用于磁阻测量交变磁场的奇次谐波分量非线性补偿方法

本发明属于交变磁场测量，涉及一种用于磁阻测量交变磁场的奇次谐波分量非线性补偿方法。

背景技术：

1、磁阻传感器是利用某些材料磁阻效应制成的磁敏感元件，包括各向异性磁阻(anisotropic magneto resistance，amr)传感器、巨磁阻(giant magneto resistance，gmr)传感器以及隧道磁阻(tunneling magneto resistance，tmr)传感器等。不同于线圈基于电磁感应原理间接测量磁场，磁阻基于磁阻效应可对磁场进行直接测量。因此，磁阻测量交变磁场时其测量灵敏度几乎不受频率影响。磁阻以其频率独立特性、灵敏度高以及尺寸小等优点取代线圈，被成功应用在电磁层析成像、涡流检测等交变磁场测量技术中。

2、磁阻主要由铁磁性材料构成，其输出特性曲线近似于铁磁性材料的磁化曲线，具有非线性特性。当被测交变磁场幅值较大时，磁阻非线性特性会导致其输出波形发生畸变甚至饱和，进而影响磁阻测量结果的准确性。针对磁阻非线性特性问题，现有解决方案大多通过实测获取磁阻输出特性曲线，利用构建的磁阻输出与输入关系对磁阻非线性测量结果进行校正[1][2]。然而，实测磁阻输出特性曲线往往需要设计复杂的测试装置并进行大量的实验，实现过程复杂且繁琐。钳位电路同样会导致测量波形发生饱和，崔自强等人通过解调饱和波形中奇次谐波分量对测量结果进行补偿，提高了测量结果的准确性[3]。但是目前由于难以精准地确定奇次谐波分量与补偿后测量结果之间的关系，只能通过拟合实测数据获得。

3、参考文献

4、[1].辛守乔,肖立业,马玉鹏.巨磁阻传感器输出非线性与温漂的补偿[j].高电压技术,2013,39(5):6.

5、[2].xie f,weiss r,weigel r.hysteresis compensation method formagnetoresistive sensors based on single polar controlled magnetic fieldpulses[j].ieee transactions on industrial electronics,2017(1):64.

6、[3].cui z,hu y,wang h.survey of signal clamping for digital phasesensitive detector[j].review of scientific instruments,2020,91(1):015109.

