宽带低噪声磁通门传感器
基于二次谐波脉冲幅值法的磁通门传感器
为 ５ ０ Ｖ Ｔ １ ｋ ｚ 的噪声为 ２ Ｔ ￣－ 。本文介绍的 ０ ０ ／ ，０ Ｈ 处 ｎ／ ＇ ￣
磁通 门传感器在拓宽频带 的基础上 ， 很好地降低 了噪声 ， 拓 宽了磁通 门传感器 的应用领域 。
１ 磁通门现象数学模型
１ ａ ０－ ＮＳ Ｈ
，．
ＣＳ ｔ． Ｏ ２
场 的饱和激励下 ， 其磁 感应 强度与磁 场强度 的非线性 关 系
度； ｓ为铁芯 的横截 面面积 ， 中， Ｓ是不变 的 ， 其 Ｎ， 在铁 芯远 离饱和状态时 ， 导率 近似 常数 ， 磁 ｅ只与 日有关 ， 果激 如
励 磁场 强度 为
Ｈ ＝Ｈ
ｍ
来测量弱磁场的一种传感 器 。与其 他类 型测磁 仪器相 比， 磁通门传感器具有分辨 力高 、 测量弱 磁场范 围宽 、 可靠 、 能 够直接测量磁 场的分 量 和适 于在速 运 动 系统 中使用 等特 点 Ｊ 。对于宽带 低 噪声磁 通 门传感 器 目前 的文 献介 绍 比
ｗｉ ｉ ｅ ｂ ｄ ｉ ｔ ｎ ｏ ｎ ｉｅ ｗ ｉｈ ｔ ｅ ｓｇ ａ ｒｃ ｓ ｉ ｇ ｃｒ ｕ ｔ ｓｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ｔｏ ｆ ｈ ｏ ｉｇ ｓ ｃ ｎ ｔ ｗ ｄ ａ ｗ ｄ ｈ ａ ｄ ｌｗ ｏ ｓ ｈ ｃ ｈ ｉｎ ｐ ｏ ｅ ｓ ｉ ｉ ｉ ａ ｅ ｎ ｔｅ ｍｅｈ ｏ ｏ ｓｎ ｅ ｏ ｄ ｈ ｎ ｌ ｎ ｃ ｄ ｃ
莱姆推出新品IN 1000-S,拓宽了高精度传感器的量程
莱姆推出新品IN 1000-S，拓宽了高精度传感器的量程
1000A的DC、AC或脉冲电流
-40 ~ +85ºC）
极低的零漂（全温度范围内达19.5ppm）
优异的线性度（全温度范围内达3ppm）
极低噪声与高精度（全温度范围），得益于莱姆专利磁通门技术
莱姆拓宽高精度传感器的量程，推出新品IN 1000-S，无插入损耗，可隔离测量1000A的直流、交流以及脉冲电流。
莱姆完善磁通门技术，去年已推出此系列的第一个产品2000A。
传统1000A高精度传感器温度范围通常+10到+40或+50°C，IN 1000-S拓宽其温度范围至-40到+85°C，使其可用于更宽的应用领域，而不仅限于实验室，这些应用包括：传统工业应用测试仪、医疗设备（例如，MRI、质子疗法等）、高精度电机控制器以及计量设备。
莱姆采用专利创新技术于此新型传感器上，在数字领域中处理最大信号，新型磁通门技术架构消除磁通门驱动频率纹波，从而得到结构紧凑、宽温度范围内保持高精度以及相比上一代更低噪声水平的传感器。
在数字领域中处理信号可以完全免除模拟转数字处理之后的温度效应、干扰以及供电电压变化所产生的影响，改善了零点与零漂。
通过使用DSP数字信号处理器降低了固定频率下磁通门驱动信号中的干扰或纹波，同时降低了高频谐波。
剩余的干扰可通过纹波补偿线圈消除，此线圈的幅度与相位可以通过各个传感器的校准调节。
校准之后，全温度范围-40 OC到85 OC内，全量程范围内的传感器输出，其剩余纹波峰峰值低于34ppm。
这些创新使得IN 1000-S在拓宽的温度范围内具有优异的性能表现：全温度范围内极高的精度，优于3ppm的线性度以及19.5ppm的低零漂。
磁通门传感器的设计（可编辑）
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。
小型民用数字化三轴磁通门传感器电路设计
小型民用数字化三轴磁通门传感器电路设计小型民用数字化三轴磁通门传感器电路设计一、引言随着科技的不断发展，数字化传感器已成为现代电子产品不可或缺的组成部分。
数字化三轴磁通门传感器作为一种常见的传感器之一，其在航天航空、汽车导航、智能手机等领域有着广泛的应用前景。
本文将详细阐述小型民用数字化三轴磁通门传感器电路的设计原理及其各个模块的功能。
二、电路设计原理数字化三轴磁通门传感器主要用于检测磁场在三轴上的变化，并将这些变化数字化传输到目标设备。
其电路设计主要包括磁场检测模块、模数转换模块和数字信号处理模块三部分。
1. 磁场检测模块磁场检测模块是数字化三轴磁通门传感器的核心部分，其功能是感知周围环境的磁场强度，并将得到的模拟信号传递给模数转换模块。
