傳感器本體及其應用的感應式三軸磁場傳感器的製造方法
2023-08-06 07:07:41
傳感器本體及其應用的感應式三軸磁場傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明提供了一種傳感器本體及其應用的感應式三軸磁場傳感器。該傳感器本體包括：磁芯結構，縱剖面呈工字型，中間部分為細長棒狀的磁芯，兩端部分為扁平狀磁通量聚焦器；感應線圈，均勻纏繞於磁芯結構磁芯的外圍。本發明通過在細長型磁芯兩端加磁碟聚集磁通，等效的提高了磁芯的長徑比，突破了傳統感應式磁場傳感器在有限空間內的噪聲極限。
【專利說明】傳感器本體及其應用的感應式三軸磁場傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及傳感器【技術領域】，尤其涉及一種傳感器本體及應用其的感應式三軸磁場傳感器。
【背景技術】
[0002]感應式磁場傳感器是指基於法拉第電磁感應原理測量磁場微弱變化的儀器。在海洋地球物理觀測中，主要用於海洋科學觀測網建設、海洋油氣勘探中的大地電磁測深(MMT)和海洋可控源電磁(CSEM)儀器中。是海洋地球物理觀測中最為廣泛磁場測試儀器之一。
[0003]海洋科學觀測領域，觀測並研究海洋地磁其空間和時間分布規律，是海洋科學觀測的基本內容之一，高靈敏度感應式磁場傳感器是該項科學活動的必備工具之一，利用高靈敏度的感應式磁場傳感器可以精確獲取0.1mHz-1OOHz的天然磁場變化信息，該頻段信息對海底地質結構、板塊構造運動等地學研究有極其重要的參考價值。
[0004]隨著深水油氣勘探的興起，海洋電磁法已成為海洋油氣勘探的重要手段之一，國內外海洋油氣勘探的實踐表明:海洋電磁方法通過對目標地質體的電阻率識別，大大提高了鑽井成功率，有效降低了海洋石油勘探開採的成本。幾乎所有的海洋電磁方法儀器的磁場分量測量均採用感應式磁場傳感器進行，如美國SIO研究所、斯倫貝謝等公司的海洋電磁儀器。
[0005]因此，無論是海洋科學活動還是海洋資源能源領域，感應式磁場傳感器均是不可或缺的核心技術，直接制約著我國海洋電磁儀器的發展。
[0006]對於海洋磁場探測，感應式磁場傳感器的靈敏度在10_4ηΤ/ V Hz-1O^nT/ V Hz (1Hz時)。現有的感應式磁場傳感器包括加拿大PHOENIX Geophysics Limited公司的MTC-80型、MTC-50型磁場傳感器，德國Metronix Geophysics公司的MFS_06(e)型、MFS-07型磁場傳感器等等。這些感應式磁場傳感器，外觀為細長圓柱形，長度在lm-1.4m，直徑IOcm左右，質量一般在8kg-12kg。用於海洋探測時，需要將三支磁場傳感器分別採用長圓柱形的承壓艙密封，材料為塑料或者鋁材，信號通過防水電纜傳給浮球內部的接收機。整個儀器體積超過lm3，重量大於400kg，同時需要4-5個深海浮球，用來保證足夠的浮力，過大的體積和過高的成本給勘探作業帶來巨大的挑戰。然而，如果縮小感應式磁場傳感器的體積，則會導致其靈敏度降低，等效輸入噪聲增加，從而不能滿足海洋電磁法勘探的需求。
【發明內容】
[0007](一 )要解決的技術問題
[0008]鑑於上述技術問題，本發明提供了一種傳感器本體及應用其的感應式三軸磁場傳感器，以在保證測量精度的前提下實現感應式三軸磁場傳感器的小型化。
[0009]( 二 )技術方案
[0010]根據本發明的一個方面，提供了一種傳感器本體。該傳感器本體包括:磁芯結構，縱剖面呈工字型，中間部分為細長棒狀的磁芯，兩端部分為扁平狀磁通量聚焦器；感應線圈，均勻纏繞於磁芯結構磁芯的外圍。
[0011]根據本發明的一個方面，還提供了一種感應式三軸磁場傳感器。該感應式三軸磁場傳感器包括:傳感器本體模塊，包括探測方向兩兩垂直的三支如上所述的傳感器本體；三組斬波放大電路，分別對三支傳感器本體感應線圈輸出的信號通過斬波方式進行幅度增強。
[0012](三)有益效果
[0013]從上述技術方案可以看出，本發明傳感器本體及應用其的感應式三軸磁場傳感器具有以下有益效果:
[0014](I)通過在原有的細長型磁芯兩端加磁碟聚集磁通，等效的提高了磁芯的長徑比，突破了傳統感應式磁場傳感器在有限空間內的噪聲極限；
[0015](2)通過信號補償模塊，使得三軸信號串擾信號最小，提高了磁場測量精度，實現在有限空間內集成三軸磁場傳感器。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為根據本發明實施例傳感器本體的縱剖面示意圖；
