双磁芯磁通门式传感器磁对称性的频谱分析方法

隗燕琳，王彦东，曾祥子，陈李健，丁炜伦

（92957部队，浙江舟山316001）

0 引言

当前采用的测磁方法很多，各种新型的测磁元件也不断出现。磁通门式传感器由于具有结构简单、性能可靠、灵敏度高、尺寸小、重量轻、功耗不大等优点，至今仍得到广泛应用。目前消磁电流控制系统中使用的磁敏感元件主要就是磁通门式传感器，传感器的输出电压作为消磁电流控制系统的控制信号。其中双磁芯磁通门式传感器因其电路简单，灵敏度较高而作为消磁电流控制系统中的应用主流。但该磁传感器若磁路不对称，将产生零场输出电压[1]，即：所测磁场为0时，仍有控制电压输出，消磁系统仍然存在输出电流，这将造成消磁电流控制系统的输出误差。

本文提出的双磁芯磁通门式传感器磁对称性的频谱分析方法能依据双磁芯磁传感器的工作特性，通过对传感器输出信号的频谱分析有效地评估磁传感器的磁对称性。

1 双磁芯磁通门式传感器工作原理

双磁芯磁通门式传感器使用两根磁芯[1]，上面绕有激励线圈Wj和输出线圈Wout。激励线圈Wj反接，输出线圈Wout在两根铁芯外缠绕，如图1所示。

图1 磁传感器结构图

这种磁传感器的两根磁芯互相平行放置，通常采用带状磁芯。在理想情况下，两根磁芯材质特性完全一致，由于激励线圈Wj串连反接，无外磁场作用情况下，当在激励线圈Wj上施加一定频率f的激励电流时，左右两磁芯的磁感应强度B均只有奇次谐波且对称反向，两根铁芯中的总磁感应强度B互相抵消，因此输出线圈Wout的输出电压为0。当有外磁场Hε作用时，一个磁芯的合成磁场为Hε+Hj，另一个磁芯则为Hε-Hj，其中Hj=Hmcosωt，为磁芯中由激励电流产生的磁场强度。两根磁芯磁感应强度B随时间变化曲线的正负半周均不对称（如图2中Hs为磁芯的饱和磁场强度），除基波及其他奇次谐波外，出现了偶次谐波，主要是二次谐波。外磁场Hε越大，磁感应强度B正负半周不对称程度增加，二次谐波的幅值也相应增加。此时两根铁芯中的总磁感应强度B不再互相抵消，而是随时间而变化，通过输出线圈Wout的总磁通量的变化率不为0，故有感应电压输出。两根铁芯中磁感应强度B的奇次谐波幅值相同，相位相反，偶次谐波（以二次谐波为主）相位相同，故总磁通为二次谐波磁通，输出电压为二次谐波电压，其幅值随Hε值增加而增加，其相位则随外磁场Hε反向而反向。用输出线圈Wout输出的二次谐波电压作为消磁电流控制系统的控制信号就可得到满足消磁要求的系统输出信号。

图2 磁芯磁感应强度曲线

由以上原理可知：双磁芯磁通门式传感器中两根磁芯及绕制线圈所组成的磁路，若其磁对称性理想，输出线圈Wout上没有基波及奇次谐波电压，该磁路能输出消磁电流控制系统的理想控制信号；若传感器中左右磁路对称性较差，两根磁芯中磁感应强度B的基波及奇次谐波相位相反，但幅值不同，无法相互抵消，这将使得输出线圈Wout上的输出电压中出现基波及奇次谐波电压，当无外磁场作用时，输出线圈Wout上的输出基波及奇次谐波电压仍会作为控制信号使得消磁系统产生系统输出信号，这就是零场误差；当有外磁场Hε作用时，会在二次谐波电压产生的系统输出信号上叠加输出线圈Wout基波及奇次谐波输出电压产生的误差信号，这就是消磁电流控制系统控制误差的来源之一。

