基于霍姆赫兹线圈的磁通门探头结构的制作方法

本实用新型涉及通门传感器技术领域，尤其是一种基于霍姆赫兹线圈的磁通门探头结构。

背景技术：

磁通门是一种磁场测量传感器。由于它可以极敏感地感应地磁强度，早在上世纪30年代就被应用于航磁测量技术。磁通门的组成一般要求具有磁场反馈线圈，用以将磁场强度控制在磁芯的线性工作范围之内，传感器的结构直接影响其性能。在很多磁通门设计中，磁场反馈的功能都是直接使用感应线圈完成，这样可以省去一个专门的磁场反馈线圈。但是这种方法也限制了磁场测量的方向，使得一个磁芯只能测量一个方向的磁场。想要测量多个方向的磁场，就必须使用多个磁芯，比如磁通门三轴传感器等。考虑到磁芯的价格一般较高，磁通门的成本随着使用磁芯的数量增加而大幅增加。并且，随着磁芯数量的增加，磁通门的结构的复杂程度增加，维修性也不理想。此外，由于退磁场作用，磁芯各部分在单方向磁场中磁化并不均匀，因此当感应线圈集中测量磁芯中磁导率较大的部分时，可以具有更高的灵敏度。而当感应线圈与反馈线圈为同一个线圈时，为了使反馈磁场可以作用在磁芯整体，线圈需要包围磁芯，此时测得的磁导率为磁芯整体的磁导率的平均值，因此具有相对较低的灵敏度。

Helmholtz线圈由两个半径和匝数完全相同的线圈同轴串接而成，当两个线圈的之间的距离满足一定条件时，在这两个线圈之间可以产生方向一致、大小均匀的磁场。Helmholtz线圈可以产生的磁场范围较大，从小于一奥斯特直至数百奥斯特的磁场均可以产生，可用于地磁场的抵消补偿，磁体特性检测等领域。使用多组Helmholtz线圈进行组合，可以产生一维，二维，三维空间的组合磁场，具有广泛的适用性。

技术实现要素：

本实用新型旨在提供一种在仅使用一个磁芯的情况下，根据感应线圈和Helmholtz线圈数量的不同，可以实现对单轴方向至双轴方向的磁场强度进行测量；在使用两个磁芯的情况下，可以实现对三轴方向的磁场强度进行测量；且结构简单，具有较高的测量精度的基于霍姆赫兹线圈的磁通门探头结构。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：基于霍姆赫兹线圈的磁通门探头结构，包括骨架、中心磁芯组件和Helmholtz线圈，所述骨架由支撑立柱、托盘紧固件和底座组成，其中两根支撑立柱对称设置于底座的顶部，两根支撑立柱的中部均设有托盘紧固件；两根支撑立柱之间设置中心磁芯组件，该中心磁芯组件由磁芯托盘、磁芯和感应线圈组成，其中磁芯外部设有磁场激励线圈，磁芯与磁场激励线圈构成的整体设于磁芯托盘内，磁芯托盘的外部环绕感应线圈，磁芯托盘固定在托盘紧固件上；所述中心磁芯组件的外部设有Helmholtz线圈。