[0017]圖2為由仿真軟體得到的圖1所示傳感器本體與傳統磁場傳感器磁通量的對比圖；
[0018]圖3為根據本發明實施例感應式三軸磁場傳感器的結構示意圖；
[0019]圖4為圖3所示感應式三軸磁場傳感器中傳感器本體模塊的示意圖；
[0020]圖5為圖3所示感應式三軸磁場傳感器中斬波放大電路將傳感器帶寬進行拓展的曲線；
[0021]圖6為圖3所示感應式三軸磁場傳感器中斬波放大電路的結構示意圖；
[0022]圖7為圖6所示斬波放大電路中匹配網絡模塊的電路圖；
[0023]圖8為圖6所示斬波放大電路中調製模塊的電路圖；
[0024]圖9為圖6所示斬波放大電路中電流放大模塊的電路圖；
[0025]圖10為圖6所示斬波放大電路中解調模塊的電路圖；
[0026]圖11為圖6所示斬波放大電路中濾波模塊的電路圖；
[0027]圖12為本發明實施例感應式三軸磁場傳感器頻率響應測量方法的示意圖。
【具體實施方式】
[0028]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現方式，為所屬【技術領域】中普通技術人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數的示範，但應了解，參數無需確切等於相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內近似於相應的值。實施例中提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明的保護範圍。
[0029]本發明傳感器本體及應用其的感應式三軸磁場傳感器通過在原有的細長型磁芯兩端加磁碟聚集磁通，等效的提高了磁芯的長徑比，並且通過信號補償模塊，使得三軸信號串擾信號得到抑制，從而在保證精度的前提下實現了感應式三軸磁場傳感器的小型化。
[0030]在本發明的一個示例性實施例中，提供了一種傳感器本體。圖1為根據本發明實施例傳感器本體的縱剖面示意圖。請參照圖1，磁芯的剖面呈工字型，中間部分為細長的圓柱體磁芯，長度為20cm，直徑為1.0cm，兩端部分呈扁平圓柱狀，長度為1.0cm，直徑為11cm。這三部分磁芯緊密的固定在一起。
[0031]兩端部分的扁平狀圓柱體磁芯，稱為磁通量聚集器。本發明傳感器本體中，兩端部分磁通量聚焦器直徑與中間部分直徑的比例介於2:1~10:1之間，磁通聚集器直徑與中間部分的長度的比例介於1:1~1:5之間。
[0032]傳感器本體磁芯結構材料均採用軟磁鐵氧體材料，優選為鐵氧體材料。該材料的初始磁導率高、電導率低，可以實現磁感應強度的無損耗放大，從而達到所需靈敏度。
[0033]對於一般有形狀的磁芯,無磁通量聚集器，由於退磁場的存在,磁芯有效磁導率μ app遠遠小於材料本身的初始磁導率。對於棒狀磁芯，其退磁因子為:
【權利要求】
1.一種傳感器本體,其特徵在於,包括: 磁芯結構，縱剖面呈工字型，中間部分為細長棒狀的磁芯，兩端部分為扁平狀磁通量聚焦器； 感應線圈，均勻纏繞於所述磁芯結構中間部分的外圍。
2.根據權利要求1所述的傳感器本體，其特徵在於，所述磁芯結構中:所述中間部分呈細長圓柱形；所述兩端部分呈平圓柱狀。
3.根據權利要求2所述的傳感器本體，其特徵在於，所述磁芯結構中，磁通量聚焦器直徑與中間部分直徑的比例介於2:1~10:1之間，磁通聚集器長度與中間部分長度的比例介於1:1~1:5之間。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的傳感器本體，其特徵在於，還包括: 骨架，設置於磁芯結構所述中間部分的外圍與所述兩側部分的內側，所述感應線圈纏繞於磁芯結構中間部分外圍的骨架上。
5.根據權利要求1至3中任一項所述的傳感器本體，其特徵在於，所述磁芯結構的材料為軟磁鐵氧體材料。
6.—種感應式三軸磁場傳感器,其特徵在於,包括: 傳感器本體模塊，包括探測方向兩兩垂直的三支如權利要求1所述的傳感器本體； 三組斬波放大電路，分別對三支傳感器本體感應線圈輸出的信號通過斬波方式進行幅度增強。
7.根據權利要求6所述的感應式三軸磁場傳感器，其特徵在於， 匹配網絡模塊，用於對感應線圈輸出諧振點進行補償，消除諧振尖峰，平滑諧振點處阻抗； 調製模塊用於採用預設頻率的方波信號將匹配網絡模塊輸出的信號調製至高頻，從而實現斬波信號； 電流放大模塊，採用運算放大器或者對管放大器對調製模塊輸出的斬波信號進行低噪聲電流放大； 解調模塊，採用與調製完全一致的電路結構，將電流放大模塊輸出信號中的有用信號解調至低頻，從而電流放大模塊中運算放大器或對管放大器引入的I / f噪聲被調製到高頻；以及 濾波模塊，將調製解調帶來的高頻信號濾掉，保留有用信號。
