磁通门传感器探头温度特性研究

齐侃侃,石 超,吕 冰

(宜昌测试技术研究所,湖北 宜昌 443003)



磁通门传感器探头温度特性研究

齐侃侃,石 超*,吕 冰

(宜昌测试技术研究所,湖北 宜昌 443003)

磁通门传感器主要由磁探头与电路部分组成,其输出不仅随磁场变化,而且易受温度的影响。为了确定磁通门传感器磁探头在宽温度范围下的温度漂移情况,通过试验将探头置于-40 ℃～150 ℃的温度环境下,记录得到探头在宽温度范围下,其温度特性曲线近似为正比线性关系。分析认为,磁芯磁滞回线受热偏移与线圈漆包线随温度热胀冷缩是磁探头温漂的主要原因。本文提出选用低磁导率磁芯和高温漆包线绕制探头,并优选一致性较好的探头,采用最小二乘法对温度漂移结果进行拟合补偿,有效地消除了温度对磁探头的影响,提高了磁通门传感器的温度稳定性与应用的广泛性。

磁通门传感器;温度漂移;温度补偿;最小二乘法

磁通门传感器具有体积小、重量轻、功耗低、分辨力高、抗震性好、便于与系统联机配套等优点,因而得到了广泛的应用。在3 km以下的深井探测中,由于地底温度从300 m以下开始,高度每下降100 m,温度升高约3.3 ℃,因此磁通门传感器的环境温度将发生很大变化。目前国产大多数磁通门传感器高温只能达到85 ℃,且工作温度范围较小,国内对高温磁探测的研究较少。国外少数产品可以满足要求,但价格昂贵。

当磁通门传感器用于深井探测时,环境温度发生较大的变化,磁传感器的温度漂移会直接影响测量数据的准确性。国外针对磁通门传感器的温度补偿方法主要有以下方法,在信号输出电路上接上与探头相同的线圈实现探头的温度补偿[1],在电路中加入线圈,带入电容与电感,使得电路复杂;根据线圈在磁场中的温度系数补偿输出结果[2],没有考虑磁芯的影响,补偿结果不准确等等。本文从测试的结果出发,直接补偿拟合输出值,简单直接准确。除了使用低温度漂移的元器件,减小电路温漂误差外,文章详细研究了磁通门传感器探头的温度特性,结合探头结构原理与最终测试结果,系统分析了探头的温漂原因,并采用最小二乘法对磁探头的温度漂移误差进行拟合补偿。测试与分析结果具有较强的说服力,对工程应用有较大的参考意义。

1 磁通门探头的工作原理

磁通门探头的基本原理服从法拉第电磁感应定律。本文磁通门探头选用双磁芯结构,如图1所示[3-5]。它由激励线圈、感应线圈和磁芯构成,两根磁芯上缠绕的激磁线圈反向串联,两磁芯中的激磁磁场方向在任一瞬间都是空间反向的。周期性激励电流Iexc产生激励磁场,e(t)为感应电压。

图1 双磁芯磁通门探头结构示意图

根据法拉第电磁感应定律,感应线圈的感应电动势为

(1)

其中,W2为感应线圈匝数,H～为激励线圈磁场强度。S为磁芯横截面积,μ为磁芯磁导率。假设激励线圈磁场强度为

H～=Hmcos2πf1t

(2)

式中,Hm为激磁磁场强度幅值,f1为激励电源频率。

由于磁芯磁导率曲线是非线性的,激励磁场瞬时值的周期性变化会引起磁导率μ(t)的变化[6]。μ(t)无正负之分,为时间的偶函数,将μ(t)展开为傅立叶级数,则感应电势e的展开式将出现奇次谐波分量。假设外界环境磁场为H0,则作用于磁芯轴向上的磁场除了激励磁场外还有外界磁场H0。考虑外界磁场H0时公式变成如下所示

(3)

由于作用于磁芯轴向方向的外界磁场分量H0比激励磁场强度的幅值Hm和磁芯饱和磁场强度Hs都小很多,可以忽略H0对磁芯磁导率μ(t)的影响。公式中的最后一项为外界磁场H0所引起的感应电势e的增量e(H0)。将磁芯磁导率μ(t)的傅立叶级数形式代入。在理想情况下,两个磁芯形状尺寸和电磁参数完全对称,激磁磁场在感应线圈中的感应电动势互相抵消,但是环境磁场在两个磁芯轴向的分量是同向的。差分式探头感应线圈的输出电动势为单磁芯的两倍,且输出电压与外界磁场H0成正比关系,即

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

(4)

式中,μ2m,μ4m等分别为各次谐波分量幅值。

通过上式可以看到采用二次谐波法可以测量外界的环境磁场。在设计和制作双磁芯磁通门探头时,应尽可能使两根磁芯的尺寸参数保持一致,且两个激励线圈匝数与电阻尽量相同,从而减小不对称带来的噪声。

2 磁通门传感器探头的温度特性

磁通门传感器的温度漂移误差较大,其中电子元器件、磁探头磁芯材料以及由漆包线绕制的磁线圈都会受到温度的影响,直接影响传感器的刻度因子和零点值[6],导致测量值与真实值之间的明显偏差,所以非常有必要了解磁通门传感器温度特性并进行温漂误差补偿[7]。本文主要从磁通门传感器探头的角度出发,研究分析探头的温度漂移特性,找到探头温漂原因,并拟合补偿漂移误差,从而提高磁通门传感器的测量准确性与温度稳定性。

