传感器本体及其应用的感应式三轴磁场传感器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种传感器本体及其应用的感应式三轴磁场传感器。该传感器本体包括：磁芯结构，纵剖面呈工字型，中间部分为细长棒状的磁芯，两端部分为扁平状磁通量聚焦器；感应线圈，均匀缠绕于磁芯结构磁芯的外围。本发明通过在细长型磁芯两端加磁盘聚集磁通，等效的提高了磁芯的长径比，突破了传统感应式磁场传感器在有限空间内的噪声极限。
【专利说明】传感器本体及其应用的感应式三轴磁场传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及传感器【技术领域】，尤其涉及一种传感器本体及应用其的感应式三轴磁场传感器。
【背景技术】
[0002]感应式磁场传感器是指基于法拉第电磁感应原理测量磁场微弱变化的仪器。在海洋地球物理观测中，主要用于海洋科学观测网建设、海洋油气勘探中的大地电磁测深(MMT)和海洋可控源电磁(CSEM)仪器中。是海洋地球物理观测中最为广泛磁场测试仪器之一。
[0003]海洋科学观测领域，观测并研究海洋地磁其空间和时间分布规律，是海洋科学观测的基本内容之一，高灵敏度感应式磁场传感器是该项科学活动的必备工具之一，利用高灵敏度的感应式磁场传感器可以精确获取0.1mHz-1OOHz的天然磁场变化信息，该频段信息对海底地质结构、板块构造运动等地学研究有极其重要的参考价值。
[0004]随着深水油气勘探的兴起，海洋电磁法已成为海洋油气勘探的重要手段之一，国内外海洋油气勘探的实践表明:海洋电磁方法通过对目标地质体的电阻率识别，大大提高了钻井成功率，有效降低了海洋石油勘探开采的成本。几乎所有的海洋电磁方法仪器的磁场分量测量均采用感应式磁场传感器进行，如美国SIO研究所、斯伦贝谢等公司的海洋电磁仪器。
[0005]因此，无论是海洋科学活动还是海洋资源能源领域，感应式磁场传感器均是不可或缺的核心技术，直接制约着我国海洋电磁仪器的发展。
[0006]对于海洋磁场探测，感应式磁场传感器的灵敏度在10_4ηΤ/ V Hz-1O^nT/ V Hz (1Hz时)。现有的感应式磁场传感器包括加拿大PHOENIX Geophysics Limited公司的MTC-80型、MTC-50型磁场传感器，德国Metronix Geophysics公司的MFS_06(e)型、MFS-07型磁场传感器等等。这些感应式磁场传感器，外观为细长圆柱形，长度在lm-1.4m，直径IOcm左右，质量一般在8kg-12kg。用于海洋探测时，需要将三支磁场传感器分别采用长圆柱形的承压舱密封，材料为塑料或者铝材，信号通过防水电缆传给浮球内部的接收机。整个仪器体积超过lm3，重量大于400kg，同时需要4-5个深海浮球，用来保证足够的浮力，过大的体积和过高的成本给勘探作业带来巨大的挑战。然而，如果缩小感应式磁场传感器的体积，则会导致其灵敏度降低，等效输入噪声增加，从而不能满足海洋电磁法勘探的需求。
【发明内容】
[0007](一 )要解决的技术问题
[0008]鉴于上述技术问题，本发明提供了一种传感器本体及应用其的感应式三轴磁场传感器，以在保证测量精度的前提下实现感应式三轴磁场传感器的小型化。
[0009]( 二 )技术方案
[0010]根据本发明的一个方面，提供了一种传感器本体。该传感器本体包括:磁芯结构，纵剖面呈工字型，中间部分为细长棒状的磁芯，两端部分为扁平状磁通量聚焦器；感应线圈，均匀缠绕于磁芯结构磁芯的外围。
[0011]根据本发明的一个方面，还提供了一种感应式三轴磁场传感器。该感应式三轴磁场传感器包括:传感器本体模块，包括探测方向两两垂直的三支如上所述的传感器本体；三组斩波放大电路，分别对三支传感器本体感应线圈输出的信号通过斩波方式进行幅度增强。
[0012](三)有益效果
[0013]从上述技术方案可以看出，本发明传感器本体及应用其的感应式三轴磁场传感器具有以下有益效果:
[0014](I)通过在原有的细长型磁芯两端加磁盘聚集磁通，等效的提高了磁芯的长径比，突破了传统感应式磁场传感器在有限空间内的噪声极限；
[0015](2)通过信号补偿模块，使得三轴信号串扰信号最小，提高了磁场测量精度，实现在有限空间内集成三轴磁场传感器。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为根据本发明实施例传感器本体的纵剖面示意图；