作为本实用新型的进一步方案：所述磁芯的数量为一个或两个，其中两个的磁芯相互正交放置。

作为本实用新型的进一步方案：所述磁芯的形状可以是单棒型或双棒型或环型或管型，磁芯的材料为块状材料或带状材料或丝状材料。

作为本实用新型的进一步方案：所述磁芯的材料为单晶软磁材料或多晶软磁材料或非晶软磁材料。

作为本实用新型的进一步方案：所述磁场激励线圈包覆在磁芯上或环绕在磁芯上。

作为本实用新型的进一步方案：所述感应线圈的数量为一个至三个。

作为本实用新型的进一步方案：所述中心磁芯组件位于Helmholtz线圈所产生的均匀磁场区域内。

作为本实用新型的进一步方案：所述Helmholtz线圈的数量为一组至三组。

作为本实用新型的进一步方案：所述Helmholtz线圈的数量大于一组，任意两组Helmholtz线圈的直径是不同的。

作为本实用新型的进一步方案：所述Helmholtz线圈由两个直径相同的、缠绕匝数相同的铜线圈组成，这两个铜线圈的间距与铜线圈的直径相同，Helmholtz线圈上设有螺丝孔。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：该基于霍姆赫兹线圈的磁通门探头结构在仅使用一个磁芯的情况下，根据感应线圈和Helmholtz线圈数量的不同，可以实现对单轴方向至双轴方向的磁场强度进行测量；在使用两个磁芯的情况下，可以实现对三轴方向的磁场强度进行测量；且结构简单，具有较高的测量精度，灵敏度最高可以达到5pTrms/√Hz@1Hz。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的中心磁芯组件的结构示意图；

图3为本实用新型的磁芯的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-3，本实用新型实施例中，基于霍姆赫兹线圈的磁通门探头结构，包括骨架、中心磁芯组件和Helmholtz线圈7，所述骨架由支撑立柱1、托盘紧固件2和底座3组成，其中两根支撑立柱1对称设置于底座3的顶部，两根支撑立柱1的中部均设有托盘紧固件2；两根支撑立柱1之间设置中心磁芯组件，该中心磁芯组件由磁芯托盘4、磁芯5和感应线圈6组成，其中磁芯5外部设有磁场激励线圈，磁芯5与磁场激励线圈构成的整体设于磁芯托盘4内，磁芯托盘4的外部环绕感应线圈6，磁芯托盘4固定在托盘紧固件2上；

所述中心磁芯组件的外部设有Helmholtz线圈7，该Helmholtz线圈7由两个直径相同的、缠绕匝数相同的铜线圈组成，这两个铜线圈的间距与铜线圈的直径相同。

进一步，单轴和两个轴方向的磁场可以由一个磁芯5测量，三个轴方向的磁场可以由两个正交放置的磁芯5测量。

进一步，所述各个结构由内到外的顺序是：中心磁芯组件、感应线圈6、Helmholtz线圈7。

进一步，所述磁芯5的形状可以是单棒型、双棒型、环型和管型等类型。

进一步，所述磁芯5的类型可以是块状材料，带状材料，丝状材料，薄膜材料等。

进一步，所述磁芯5的材料可以是单晶软磁材料、多晶软磁材料、非晶软磁材料等磁性材料。

进一步，所述磁场激励线圈与磁芯5的位置关系可以有包覆、环绕等多种。

进一步，所述感应线圈6可以是一个至三个，分别对应测量单轴至三轴方向的磁场分量

进一步，所述磁芯5，磁场激励线圈，磁场感应线圈6组成的中心磁芯组件位于Helmholtz线圈7所产生的均匀磁场区域内。

进一步，所述Helmholtz线圈7可以是一组至三组。

进一步，所述Helmholtz线圈7如果不止一组，任意两组Helmholtz线圈7的直径是不同的。

进一步，所述Helmholtz线圈7上设有便于安装固定的螺丝孔8。

本实用新型根据使用的磁芯5、测量线圈和反馈线圈的数量和方向的不同，该传感器探头可以测量单轴方向至三轴方向的磁场分量。如图所示为本实用新型的一种代表性示例，图中感应线圈6数量为两个，Helmholtz线圈7的数量为两组，可以测量两个方向(即xy平面)的磁场分量，在本实施例中，磁场激励线圈缠绕在磁芯5的外环上并包覆磁环，缠绕了激励线圈的磁芯5被放置在磁芯托盘4中。两个感应线圈6环绕磁芯5，其中一个感应线圈6设于另一个感应线圈6的外侧，两个感应线圈6相互垂直，构成x轴、y轴两个测量轴，可以测量xy平面内的磁场。

两个Helmholtz线圈7分别作为x方向反馈线圈与y方向反馈线圈，两组Helmholtz线圈7的直径不同，直径较大的一个Helmholtz线圈7设于直径较小的Helmholtz线圈7的外侧。这两组Helmholtz线圈7通过连接支撑立柱1固定在探头的外围，x方向反馈线圈和y方向反馈线圈会在其中心区域产生均匀的磁场，这两组线圈分别由不同的电源提供电流，可以独立的产生磁场，通过两组反馈线圈产生的磁场的叠加，可以得到在xy平面内的反馈场。