因此，检测双磁芯磁通门式传感器输出线圈Wout上输出电压中的基波及奇次谐波就可评估传感器中两根磁芯及绕制线圈所组成磁路的对称性。

2 频谱分析

双磁芯磁通门式传感器的电路中混入的主要干扰信号均为平稳随机信号[2]，即：这些信号的离散采样值，其均值与时间n无关，其相关函数与时间的选取起点无关，而仅和时间差有关。平稳随机信号的功率谱不随时间变化，其在任一时间点附近的形态基本一致，只需分析这些信号的频域特性，因此，快速傅里叶变换FFT适用于双磁芯磁通门式传感器中各电信号的频谱分析[3-4]。

在对信号x(t)作DFT时，参数选择的一般原则分析如下。

（1）若已知信号的最高频率fc，为了防止混叠，选定采样频率fs：

（2）根据实际需要，选定频率分辨率Δf，一旦Δf选定，即可确定需采样的数据点数N：

其中Δf越小越好，但Δf越小，使计算量、存储量也随之增大。

（3）fs和N确定以后，即可确定所需相应模拟信号x(t)的长度T，即采样时间：

式中：Ts为采样周期。

若需要从频谱图中清晰准确的分辨出噪声信号，则要求尽可能地减小时频变换造成的频谱泄露，这需要合理设置采样点N、采样频率fs、信号频率f之间的关系，以获得较高的频率分辨率Δf。频率分辨率是指频谱图中能区分出的最小频率刻度。如Δf=0.01，频谱图中横坐标频率的最小刻度为0.01，比0.01小的频率在频谱图上是没有准确数据的，因此，如果信号所包含的频率分量不是Δf的整数倍，那么这个频率分量就不会得到正确的反映，就会造成频谱泄露。因此，对信号进行频谱分析时需要使信号中所含的各种频率均为频率分辨率Δf的整数倍，这样才能利用频谱分析结果较为精确地提取噪声信号。

对消磁电流控制系统中双磁芯磁通门式传感器输出电压进行信号监测时，取频率分辨率为[Δf]=0.01 Hz，Δf=1/ts，则采样时间ts=100 s，采样总点数N=fs·ts。

3 基于频谱分析的双磁芯磁通门式传感器对称性评估

选定3个结构相同、同一厂家生产的双磁芯磁通门式传感器，采集传感器输出的电压信号，利用FFT对这些信号进行频谱分析。这3个传感器的激磁电路产生的基波频率为4 kHz，输出线圈中电压信号的二次谐波频率为8 kHz，这要求信号采样频率必须大于16 kHz，采样间隔必须大于62.5 μs。为了获得更精确的采样值，取采样间隔为20 μs，此时采样频率为信号最高频率的6倍以上，采样总点数为N=fs·ts=5×106，对信号采样结束后截取N点信号值即可进行频率分辨率为0.01的频谱分析计算。频谱分析结果如图3所示。

图3 磁传感器输出信号时域图及频谱图

由频谱分析结果可知：（1）#1磁传感器4 kHz基波信号幅值最大，三次谐波分量幅值为第2位，二次谐波8 kHz信号仅处于第3位；#2磁传感器4 kHz基波信号幅值最大，8 kHz信号处于第2位；#3磁传感器输出的控制电压信号中8 kHz信号处于第1位，4 kHz信号处于第2位。（2）3个磁传感器的测量线圈输出端电压信号中均包含的4 kHz基波分量，这说明传感器中左右磁路不对称，两根铁心中磁感应强度B的基波及奇次谐波相位相反，但幅值不同，无法相互抵消，致使在输出线圈Wout上输出基波及奇次谐波电压。

因此，#1、#2磁传感器磁路严重不对称，#3磁传感器磁路较为不对称，但磁对称性优于#1、#2磁传感器。

4 结束语

本文提出的双磁芯磁通门式传感器磁对称性的频谱分析方法，是依据该磁传感器的工作特性，由快速傅里叶变换FFT提取磁传感器输出的控制信号中的特征频率，由这些频率对应的幅值大小评估双磁芯磁通门式传感器的对称能性。实验证明，该方法能较准确地提取出磁传感器输出控制信号中的特征频率，能快速便捷地评估双磁芯磁通门式传感器的磁对称性。该方法能为消磁电流控制系统的输出误差提供分析依据，使磁通门式传感器及消磁控制系统得到进一步改进与完善。