2.1 探头温度特性曲线

本文选用双磁芯对称结构的磁探头,磁芯材料为非晶坡莫合金,铜漆包线。测试过程对环境要求较高,本试验地点偏僻,环境磁场(包括地磁场)影响较小,试验地点地磁场8 h变化约为15 nT,本次测试时间约为6 h,且相对于最终的试验数据,其影响可以忽略,可以认为输出变化都是温度的变化引起。试验中将多个绕制好的磁探头分散水平放入无磁性高低温温箱中,用胶带固定,并引出导线到外接电路板上。试验地点地磁场约为49 000 nT,水平放置探头,所测值为地磁场的水平分量。

试验开始,先调节温箱温度从20 ℃加温到150 ℃,然后从150 ℃降温到-40 ℃,再从-40 ℃加温到20 ℃,温度循环变化一个周期。通过Aglient 34970采集各个探头在各个温度点上对应的实际输出值。常温下设计的电压与磁场转换系数为100 μV/nT。将所有的探头测试数据绘制成图表,选取具有规律性的曲线,(注:所有磁探头的放置位置略有不同,因此输出电压值不同,本文只关注温度变化时,输出电压的变化量)如图2、图3所示。

图2 磁通门传感器Ⅰ探头输出电压随温度的变化曲线

图2中显示,一个温度循环周期内,输出电压的最小值:3.198 7 V;最大值:3.222 0 V。温度漂移量:0.023 3 V。电压随温度的变化:123 μV/℃。图3中显示,一个温度循环周期内,输出电压的最小值:3.261 5 V;最大值:3.312 9 V。温度漂移量:0.051 4 V。电压随温度的变化:271 μV/℃。

图3 磁通门传感器Ⅱ探头输出电压随温度的变化曲线

从试验数据可以分析得到:①随着温度升高,磁传感器输出电压(即磁感应强度)逐渐变大,温度降低,输出电压逐渐减小。图中清楚的显示输出电压的温度漂移趋势;②试验证明磁探头的温度漂移基本符合线性变化,可以采用线性拟合的补偿方法减小温度漂移;③在升温与降温的循环过程中,磁探头的一致性较好,同一温度测量值偏差较小;④在整个温度范围内,各个磁探头的温漂幅值不同。

2.2 磁探头温度漂移原因

本次试验只为研究磁探头的温度特性,磁探头主要由磁芯与漆包线组成,根据磁通门原理,双磁芯探头输出电压如式(4)所示。影响磁探头输出电压值的主要因素是磁探头的感应线圈匝数N2,磁芯横截面积S,磁导率μ和激励电源频率f1。在温度试验中,感应线圈匝数不变,激励电源频率不变。因此,可以得到以下结论。

①由于磁芯材料具有一定的温度系数,受热后磁滞回线(磁芯磁滞回线数学模型复杂,确定磁滞回线的是B与H的映射关系[8-12],如图4所示)发生偏移,矫顽力Hc与剩磁参数Br发生变化[1];

图4 磁芯磁滞回线示意图

②磁芯材料加工不均匀,各个探头的磁芯特性随温度变化不一致;

③温度变化时激磁线圈热胀冷缩,导致激磁磁场不同,从而使得磁导率的变化不同。

2.3 采取的措施

首先,磁芯材料电磁性能在温度变化时不均匀、不稳定,磁芯材料磁导率越高,电磁性能一致性越不易保证、对环境温度越敏感而导致稳定性越差,所以在满足其他指标要求时,不选用高磁导率材料[3];其次,选用热粘性高温漆包线,绕制探头时,均匀精密,并加热粘紧,减小漆包线随温度的变化形变的程度;最后,在满足以上两点的同时,绕制多个探头,试验筛选出温度性能好,线性度好,一致性好的探头,便于线性拟合与温度补偿。

3 磁通门探头温度漂移补偿

由于无法得到磁通门传感器温度变化与其造成误差的明确函数关系,因此需要采用多种拟合模型。曲线拟合的目的是寻找一条光滑曲线,在某种准则下最佳的拟合数据。最小二乘法具有更好的泛化性能,不易发生局部最优及过拟合现象。其他拟合方法如BP神经网络[6],具有很强的函数逼近能力,但有着收敛速度慢、易陷入局部极小的缺点。本文选用最小二乘法拟合温漂曲线[13],采用MATLAB软件拟合数据[14-15]。

如图5所示,选取探头I试验数据见表1。

图5 3种温度特性拟合曲线

表1 不同温度磁传感器输出电压值

数据拟合曲线如图5所示。

3种拟合曲线方程:

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;

线性拟合残差(实际数据与拟合数据的差值)为0.015 6;二阶拟合残差为0.011;三阶拟合残差为0.010。线性拟合误差比高阶拟合误差大,但计算量小,方程简单。因此,实际应用中应根据需求,合理选择拟合方法。通过曲线拟合,有效地补偿了温度引起的传感器输出漂移误差,提高了传感器输出精度。

4 结论

本文主要研究磁传感器双磁芯磁探头随温度变化的输出特性,在-40 ℃和150 ℃的温度下循环测试多组磁探头,得到磁探头的温度漂移特性曲线。试验结果表明,磁探头输出值随温度升高变大,随温度降低减小,在整个温度范围内,温度特性曲线一致性较好,曲线呈线性变化趋势。根据试验结果,分析了磁探头的温度漂移原因,并提出了减小温度漂移的措施。最后采用最小二乘法拟合输出数据,提高测量精度,完成了磁传感器磁探头宽温度范围温度特性的研究,提高了磁通门传感器的温度稳定性与深井探测等高温环境的应用广泛性。

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齐侃侃(1987-),男,硕士,主要从事磁通门传感器研发、弱磁测量等,goodluckqkk@163.com;

石超(1982-),男,主任设计师,主要从事磁罗盘、测斜仪、磁传感器等设计研发;

吕冰(1987-),男,硕士,主要从事磁通门传感器、光泵等研发。

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