长方体结构三轴感应式磁场传感器的制作方法

本发明涉及一种磁场传感器，具体涉及一种三轴感应式磁场传感器。
背景技术：
：感应式磁场传感器是一种宽频带、高灵敏度、性能稳定的磁场传感器，广泛应用于地球物理勘探、空间探测、环境监测等领域。近年来，随着高精度和多维度电磁勘探的迫切需求，用于三维探测的三轴感应式磁场传感器日益受到关注和重视。因此，研发小型化、高灵敏度、适应观测环境条件的三轴感应式磁场传感器是当前传感器研发的重要任务之一。由于物理原理的制约，感应式磁场传感器灵敏度与其体积、长度、重量成正比，同时实现高灵敏度和小型化十分困难。尤其在一些空间尺寸有严格限制的场合，例如(1)石油测井仪器。石油测井井眼直径一般在9-10cm，因此测井仪器严格受井眼尺寸限制。此外，测井仪器中心一般有起支撑和走线作用的心轴，因此，传感器可利用空间进一步缩小为环状圆柱体。在这一有限的空间内实现高灵敏度三轴感应式磁场传感器困难重重。(2)星载空间磁场探测领域。在空间磁场探测应用中，卫星载荷的形状、尺寸和重量都与发射成本成正比，同时实现高灵敏度和小体积是磁测卫星载荷的永恒的追求。(3)海洋磁场探测领域。在海洋磁场探测应用中，海洋电磁仪器系统往往十分庞大，其中感应式磁场传感器占很大比重。如果能缩小感应式磁场传感器的大小，将大大降低整机的体积和重量，将对仪器的投放、回收等海洋工程大有裨益。这些应用环境不仅要求感应式磁场传感器体积小、重量轻，还必须保证足够的灵敏度，对感应式磁场传感器设计提出了新的要求，因此，突破现有传统设计的理论框架，研制新型感应式磁场传感器迫在眉睫。技术实现要素：(一)要解决的技术问题国外如斯伦贝谢、哈里伯顿、阿特拉斯、康普乐、俄罗斯等公司也不断开发测井新技术和仪器，但关于电磁法测井的仪器较少。且有着线圈结构简单，不包含磁芯，空间利用率低等弊端。国内的测井感应式磁场传感器更是刚刚起步，目前尚无成熟的仪器。本发明提供了一种长方体结构的三轴感应式磁场传感器，具有高灵敏度、小型化、轻型化和适应应用环境等特点。(二)技术方案为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种三轴感应式磁场传感器，包括磁芯、线圈和放大电路，所述线圈均匀缠绕于所述磁芯的外部，线圈两端连接放大电路，所述磁芯共12根，其连接成长方体结构，以使得在两两垂直的三个轴向的每个轴向上包含4根磁芯。上述方案中，同一轴向的4个磁芯的外部缠绕的线圈首尾串联，或者同一轴向的4个磁芯的外部缠绕的线圈使用加法电路连接。上述方案中，所述12根磁芯的长度相等，其连接成立方体结构上述方案中，所述传感器工作频率为100s-1Hz，所述放大电路采用斩波放大电路。所述传感器工作频率为1Hz以上，所述放大电路采用BJT或者FET对管搭建仪表放大器。上述方案中，所述传感器还包括骨架，设置在磁芯外部，所述线圈缠绕于骨架上。上述方案中，所述磁芯长度为0.01m～1m，直径为0.001m～0.5m。所述磁芯的材料为软磁铁氧体材料或坡莫合金。(三)有益效果本发明涉及一种长方体结构的三轴感应式磁场传感器，该传感器采用长方体磁芯结构，在小型化的同时保证了高灵敏度，同时由于结构的特殊性，使得传感器内部中空，重量减少，从而在一些特殊情况下，如石油测井、星载空间磁场探测与海洋磁场探测等应用中得以广泛使用。附图说明图1是长方体结构三轴感应式磁场传感器结构示意图。图2是长方体结构三轴感应式磁场传感器框架结构示意图具体实施方式一种三轴感应式磁场传感器，包括磁芯、线圈和放大电路，所述线圈均匀缠绕于所述磁芯的外部，线圈两端连接放大电路，其特征在于，所述磁芯共12根，其连接成长方体结构，以使得在两两垂直的三个轴向的每个轴向上包含4根磁芯。这一结构可以突破传统单轴单线圈传感器的噪声极限，在小型化的同时大大提高了感应式磁场传感器的灵敏度。同时，传感器整体结构内部中空，可以适用于一些特殊应用环境中。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，对本发明作进一步的详细说明。