雙磁芯磁通門式傳感器磁對稱性的頻譜分析方法

隗燕琳，王彥東，曾祥子，陳李健，丁煒倫

（92957部隊，浙江舟山316001）

0 引言

當前采用的測磁方法很多，各種新型的測磁元件也不斷出現。磁通門式傳感器由于具有結構簡單、性能可靠、靈敏度高、尺寸小、重量輕、功耗不大等優點，至今仍得到廣泛應用。目前消磁電流控制系統中使用的磁敏感元件主要就是磁通門式傳感器，傳感器的輸出電壓作為消磁電流控制系統的控制信號。其中雙磁芯磁通門式傳感器因其電路簡單，靈敏度較高而作為消磁電流控制系統中的應用主流。但該磁傳感器若磁路不對稱，將產生零場輸出電壓[1]，即：所測磁場為0時，仍有控制電壓輸出，消磁系統仍然存在輸出電流，這將造成消磁電流控制系統的輸出誤差。

本文提出的雙磁芯磁通門式傳感器磁對稱性的頻譜分析方法能依據雙磁芯磁傳感器的工作特性，通過對傳感器輸出信號的頻譜分析有效地評估磁傳感器的磁對稱性。

1 雙磁芯磁通門式傳感器工作原理

雙磁芯磁通門式傳感器使用兩根磁芯[1]，上面繞有激勵線圈Wj和輸出線圈Wout。激勵線圈Wj反接，輸出線圈Wout在兩根鐵芯外纏繞，如圖1所示。

圖1 磁傳感器結構圖

這種磁傳感器的兩根磁芯互相平行放置，通常采用帶狀磁芯。在理想情況下，兩根磁芯材質特性完全一致，由于激勵線圈Wj串連反接，無外磁場作用情況下，當在激勵線圈Wj上施加一定頻率f的激勵電流時，左右兩磁芯的磁感應強度B均只有奇次諧波且對稱反向，兩根鐵芯中的總磁感應強度B互相抵消，因此輸出線圈Wout的輸出電壓為0。當有外磁場Hε作用時，一個磁芯的合成磁場為Hε+Hj，另一個磁芯則為Hε-Hj，其中Hj=Hmcosωt，為磁芯中由激勵電流產生的磁場強度。兩根磁芯磁感應強度B隨時間變化曲線的正負半周均不對稱（如圖2中Hs為磁芯的飽和磁場強度），除基波及其他奇次諧波外，出現了偶次諧波，主要是二次諧波。外磁場Hε越大，磁感應強度B正負半周不對稱程度增加，二次諧波的幅值也相應增加。此時兩根鐵芯中的總磁感應強度B不再互相抵消，而是隨時間而變化，通過輸出線圈Wout的總磁通量的變化率不為0，故有感應電壓輸出。兩根鐵芯中磁感應強度B的奇次諧波幅值相同，相位相反，偶次諧波（以二次諧波為主）相位相同，故總磁通為二次諧波磁通，輸出電壓為二次諧波電壓，其幅值隨Hε值增加而增加，其相位則隨外磁場Hε反向而反向。用輸出線圈Wout輸出的二次諧波電壓作為消磁電流控制系統的控制信號就可得到滿足消磁要求的系統輸出信號。

圖2 磁芯磁感應強度曲線

由以上原理可知：雙磁芯磁通門式傳感器中兩根磁芯及繞制線圈所組成的磁路，若其磁對稱性理想，輸出線圈Wout上沒有基波及奇次諧波電壓，該磁路能輸出消磁電流控制系統的理想控制信號；若傳感器中左右磁路對稱性較差，兩根磁芯中磁感應強度B的基波及奇次諧波相位相反，但幅值不同，無法相互抵消，這將使得輸出線圈Wout上的輸出電壓中出現基波及奇次諧波電壓，當無外磁場作用時，輸出線圈Wout上的輸出基波及奇次諧波電壓仍會作為控制信號使得消磁系統產生系統輸出信號，這就是零場誤差；當有外磁場Hε作用時，會在二次諧波電壓產生的系統輸出信號上疊加輸出線圈Wout基波及奇次諧波輸出電壓產生的誤差信號，這就是消磁電流控制系統控制誤差的來源之一。