[0017]图2为由仿真软件得到的图1所示传感器本体与传统磁场传感器磁通量的对比图；
[0018]图3为根据本发明实施例感应式三轴磁场传感器的结构示意图；
[0019]图4为图3所示感应式三轴磁场传感器中传感器本体模块的示意图；
[0020]图5为图3所示感应式三轴磁场传感器中斩波放大电路将传感器带宽进行拓展的曲线；
[0021]图6为图3所示感应式三轴磁场传感器中斩波放大电路的结构示意图；
[0022]图7为图6所示斩波放大电路中匹配网络模块的电路图；
[0023]图8为图6所示斩波放大电路中调制模块的电路图；
[0024]图9为图6所示斩波放大电路中电流放大模块的电路图；
[0025]图10为图6所示斩波放大电路中解调模块的电路图；
[0026]图11为图6所示斩波放大电路中滤波模块的电路图；
[0027]图12为本发明实施例感应式三轴磁场传感器频率响应测量方法的示意图。
【具体实施方式】
[0028]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属【技术领域】中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
[0029]本发明传感器本体及应用其的感应式三轴磁场传感器通过在原有的细长型磁芯两端加磁盘聚集磁通，等效的提高了磁芯的长径比，并且通过信号补偿模块，使得三轴信号串扰信号得到抑制，从而在保证精度的前提下实现了感应式三轴磁场传感器的小型化。
[0030]在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种传感器本体。图1为根据本发明实施例传感器本体的纵剖面示意图。请参照图1，磁芯的剖面呈工字型，中间部分为细长的圆柱体磁芯，长度为20cm，直径为1.0cm，两端部分呈扁平圆柱状，长度为1.0cm，直径为11cm。这三部分磁芯紧密的固定在一起。
[0031]两端部分的扁平状圆柱体磁芯，称为磁通量聚集器。本发明传感器本体中，两端部分磁通量聚焦器直径与中间部分直径的比例介于2:1~10:1之间，磁通聚集器直径与中间部分的长度的比例介于1:1~1:5之间。
[0032]传感器本体磁芯结构材料均采用软磁铁氧体材料，优选为铁氧体材料。该材料的初始磁导率高、电导率低，可以实现磁感应强度的无损耗放大，从而达到所需灵敏度。
[0033]对于一般有形状的磁芯,无磁通量聚集器，由于退磁场的存在,磁芯有效磁导率μ app远远小于材料本身的初始磁导率。对于棒状磁芯，其退磁因子为:
【权利要求】
1.一种传感器本体,其特征在于,包括: 磁芯结构，纵剖面呈工字型，中间部分为细长棒状的磁芯，两端部分为扁平状磁通量聚焦器； 感应线圈，均匀缠绕于所述磁芯结构中间部分的外围。
2.根据权利要求1所述的传感器本体，其特征在于，所述磁芯结构中:所述中间部分呈细长圆柱形；所述两端部分呈平圆柱状。
3.根据权利要求2所述的传感器本体，其特征在于，所述磁芯结构中，磁通量聚焦器直径与中间部分直径的比例介于2:1~10:1之间，磁通聚集器长度与中间部分长度的比例介于1:1~1:5之间。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器本体，其特征在于，还包括: 骨架，设置于磁芯结构所述中间部分的外围与所述两侧部分的内侧，所述感应线圈缠绕于磁芯结构中间部分外围的骨架上。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器本体，其特征在于，所述磁芯结构的材料为软磁铁氧体材料。
6.—种感应式三轴磁场传感器,其特征在于,包括: 传感器本体模块，包括探测方向两两垂直的三支如权利要求1所述的传感器本体； 三组斩波放大电路，分别对三支传感器本体感应线圈输出的信号通过斩波方式进行幅度增强。
7.根据权利要求6所述的感应式三轴磁场传感器，其特征在于， 匹配网络模块，用于对感应线圈输出谐振点进行补偿，消除谐振尖峰，平滑谐振点处阻抗； 调制模块用于采用预设频率的方波信号将匹配网络模块输出的信号调制至高频，从而实现斩波信号； 电流放大模块，采用运算放大器或者对管放大器对调制模块输出的斩波信号进行低噪声电流放大； 解调模块，采用与调制完全一致的电路结构，将电流放大模块输出信号中的有用信号解调至低频，从而电流放大模块中运算放大器或对管放大器引入的I / f噪声被调制到高频；以及 滤波模块，将调制解调带来的高频信号滤掉，保留有用信号。