在设计磁场检测模块时，需要选择合适的磁通门传感器芯片，并与其连接适当的电容电阻网络，以确保所感知的磁场信号的精确度和稳定性。
2. 模数转换模块磁场检测模块输出的模拟信号需要经过模数转换模块进行数字化处理。
模数转换模块通常采用高精度的模数转换芯片，将模拟信号转换为数字信号，并通过串行或并行接口传输给数字信号处理模块。
在模数转换模块设计时，需要考虑电路的采样频率、分辨率以及噪声抑制等关键参数。
3. 数字信号处理模块数字信号处理模块是数字化三轴磁通门传感器电路的最后一步，其功能是对模数转换模块输出的数字信号进行滤波、放大和校准等处理。
根据具体的应用需求，数字信号处理模块可以采用多种算法，如快速傅里叶变换（FFT）、卡尔曼滤波器等，以提高传感器的精度和稳定性。
三、电路设计方案针对小型民用数字化三轴磁通门传感器的电路设计，可以选择成本低、功耗低、体积小的器件，以满足民用领域对传感器的需求。
1. 磁场检测模块方案在磁场检测模块中，可以选择采用高感度、低功耗的磁通门传感器芯片。
通过合理布局电容电阻网络，增强对磁场强度的感知能力，并使用低噪声线性稳压器，提高检测信号的稳定性。
磁通门传感器探头测试分析
理论算法
磁通门传感器探头测试分析
齐侃侃，董昊 （宜昌测试技术研究所，湖北宜昌，443003）
摘要 ：本文分析了磁通门传感器探头电气参数与物理参数，提出了改进磁探头性能的方法。实际选取了 Co 基非晶合金 薄片作为磁探头磁芯材料，利用理论公式分析设计研制了探头。经实验验证，优化的磁探头噪声较小，灵敏度较高，温度 性能较好，磁通门传感器的性能达到了设计要求。 关键词 : 磁通门传感器 ；探头参数 ；灵敏度 ；噪声测试 ；温度漂移
Test and analysis of fluxgate sensor probe
Qi Kankan，Dong Hao (Yichang Testing Technology Research Institute, Yichang Hubei, 443003)
Abstract:In this paper,the performance parameters of fluxgate sensor are analyzed, and the method to improve the performance of magnetic probe is proposed. In fact, cobalt based amorphous alloy is selected as the core material, and the probe is made by using the approximate formula. The experimental results show that the optimized magnetic probe has lower noise, higher sensitivity and better temperature performance, and the performance of fluxgate sensor meets the design requirements. Keywords:Fluxgate sensor; Probe parameters; Sensitivity; Noise test; Temperature drift
(完整版)磁通门技术
e=( )=－2π× f1W2S (2μ2msin4πf1t +4μ4msin8πf1t +6μ6msin12πf1t +...) (8)
式(8)证明只要铁心磁导率μ随激磁磁场强度而变,感应电势中就会出现随环境磁场强度而变的偶次谐波增量e(HOL)。
当铁心处于周期性过饱和工作状态时,e(HOL)将显著增大。利用这种物理现象就可以测量环境磁场。但与变压器效应相比较,其感应线圈输出的磁通门信号。e(HOL)相当微弱。为实现精确测量,可设计成差分输出探头来消除磁通门探头变压器效应的感应电势。