工作时，在激励线圈中通一交变电流，励磁线圈中的周期性交变电流和环境磁场的共同作用下，将磁芯5磁化至深度饱和状态，在包裹磁芯5的感应线圈6中会产生周期性的感生电动势，感应电动势中含有激励信号的偶次谐波。其中，偶次谐波与环境磁场之间具有确定的数量关系。当没有环境磁场存在时，输出信号中没有偶次谐波分量；当存在环境磁场并且当环境磁场远小于磁芯5的饱和磁化强度时，偶次谐波(特别是二次谐波)和环境磁场具有近似线性关系。当有外部磁场存在时，感应线圈6会有输出信号，信号主要是激励信号频率的偶次谐波成分，经过滤波后可以得到二次谐波信号。二次谐波信号大小与外部磁场成正比，因此可以测量外部磁场的强度和方向。当外部磁场较大超过偶次谐波线性区域时，可以使用反馈线圈产生一个与外部磁场相反的磁场，抵消掉一部分被测磁场，从而使磁通门工作在线性工作范围内。

本实用新型的结构特点及其原理：本实用新型提供一种使用Helmholtz线圈作为磁场反馈线圈的磁通门结构。在仅使用一个磁芯的条件下，根据感应线圈以及Helmholtz线圈的数量和方向不同，能够探测弱磁场扰动在单轴或双轴方向的变化；在仅使用两个个磁芯的条件下，根据感应线圈以及Helmholtz线圈的数量和方向不同，能够探测弱磁场扰动在三个轴向的变化。本发明的磁芯结构可以使用多种形状。

本实用新型提供一种使用Helmholtz线圈作为磁场反馈线圈的磁通门传感器探头，磁芯位于探头的中心位置的框架内，其被磁场激励线圈环绕或包覆。磁场激励线圈用于对磁芯提供激励磁场。磁场感应线圈位于磁芯和激励线圈的外部，用于测量感应线圈内部的磁场信号。所述的Helmholtz线圈为磁场反馈线圈，位于磁通门探头的最外层，用于对外磁场的反馈调控。由于Helmholtz线圈产生的磁场具有很高的精度，本实用新型结构制造的磁通门探头具有较高的灵敏度，其灵敏度可以达到5pTrms/√Hz@1Hz。通过使用Helmholtz线圈作为磁场反馈线圈，本实用新型结构中的感应线圈可以调整在测量方向上的长度和位置，以提高对磁场感应的灵敏度。

其中，当使用一个磁芯时，可以测量单轴和双轴方向的磁场强度；当使用两个磁芯时，可以测量三个轴方向的磁场强度。

其中，所述激励线圈位于磁场感应线圈的内部，激励线圈缠绕或包围磁芯整体，形成闭合磁路。

其中，所述磁场感应线圈可以包括一个、两个或三个正交的感应线圈。当具有两个感应线圈时，两个线圈应相互垂直放置，构成xy测量面，所述线圈的中心放置有一个共用的磁芯构成平面双轴磁通门；当具有三个测量线圈时，x轴测量线圈、y轴测量线圈和z轴测量线圈相互垂直构成xyz三维空间；所述线圈的中心放置有一个平面共用的磁芯和一个正交放置的磁芯，构成单轴至三轴磁通门。

其中，所述的Helmholtz线圈由两个半径和匝数完全相同的线圈共轴串接而成，Helmholtz线圈可以为一组、两组或者三组，对应于产生单轴、双轴或者三轴方向的反馈磁场，当Helmholtz线圈数量为一组或以上时，每两组Helmholtz线圈之间相互垂直排列。Helmholtz线圈位于磁通门探头的最外层。对于每一组Helmholtz线圈，磁芯、磁场激励线圈、测量线圈位于Helmholtz线圈所形成的均匀磁场区域内。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。