因此，檢測雙磁芯磁通門式傳感器輸出線圈Wout上輸出電壓中的基波及奇次諧波就可評估傳感器中兩根磁芯及繞制線圈所組成磁路的對稱性。

2 頻譜分析

雙磁芯磁通門式傳感器的電路中混入的主要干擾信號均為平穩隨機信號[2]，即：這些信號的離散采樣值，其均值與時間n無關，其相關函數與時間的選取起點無關，而僅和時間差有關。平穩隨機信號的功率譜不隨時間變化，其在任一時間點附近的形態基本一致，只需分析這些信號的頻域特性，因此，快速傅里葉變換FFT適用于雙磁芯磁通門式傳感器中各電信號的頻譜分析[3-4]。

在對信號x(t)作DFT時，參數選擇的一般原則分析如下。

（1）若已知信號的最高頻率fc，為了防止混疊，選定采樣頻率fs：

（2）根據實際需要，選定頻率分辨率Δf，一旦Δf選定，即可確定需采樣的數據點數N：

其中Δf越小越好，但Δf越小，使計算量、存儲量也隨之增大。

（3）fs和N確定以后，即可確定所需相應模擬信號x(t)的長度T，即采樣時間：

式中：Ts為采樣周期。

若需要從頻譜圖中清晰準確的分辨出噪聲信號，則要求盡可能地減小時頻變換造成的頻譜泄露，這需要合理設置采樣點N、采樣頻率fs、信號頻率f之間的關系，以獲得較高的頻率分辨率Δf。頻率分辨率是指頻譜圖中能區分出的最小頻率刻度。如Δf=0.01，頻譜圖中橫坐標頻率的最小刻度為0.01，比0.01小的頻率在頻譜圖上是沒有準確數據的，因此，如果信號所包含的頻率分量不是Δf的整數倍，那么這個頻率分量就不會得到正確的反映，就會造成頻譜泄露。因此，對信號進行頻譜分析時需要使信號中所含的各種頻率均為頻率分辨率Δf的整數倍，這樣才能利用頻譜分析結果較為精確地提取噪聲信號。

對消磁電流控制系統中雙磁芯磁通門式傳感器輸出電壓進行信號監測時，取頻率分辨率為[Δf]=0.01 Hz，Δf=1/ts，則采樣時間ts=100 s，采樣總點數N=fs·ts。

3 基于頻譜分析的雙磁芯磁通門式傳感器對稱性評估

選定3個結構相同、同一廠家生產的雙磁芯磁通門式傳感器，采集傳感器輸出的電壓信號，利用FFT對這些信號進行頻譜分析。這3個傳感器的激磁電路產生的基波頻率為4 kHz，輸出線圈中電壓信號的二次諧波頻率為8 kHz，這要求信號采樣頻率必須大于16 kHz，采樣間隔必須大于62.5 μs。為了獲得更精確的采樣值，取采樣間隔為20 μs，此時采樣頻率為信號最高頻率的6倍以上，采樣總點數為N=fs·ts=5×106，對信號采樣結束后截取N點信號值即可進行頻率分辨率為0.01的頻譜分析計算。頻譜分析結果如圖3所示。

圖3 磁傳感器輸出信號時域圖及頻譜圖

由頻譜分析結果可知：（1）#1磁傳感器4 kHz基波信號幅值最大，三次諧波分量幅值為第2位，二次諧波8 kHz信號僅處于第3位；#2磁傳感器4 kHz基波信號幅值最大，8 kHz信號處于第2位；#3磁傳感器輸出的控制電壓信號中8 kHz信號處于第1位，4 kHz信號處于第2位。（2）3個磁傳感器的測量線圈輸出端電壓信號中均包含的4 kHz基波分量，這說明傳感器中左右磁路不對稱，兩根鐵心中磁感應強度B的基波及奇次諧波相位相反，但幅值不同，無法相互抵消，致使在輸出線圈Wout上輸出基波及奇次諧波電壓。

因此，#1、#2磁傳感器磁路嚴重不對稱，#3磁傳感器磁路較為不對稱，但磁對稱性優于#1、#2磁傳感器。

4 結束語

本文提出的雙磁芯磁通門式傳感器磁對稱性的頻譜分析方法，是依據該磁傳感器的工作特性，由快速傅里葉變換FFT提取磁傳感器輸出的控制信號中的特征頻率，由這些頻率對應的幅值大小評估雙磁芯磁通門式傳感器的對稱能性。實驗證明，該方法能較準確地提取出磁傳感器輸出控制信號中的特征頻率，能快速便捷地評估雙磁芯磁通門式傳感器的磁對稱性。該方法能為消磁電流控制系統的輸出誤差提供分析依據，使磁通門式傳感器及消磁控制系統得到進一步改進與完善。