技术实现思路

1、本发明的目的是提供用于磁阻测量交变磁场的奇次谐波分量非线性补偿方法。技术方案如下：

2、一种用于磁阻测量交变磁场的奇次谐波分量非线性补偿方法，包括以下步骤：

3、步骤1，确定磁阻测量交变磁场输出信号的奇次谐波分量最高阶次n；

4、步骤2，构建磁阻输出信号奇次谐波分量幅值与被测磁场强度幅值的数学关系：

5、

6、其中，a为被测磁场强度幅值；a1和a3,a5,...,an分别为磁阻输出信号基波和各奇次谐波的幅值信息；c1为表征磁阻输出特性的奇次多项式函数中一次项系数；

7、步骤3，获取磁阻输出信号基波和各奇次谐波的幅值信息以及磁阻线性工作区间灵敏度s；

8、步骤4，使用磁阻线性工作区间灵敏度s代替磁阻输出特性中一次项系数c1得到用于磁阻测量交变磁场的奇次谐波分量非线性补偿公式：

9、

10、其中，ac为补偿后的磁阻测量结果；利用磁阻输出信号基波和各奇次谐波的幅值信息以及磁阻线性工作区间灵敏度对磁阻测量结果进行非线性补偿。

11、进一步地，步骤1的方法为：对磁阻施加幅值超过饱和磁场范围的交变激励磁场，对其输出信号进行频谱分析，确定频谱中出现奇次谐波分量的最高阶次n。

12、进一步地，步骤2具体为：

13、步骤2-1，使用n阶奇次多项式函数表征磁阻输出特性

14、

15、其中，x为被测交变磁场信号；y为磁阻输出信号；c0,c1,…,c(n+1)/2为奇次多项式函数的系数；

16、步骤2-2，获取磁阻测量交变磁场信号的输出信号表达式

17、被测交变磁场信号的表达式为

18、

19、其中，a、分别为被测交变磁场信号的幅值和相角；ω为已知被测交变磁场信号频率f对应的角频率，ω＝2πf；

20、将被测交变磁场信号表达式代入磁阻输出特性表达式中可得磁阻输出信号表达式：

21、

22、步骤2-3，对磁阻输出信号进行傅里叶级数展开：

23、傅里叶级数的公式为

24、

25、其中，a0,ak,bk为傅里叶系数，

26、

27、其中，t＝2π/ω为磁阻输出信号周期；

28、磁阻输出信号的相角与基波和各奇次谐波的幅值ak无关，令磁阻输出信号表达式中并代入到傅里叶系数ak,bk中，可得

29、

30、ak中bk中ak中可得

31、

32、步骤2-4，获取磁阻输出信号基波和各奇次谐波的幅值表达式

33、利用傅里叶系数ak,bk获得基波和各奇次谐波的幅值信息

34、

35、其中，k＝1时ak为基波幅值，k＝3,5,...,n时ak为奇次谐波幅值；

36、将ak＝0和代入可进一步得到基波和各奇次谐波的幅值信息表达式为

37、

38、联立方程组a1,a3,a5,...,an，求解方程组可获得磁阻输出信号奇次谐波分量幅值与被测磁场强度幅值的数学关系为

39、进一步地，步骤3具体包括以下步骤：

40、步骤3-1，基于多频正交序列解调获得磁阻输出信号基波a1和各奇次谐波的幅值信息a3,a5,...,an；

41、步骤3-2，获得磁阻线性工作区间灵敏度s

42、进一步地，步骤3-2采用下述的标定方法实现：在磁阻线性工作区间范围内对磁阻分别施加幅值为as1和as2的直流磁场信号，分别测得磁阻输出信号为ys1和ys2，磁阻线性工作区间灵敏度为s＝(ys1-ys2)/(as1-as2)。

43、以上方法，利用磁阻输出信号奇次谐波分量幅值信息对磁阻测量交变磁场结果进行非线性补偿。该方法具有以下优势：

44、(1)该方法不需要实测磁阻输出特性曲线，因此，易于实现；

45、(2)该方法获得了奇次谐波分量与补偿后测量结果的数学关系，因此，方法简单；

46、(3)该方法有效克服了磁阻非线性特性的影响，提高了测量结果的准确性。

技术特征：

1.一种用于磁阻测量交变磁场的奇次谐波分量非线性补偿方法，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的奇次谐波分量非线性补偿方法，其特征在于，步骤1的方法为：对磁阻施加幅值超过饱和磁场范围的交变激励磁场，对其输出信号进行频谱分析，确定频谱中出现奇次谐波分量的最高阶次n。

3.根据权利要求1所述的奇次谐波分量非线性补偿方法，其特征在于，步骤2具体为：

4.根据权利要求1所述的奇次谐波分量非线性补偿方法，其特征在于，步骤3具体包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的奇次谐波分量非线性补偿方法，其特征在于，步骤3-2采用下述的标定方法实现：在磁阻线性工作区间范围内对磁阻分别施加幅

技术总结
本发明涉及一种用于磁阻测量交变磁场的奇次谐波分量非线性补偿方法，包括以下步骤：确定磁阻测量交变磁场输出信号的奇次谐波分量最高阶次；构建磁阻输出信号奇次谐波分量幅值与被测磁场强度幅值的数学关系；获取磁阻输出信号基波和各奇次谐波的幅值信息以及磁阻线性工作区间灵敏度；使用磁阻线性工作区间灵敏度代替磁阻输出特性中一次项系数得到用于磁阻测量交变磁场的奇次谐波分量非线性补偿公式。

技术研发人员：王超,叶松
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15