以下具体实施例中三轴12根磁芯长度相同，组成立方体(Cube)结构，该立方体结构为本发明的一种特殊情况，本发明不限于此实施例，不同轴上磁芯的长度可以相同也可以不同，视具体情况而定。感应式磁场传感器主要由磁芯、线圈和放大电路组成，其工作原理是基于法拉第电磁感应定律，即线圈感应电压正比于穿过线圈磁通量的变化率：e(t)=-N×dΦ(t)dt=-μappNS×dB(t)dt]]>其中，t为时间，e为感应电压，N为线圈匝数，Φ为穿过线圈磁通量，μapp为磁芯有效磁导率，S为磁芯横截面积，B为待测磁感应强度。分析上式可知，线圈输出电压与磁芯有效磁导率成正比，因此，后者是决定传感器是否高灵敏度的关键。由图1可以看出，Cube磁芯结构即由每个轴向四根磁芯、三轴共12根磁芯组成。这一结构实现了单轴传感器由四个线圈串联而成，从而使得线圈感应电压增加了四倍，突破了传统单轴单线圈传感器的噪声极限，大大提高了感应式磁场传感器的灵敏度。同时，传感器整体结构内部中空，可以适用于一些特殊应用环境中。除了上述优点，对于单轴而言，线圈匝数分散在了四根磁芯之上，也能大大降低线圈的电感值进而降低线圈谐振频率、拓宽频率范围；对于三轴而言，传感器三轴严格正交对称，最大限度的从结构上降低了传感器三轴串扰，同时内部中空降低了整体重量。本发明实施例中的Cube磁芯的长度和直径可以在有效范围内变化，其中长度变化范围为0.01m-1m，直径变化范围为0.001m-0.5m，具体尺寸应根据实际应用需求而定。在12根磁芯的外部，采用工程塑料作为骨架支撑和保护磁芯，在骨架上均匀缠绕多匝线圈，每轴四个线圈首尾串联，提高输出感应电压。线圈的两端连接低噪声放大电路的输入端，放大器的输出端通过接头输出信号。根据磁芯尺寸、线圈线径、线圈圈数和电路噪声等参数的不同，本发明传感器的等效输入磁场噪声一般为100pT/√Hz-0.1pT/√Hz@1Hz。如图2所示，假设12根磁芯每根长为lcore，直径为d，粗略计算中，可假设12根磁芯搭成了一个边长为lcore的立方体。首先，假设边长为lcore的立方体为实心磁芯，则由于其对称性可以知道退磁因子同时，这一值也可以通过公式计算得到，具体如下：m=lcore2lcore/π=π2NB1=1m2(ln2m-1)≅13]]>因此有该Cube磁芯有效磁导率μapp1为：μapp1=μr1+NB1×(μr-1)]]>其次，考虑Cube磁芯结构，则同一轴向的四根磁芯通过的磁通量应与上述立方体实心磁芯相同，则有实际磁导率μapp为：μapp1×lcore2=μapp×4×π(d2)2]]>综合式(2)与式(3)可以得到Cube磁芯单轴有效磁导率μapp：μapp=μrlcore2(1+NB1×(μr-1))πd2]]>分析上式，可以得知，Cube磁芯单轴四根磁芯的整体有效磁导率不再等于一根磁芯的有效磁导率，也不等于这四根磁芯融为一体的单根磁芯的有效磁导率。本发明实施例使用的磁芯材料为软磁铁氧体材料。该材料的初始磁导率高、电导率低，可以在-40℃～210℃实现磁感应强度的无损耗放大，从而达到所需灵敏度。本发明实施例中多匝线圈采用无氧铜漆包线的方式实现，漆包线耐温等级应为C210p。本发明传感器的电路选择视具体应用情况而定，其中，当传感器工作频率为100s-1Hz时，本发明涉及的低噪声放大电路采用斩波放大电路；当传感器工作频率为1Hz以上时，本发明涉及的低噪声放大电路采用BJT或者FET对管搭建仪表放大器，具体芯片选择可以为MAT12或者IF860。其中，频率的单位Hz＝l/s，上述100s表示0.01Hz。此外，上述对材料和方法的定义并不限于实施例中提到的具体结构和方式，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如：(1)磁芯材料电可以用坡莫合金来代替铁氧体；(2)可以使用加法电路实现四个线圈感应电压相加的效果。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3