ℃和150 ℃的溫度下循環(huán)測試多組磁探頭,得到磁探頭的溫度漂移特性曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明,磁探頭輸出值隨溫度升高變大,隨溫度降低減小,在整個(gè)溫度范圍內(nèi),溫度特性曲線一致性較好,曲線呈線性變化趨勢。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,分析了磁探頭的溫度漂移原因,并提出了減小溫度漂移的措施。最后采用最小二乘法擬合輸出數(shù)據(jù),提高測量精度,完成了磁傳感器磁探頭寬溫度范圍溫度特性的研究,提高了磁通門傳感器的溫度穩(wěn)定性與深井探測等高溫環(huán)境的應(yīng)用廣泛性。

[1] Fritz Primdahl. Temperature Compensation of Fluxgate Magnetometers[J]. Transactions on Magnetics,1970,MAG-6(4)4:819-822.

[2]Kurt Weyand. Compensation of the Temperature Coefficient of Magnetic Field Coils[J]. Transactions on instrumentation and measurement,2005,54(2):713-717.

[3]張學(xué)孚,陸怡良. 磁通門技術(shù)[M]. 北京:國防工業(yè)出版社,1995:1-3,30-34,60-61,120-121,162.

[4]石志勇,王懷光,呂游. 一種三探頭磁通門傳感器的設(shè)計(jì)[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2005,18(2):432-435.

[5]鮑丙豪,蔣峰. 單非晶絲磁芯雙繞組新型磁傳感器理論與試驗(yàn)研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2006,19(4):1001-1004,1008.

[6]龐鴻峰. 三軸磁通門傳感器誤差分析與校正[D]. 長沙:國防科技大學(xué)儀器科學(xué)與技術(shù),2010.

[7]Merayo J M G,Brauer P,Primdahl F,et al. Scalar calibration of vector magnetometers[J]. Meas Sci Technol,2000,11:120-132.

[8]劉詩斌,秋頌松,鄧盼盼. 一種軟磁薄膜磁滯回線測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2013,26(8):1068-1072.

[9]曹華貴. 磁性材料電磁參數(shù)測試技術(shù)[D]. 南京:東南大學(xué)機(jī)械電子工程,2009.

[10]程景全. 高新技術(shù)中的磁學(xué)和磁應(yīng)用[M]. 北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社,2006:15-16.

[11]殷恭維. 磁通門磁強(qiáng)計(jì)的反饋線圈設(shè)計(jì)及磁芯溫度效應(yīng)研究[D]. 武漢:華中科技大學(xué)理論物理,2006.

[12]劉濤,周磊,程星華,等. 回線偏移型鈷基非晶帶熱磁處理中微結(jié)構(gòu)的變化[J]. 磁性材料及器件,2011,42(3):9-12.

[13]董校洪. 整體最小二乘法在工程測量上的應(yīng)用[D]. 上海:同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,2009.

[14]Holly Moore. MATLAB實(shí)用教程[M]. 2版. 高會(huì)生,劉童娜,李聰聰,譯. 北京:電子工業(yè)出版社,2011:356-369.

[15]遠(yuǎn)方,鞏憲鋒,楊靜,等. 高精度隨鉆定向測量儀的設(shè)計(jì)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器,2011(1):21-23.

齊侃侃(1987-),男,碩士,主要從事磁通門傳感器研發(fā)、弱磁測量等,goodluckqkk@163.com;

石超(1982-),男,主任設(shè)計(jì)師,主要從事磁羅盤、測斜儀、磁傳感器等設(shè)計(jì)研發(fā);

呂冰(1987-),男,碩士,主要從事磁通門傳感器、光泵等研發(fā)。

StudyonTemperatureCharacteristicofFluxgateSensorDetectors

QIKankan,SHIChao*,LüBing

(Yichang Testing Technology Research Institute,Yichang Hubei 443003,China)

Fluxgate sensor is mainly composed of detectors and circuits. Its output is changing both with the magnetic field and the environment temperature. In order to determine the temperature drift of the fluxgate sensor detectors in a wide temperature range,this paper has recorded the output curves of the magnetic sensor detectors with the temperature changing from -40 ℃ to 150 ℃. The curve is approximate linearity and the output is in direct proportion to the temperature. The drift is caused by the changing of the enamelled wire and the magnetic hysteresis loop. It compensates the temperature drifts with the method of least squares,which effectively eliminates the influence of temperature on the sensor detectors. The fluxgate sensor will be much more steady and universal with this study.

fluxgate sensor;temperature drift;temperature compensation;least squares

2014-07-29修改日期:2014-10-06

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.11.008

TP212.13

:A

:1004-1699(2014)11-1486-04