8.根據權利要求7所述的感應式三軸磁場傳感器，其特徵在於，所述匹配網絡模塊中:從感應線圈輸出的感應信號通過第一電阻(Rl)串聯接地；並且該感應線圈輸出的感應信號經過第二電阻(R2)和第一電感(LI)的並聯電路後作為匹配網絡模塊的輸出Vin。
9.根據權利要求7所述的感應式三軸磁場傳感器，其特徵在於: 所述調製模塊採用CMOS模擬開關晶片ADG413 (Ul)實現，其各管腳設置如下:管腳1、管腳8、管腳9、管腳16連接時鐘信號CLK ;管腳3和管腳11連接匹配網絡模塊輸出的正信號Vin ;管腳6、管腳14連接信號地；管腳2、管腳15為信號輸出正，管腳7、管腳10號為信號輸出負，分別連.接放大模塊的輸入端Vml和Vm2 ;管腳12連接邏輯電壓值VL ;管腳13連接供電的正電壓VCC ； 所述解調模塊與調製模塊對稱，採用ADG413(U4)實現，其各管腳設置如下:管腳3和14分別接入來自放大模塊的信號Vmal和信號Vma2 ;管腳I和管腳16同時接CLK信號；管腳4接電源負VSS信號；管腳5接GND信號；管腳12接VL ;管腳13接電源正VCC ;管腳2和管腳15分別串聯第十三電阻(R13)和第十四電阻(R14)後短接，為該解調模塊的輸出Vdfflt5
10.根據權利要求7所述的感應式三軸磁場傳感器，其特徵在於，所述解調模塊的輸出Vdffl通過第七電容(C7)接地；所述濾波模塊採用MAX4101ESA(U5)實現，其各管腳設置如下: 管腳3作為輸入正，通過第十六電阻(R16)接地； 管腳2作為輸入負，通過第十五電阻(R15)連接至所述解調模塊的輸出Vdm ； 管腳6通過第八電容(CS)和第十七電阻(R17)的並聯電路連接到管腳2 ; 管腳7接電源正VCC; 管腳4接電源負VSS; 管腳6為本解調模塊的輸出信號，即為斬波放大電路的信號輸出端Vrat。
11.根據權利要求7所述的感應式三軸磁場傳感器，其特徵在於，所述放大模塊分為第一、二、二級串聯放大電路； 第一級放大部分由FET對管-第一對管(Ql)和第二對管(Q2)組成；其中:第一對管(Ql)、第二對管(Q2)的G極分別連接至調製模塊的輸出Vml和Vm2 ；S極短接，其公共端經過電流源11連接至供電負電壓VSS ;D極分別通過第三電阻(R3)、第四電阻(R4)連接至供電正電壓VCC，其中，Q1、Q2的D極分別作為第一級放大電路的輸出端。 第二級放大電路採用MAX4101ESA(U2)實現，其各管腳設置如下:管腳2依次經過第五電阻(R5)和第一電容(Cl)連接至第一級放大電路中第二對管(Q2)的D級；管腳3依次通過第六電阻(R6)和第二電容(C2)連接至第一級放大電路(Ql)的D極；管腳6經過第四電容(C4)和第八電阻(R8)並聯迴路和管腳2連接；管腳3經過第七電阻(R7)和第三電容(C3)的並聯電路和地連接；管腳6通過第二十電阻(R20)、第十八電阻(R18)串聯和Vml連接，第十八電阻(R18)和第二十電阻(R20)之間採用與第十九電阻(R19)串聯連接到地上；管腳4連接電源負VSS ;管腳7連接電源正VCC ;管腳6作為第二級放大電路的輸出端；管腳6通過第五電容(C5)與Vma2連接，Vma2通過第十二電阻(Rl2)與地連接； 第三級放大亦採用MAX4101ESA(U3)實現，其各管腳設置如下:管腳2作為輸入負端，依次經過第九電阻(R9)連接至第二級放大電路中管腳6 ;管腳2作為輸入正端接地；管腳2和管腳6之間採用第十電阻(RlO)實現串聯迴路；管腳4連接電源負VSS ;管腳7連接電源正VCC ;管腳6通過第六電容(C6)相連到輸出端Vmal，Vmal通過第十一電阻(Rll)與地連接；VMl和Vnia2作為第三級放大電路的輸入端。
12.根據權利要求6至10中任一項所述的感應式三軸磁場傳感器，其特徵在於，還包括: 信號補償模塊，用於按照以下公式對斬波放大電路輸出的信號進行補償，以減少甚至抵消三軸傳感器之間的串擾響應:
13.根據權利要求12所述的感應式三軸磁場傳感器，其特徵在於: 所述a的取值介於0-5%之間；所述b的取值介於0-10%之間。
【文檔編號】G01R33/02GK103472409SQ201310415055
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月12日 優先權日:2013年9月12日
【發明者】朱萬華, 閆彬, 劉雷松, 方廣有 申請人:中國科學院電子學研究所