磁通门是一种磁测量传感器。由于它在动目标中可以极敏感地感应地磁强度,早在本世纪30年代就被应用于航磁测量部门。近20年来,在物理学、电子技术、金属冶炼等方面取得的巨大成果,使磁通门在弱磁测量、抗电磁干扰、耐高温、可靠性、寿命、价格方面取得了前所未有的进展。在地质勘探和石油钻井中,包括磁通门在内的敏感元件提供的有关钻头前进方向的信息,使按设计井身轨迹实现高质量定向—水平钻井成为可能。
磁通门技术原理
磁通门电流测量基本原理 ()
NSH
m
èç
m d
+
i=1
m i
cos 2iwtø÷ coswt
利用三角形函数的积化和差公式对式 5 进行整理，可得单芯磁通门的输出电 压如下：
¥
¥
å å Uo = NSH0w 2mi sin 2iwt - NSHm imm éëcos(2i + 1)wt - cos(2i - 1)wt ùû
i=1
当环境磁场不为零时（ ≠ 0）时，输出的感应电动势即包含激励磁场 的信息，
也包含被测量磁场 的信息，而待测量磁场 的信息在频域上是激励信号频率
的偶次谐波。因此，通过提取磁通门输出信号中的偶次谐波成分，并测量其大小
即可测量到待测量磁场 的强度。
单芯型磁通门输出电压除了包含磁通感应电动势外，还包含磁通门变压器效
应产生的电压，而且与变压器效应相比，磁通感应电动势非常微弱。因此，不可
以直接利用单磁芯磁通门感应线圈的输出信号测量环境磁场，必须先剔除变压器
效应产生的电压。
b) 双磁芯磁通门传感器数学模型[3,4] 为了改善单芯磁通门，剔除单芯磁通门中存在的变压器效应影响，提出了双
磁芯型磁通门；双磁芯磁通门由两根平行放置的磁芯构成，磁芯上的激励线圈反 向串联，感应线圈同向串联。这样的结构能够消除变压器效应产生的感应电动势，
x
i
磁通门传感器术语
测量范围 是指传感器能够精确测量的最大磁场强度。
零场偏差 是指在零磁场环境测量的平均值
误差温度系数 是指给定温度变化时偏移量的变化
正交误差 是指三个互相垂直的磁通门元件之间的角度误差
输出阻抗 是指传感器的输出阻抗。磁通门传感器通常具有相对较低的输出阻抗。
极性 当指向磁北时，传感器将测量一个正的磁场强度值。
电源抑制比 传感器电路抑制电源波动的能力。如果出现的变化或波动超过阈值，电源跳变将影响传感器的输出并产生噪声。
标度和标度误差 传感器的电压输出与被测场线性相关。 标度（mV/uT）是一个比例常数。 标度误差是指在特点的场强下真实磁场和测量磁场之间的误差，表示理想的标度（满 量程/最大输出）和测量测量标度之间的误差。
带宽和频率响应 带宽和频率响应参数与传感器提供磁场强度读数的频率范围相对应。 频率响应是传感器输出的振幅等于所测量的磁场振幅的频率范围(±5%)。 带宽是指在 -3dB 点的频率范围，传感器输出的振幅相当于所所测量磁场的 70.1% 。 注意，更高频磁场仍将会被测量，只是振幅会缩减。
电流消耗 是指传感器从电源中获取的电流，用于传感器的正确操作。
预热时间 是指传感器实现其性能指标所需的时间。实现标度性能的时间比实现噪声性能的时间 短。参见启动时间。
激发穿透/激励频率 是指磁通门激励频率在传感器信号输出端输出的信号量。激励频率是传感器最大带宽 的几倍。为了获得最佳的性能，这个激励信号需要过滤掉（模拟或数字式）。
频率响应 参考带宽和频率响应
磁滞
如果传感器受到的磁场大于全量程范围，则磁芯材料的磁化可能会永久改变。会导致 改变偏移量。
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西北工业大学
硕士学位论文
宽带低噪声磁通门传感器
姓名：何静
申请学位级别：硕士
专业：武器系统与运用工程指导教师：李斌
20070301
图５．２测量示意图
在对磁通门传感器的测试中，由于实验室存在大量的电磁干扰，以及受设备条件所限，许多参数指标测试的并不准确。
所以选择在中国船舶工业宜昌磁学计量测试检定站对磁通门传感器的具体指标进行计量定标。
５．１对三分量磁通门传感器频晌的测试
将磁通门传感器置于均匀的交变磁场中（传感器设计上只针对交变磁场），如图５—３所示，均匀的交变磁场由多层线圈提供，磁通门传感器的被测轴和交变磁场方向平行且置于正中。
测量仪器示意图还是如图５—２所示。
图５—３频晌测试
用万用表读出电阻Ｒ的电压值（ｕ。
／聊矿）及每个轴对应电路的输出电压（只／矿）。
以４号的ｘ轴为例，测试数据如表５—１所示：。