8.根据权利要求7所述的感应式三轴磁场传感器，其特征在于，所述匹配网络模块中:从感应线圈输出的感应信号通过第一电阻(Rl)串联接地；并且该感应线圈输出的感应信号经过第二电阻(R2)和第一电感(LI)的并联电路后作为匹配网络模块的输出Vin。
9.根据权利要求7所述的感应式三轴磁场传感器，其特征在于: 所述调制模块采用CMOS模拟开关芯片ADG413 (Ul)实现，其各管脚设置如下:管脚1、管脚8、管脚9、管脚16连接时钟信号CLK ;管脚3和管脚11连接匹配网络模块输出的正信号Vin ;管脚6、管脚14连接信号地；管脚2、管脚15为信号输出正，管脚7、管脚10号为信号输出负，分别连.接放大模块的输入端Vml和Vm2 ;管脚12连接逻辑电压值VL ;管脚13连接供电的正电压VCC ； 所述解调模块与调制模块对称，采用ADG413(U4)实现，其各管脚设置如下:管脚3和14分别接入来自放大模块的信号Vmal和信号Vma2 ;管脚I和管脚16同时接CLK信号；管脚4接电源负VSS信号；管脚5接GND信号；管脚12接VL ;管脚13接电源正VCC ;管脚2和管脚15分别串联第十三电阻(R13)和第十四电阻(R14)后短接，为该解调模块的输出Vdfflt5
10.根据权利要求7所述的感应式三轴磁场传感器，其特征在于，所述解调模块的输出Vdffl通过第七电容(C7)接地；所述滤波模块采用MAX4101ESA(U5)实现，其各管脚设置如下: 管脚3作为输入正，通过第十六电阻(R16)接地； 管脚2作为输入负，通过第十五电阻(R15)连接至所述解调模块的输出Vdm ； 管脚6通过第八电容(CS)和第十七电阻(R17)的并联电路连接到管脚2 ; 管脚7接电源正VCC; 管脚4接电源负VSS; 管脚6为本解调模块的输出信号，即为斩波放大电路的信号输出端Vrat。
11.根据权利要求7所述的感应式三轴磁场传感器，其特征在于，所述放大模块分为第一、二、二级串联放大电路； 第一级放大部分由FET对管-第一对管(Ql)和第二对管(Q2)组成；其中:第一对管(Ql)、第二对管(Q2)的G极分别连接至调制模块的输出Vml和Vm2 ；S极短接，其公共端经过电流源11连接至供电负电压VSS ;D极分别通过第三电阻(R3)、第四电阻(R4)连接至供电正电压VCC，其中，Q1、Q2的D极分别作为第一级放大电路的输出端。 第二级放大电路采用MAX4101ESA(U2)实现，其各管脚设置如下:管脚2依次经过第五电阻(R5)和第一电容(Cl)连接至第一级放大电路中第二对管(Q2)的D级；管脚3依次通过第六电阻(R6)和第二电容(C2)连接至第一级放大电路(Ql)的D极；管脚6经过第四电容(C4)和第八电阻(R8)并联回路和管脚2连接；管脚3经过第七电阻(R7)和第三电容(C3)的并联电路和地连接；管脚6通过第二十电阻(R20)、第十八电阻(R18)串联和Vml连接，第十八电阻(R18)和第二十电阻(R20)之间采用与第十九电阻(R19)串联连接到地上；管脚4连接电源负VSS ;管脚7连接电源正VCC ;管脚6作为第二级放大电路的输出端；管脚6通过第五电容(C5)与Vma2连接，Vma2通过第十二电阻(Rl2)与地连接； 第三级放大亦采用MAX4101ESA(U3)实现，其各管脚设置如下:管脚2作为输入负端，依次经过第九电阻(R9)连接至第二级放大电路中管脚6 ;管脚2作为输入正端接地；管脚2和管脚6之间采用第十电阻(RlO)实现串联回路；管脚4连接电源负VSS ;管脚7连接电源正VCC ;管脚6通过第六电容(C6)相连到输出端Vmal，Vmal通过第十一电阻(Rll)与地连接；VMl和Vnia2作为第三级放大电路的输入端。
12.根据权利要求6至10中任一项所述的感应式三轴磁场传感器，其特征在于，还包括: 信号补偿模块，用于按照以下公式对斩波放大电路输出的信号进行补偿，以减少甚至抵消三轴传感器之间的串扰响应:
13.根据权利要求12所述的感应式三轴磁场传感器，其特征在于: 所述a的取值介于0-5%之间；所述b的取值介于0-10%之间。
【文档编号】G01R33/02GK103472409SQ201310415055
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月12日 优先权日:2013年9月12日
【发明者】朱万华, 闫彬, 刘雷松, 方广有 申请人:中国科学院电子学研究所