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迟滞时间差型磁通门传感器及磁测装置的设计

作　者: 马波
导　师: 程德福
学　校: 吉林大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 迟滞时间差钴基非晶合金 PCB工艺磁通门传感器磁测装置
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

磁通门传感器是弱磁场测量应用中较为重要的器件,其原理服从法拉第电磁感应定律,其模型类似于变压器模型。根据电磁场理论,利用磁芯的磁滞特性,磁通门将磁信号最终转换成便于测量的电信号。目前,大多数磁通门都是通过检测其输出信号的偶次谐波幅度来测量磁场的,其灵敏度受传感器噪声的制约,需采用差分等能够抑制奇次谐波噪声或带有补偿线圈的探头结构。同时由于传统磁通门需要检测偶次谐波幅度,因而其检测电路较为复杂,后续数据处理也较为烦琐。要提高磁通门的灵敏度、分辨力及精度等性能指标,除了改进制作工艺,提高制作技术水平外,还必须从磁通门的原理入手研究新的检测机理。本文提出了迟滞时间差检测机理,系统地建立了迟滞时间差型磁通门的数学模型,并依此机理完成新型磁通门实体的制作,最终实现高灵敏度、高分辨力的磁测装置的设计。根据电磁场理论建立迟滞时间差型磁通门传感器模型,并推导迟滞时间差同励磁场及待测磁场的关系以及灵敏度同励磁幅度和频率的关系。以迟滞时间差为检测对象,采用高导磁率、高矩形比的钴基非晶合金为磁敏感材料,运用PCB工艺,制作完成一种单磁芯探头结构的新型磁通门传感器。以迟滞时间差型磁通门实体为磁探头,文中完成便携式弱磁测量装置的设计,并实现-4×104nT～+4×104nT弱磁场的标定,其分辨力达到60nT。同传统磁通门相比,传感器的探头结构得到很大的简化,体积有效地减小,易于微型化;检测电路简单,磁测装置的体积也大为减小,易于便携式测量;数据处理简单,测量周期短;在传感器的体积和功耗同时降低的情况下,可以使灵敏度和分辨力等性能指标达到理想。

全文目录

内容提要  4-8
第1章绪论  8-13
  1.1 课题研究背景  8-9
  1.2 磁通门的发展现状  9-10
  1.3 课题研究的目的及意义  10-11
  1.4 本文的主要内容  11-13
第2章迟滞时间差型磁通门原理  13-28
  2.1 传统磁通门原理  13-18
    2.1.1 传统磁通门结构  13-14
    2.1.2 偶次谐波原理  14-15
    2.1.3 传统磁通门数学模型的建立  15-17
    2.1.4 传统磁通门测量电路  17-18
  2.2 迟滞时间差原理  18-25
    2.2.1 迟滞时间差型磁通门数学模型的建立  19-22
    2.2.2 迟滞时间差型磁通门的灵敏度  22-24
    2.2.3 三角波激励和正弦波激励比较  24-25
    2.2.4 迟滞时间差型磁通门测量电路  25
  2.3 迟滞时间差型磁通门与传统磁通门比较  25-26
  2.4 迟滞时间差型磁通门的模型仿真  26-28
第3章迟滞时间差型磁通门的设计与实现  28-39
  3.1 磁通门的结构设计  28-29
  3.2 磁芯对检测结果的影响  29-33
    3.2.1 磁芯材料的选择  29-31
    3.2.2 磁敏感材料的影响  31-32
    3.2.3 磁芯的退磁场效应  32-33
  3.3 绕组对检测结果的影响  33-35
    3.3.1 绕组方式的影响  33-34
    3.3.2 绕组分布的影响  34-35
    3.3.3 绕组匝数的影响  35
  3.4 励磁信号对检测结果的影响  35-37
    3.4.1 励磁波形的影响  35-36
    3.4.2 励磁电流的影响  36-37
    3.4.3 励磁频率的影响  37
  3.5 磁通门实体的设计与制作  37-39
第4章磁测装置的设计  39-55
  4.1 磁测装置的硬件电路设计  39-53
    4.1.1 FPGA最小系统设计  40-43
    4.1.2 电源电路设计  43
    4.1.3 励磁信号发生器设计  43-48
    4.1.4 检测电路设计  48-53
  4.2 磁测装置的软件设计  53-55
第5章测试结果分析  55-62
  5.1 标定磁场的产生  55-57
  5.2 测试结果分析  57-62
    5.2.1 实验条件说明  57
    5.2.2 磁测装置的噪声测试  57-58
    5.2.3 磁测装置的静态特性测试  58-60
    5.2.4 磁测装置的分辨力测试  60-61
    5.2.5 磁测装置的灵敏度测试  61-62
第6章全文总结  62-64
  6.1 主要研究成果  62-63
  6.2 工作展望及建议  63-64
参考文献  64-67
致谢  67-68
摘要  68-70
ABSTRACT  70-72

迟滞时间差型磁通门传感器及磁测装置的设计

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