雙磁芯磁通門式傳感器磁對(duì)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(duì)，浙江舟山316001）

0 引言

當(dāng)前采用的測(cè)磁方法很多，各種新型的測(cè)磁元件也不斷出現(xiàn)。磁通門式傳感器由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、靈敏度高、尺寸小、重量輕、功耗不大等優(yōu)點(diǎn)，至今仍得到廣泛應(yīng)用。目前消磁電流控制系統(tǒng)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(tǒng)的控制信號(hào)。其中雙磁芯磁通門式傳感器因其電路簡(jiǎn)單，靈敏度較高而作為消磁電流控制系統(tǒng)中的應(yīng)用主流。但該磁傳感器若磁路不對(duì)稱，將產(chǎn)生零場(chǎng)輸出電壓[1]，即：所測(cè)磁場(chǎng)為0時(shí)，仍有控制電壓輸出，消磁系統(tǒng)仍然存在輸出電流，這將造成消磁電流控制系統(tǒng)的輸出誤差。

本文提出的雙磁芯磁通門式傳感器磁對(duì)稱性的頻譜分析方法能依據(jù)雙磁芯磁傳感器的工作特性，通過對(duì)傳感器輸出信號(hào)的頻譜分析有效地評(píng)估磁傳感器的磁對(duì)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(lì)線圈Wj和輸出線圈Wout。激勵(lì)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(jié)構(gòu)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(zhì)特性完全一致，由于激勵(lì)線圈Wj串連反接，無外磁場(chǎng)作用情況下，當(dāng)在激勵(lì)線圈Wj上施加一定頻率f的激勵(lì)電流時(shí)，左右兩磁芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度B均只有奇次諧波且對(duì)稱反向，兩根鐵芯中的總磁感應(yīng)強(qiáng)度B互相抵消，因此輸出線圈Wout的輸出電壓為0。當(dāng)有外磁場(chǎng)Hε作用時(shí)，一個(gè)磁芯的合成磁場(chǎng)為Hε+Hj，另一個(gè)磁芯則為Hε-Hj，其中Hj=Hmcosωt，為磁芯中由激勵(lì)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度。兩根磁芯磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間變化曲線的正負(fù)半周均不對(duì)稱（如圖2中Hs為磁芯的飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度），除基波及其他奇次諧波外，出現(xiàn)了偶次諧波，主要是二次諧波。外磁場(chǎng)Hε越大，磁感應(yīng)強(qiáng)度B正負(fù)半周不對(duì)稱程度增加，二次諧波的幅值也相應(yīng)增加。此時(shí)兩根鐵芯中的總磁感應(yīng)強(qiáng)度B不再互相抵消，而是隨時(shí)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(yīng)電壓輸出。兩根鐵芯中磁感應(yīng)強(qiáng)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(chǎng)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(tǒng)的控制信號(hào)就可得到滿足消磁要求的系統(tǒng)輸出信號(hào)。

圖2 磁芯磁感應(yīng)強(qiáng)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(duì)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(tǒng)的理想控制信號(hào)；若傳感器中左右磁路對(duì)稱性較差，兩根磁芯中磁感應(yīng)強(qiáng)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(xiàn)基波及奇次諧波電壓，當(dāng)無外磁場(chǎng)作用時(shí)，輸出線圈Wout上的輸出基波及奇次諧波電壓仍會(huì)作為控制信號(hào)使得消磁系統(tǒng)產(chǎn)生系統(tǒng)輸出信號(hào)，這就是零場(chǎng)誤差；當(dāng)有外磁場(chǎng)Hε作用時(shí)，會(huì)在二次諧波電壓產(chǎn)生的系統(tǒng)輸出信號(hào)上疊加輸出線圈Wout基波及奇次諧波輸出電壓產(chǎn)生的誤差信號(hào)，這就是消磁電流控制系統(tǒng)控制誤差的來源之一。

因此，檢測(cè)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(píng)估傳感器中兩根磁芯及繞制線圈所組成磁路的對(duì)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(hào)均為平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)[2]，即：這些信號(hào)的離散采樣值，其均值與時(shí)間n無關(guān)，其相關(guān)函數(shù)與時(shí)間的選取起點(diǎn)無關(guān)，而僅和時(shí)間差有關(guān)。平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的功率譜不隨時(shí)間變化，其在任一時(shí)間點(diǎn)附近的形態(tài)基本一致，只需分析這些信號(hào)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(hào)的頻譜分析[3-4]。

在對(duì)信號(hào)x(t)作DFT時(shí)，參數(shù)選擇的一般原則分析如下。

（1）若已知信號(hào)的最高頻率fc，為了防止混疊，選定采樣頻率fs：

（2）根據(jù)實(shí)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(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)N：

其中Δf越小越好，但Δf越小，使計(jì)算量、存儲(chǔ)量也隨之增大。

（3）fs和N確定以后，即可確定所需相應(yīng)模擬信號(hào)x(t)的長(zhǎng)度T，即采樣時(shí)間：

式中：Ts為采樣周期。

若需要從頻譜圖中清晰準(zhǔn)確的分辨出噪聲信號(hào)，則要求盡可能地減小時(shí)頻變換造成的頻譜泄露，這需要合理設(shè)置采樣點(diǎn)N、采樣頻率fs、信號(hào)頻率f之間的關(guān)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(qū)分出的最小頻率刻度。如Δf=0.01，頻譜圖中橫坐標(biāo)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(zhǔn)確數(shù)據(jù)的，因此，如果信號(hào)所包含的頻率分量不是Δf的整數(shù)倍，那么這個(gè)頻率分量就不會(huì)得到正確的反映，就會(huì)造成頻譜泄露。因此，對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析時(shí)需要使信號(hào)中所含的各種頻率均為頻率分辨率Δf的整數(shù)倍，這樣才能利用頻譜分析結(jié)果較為精確地提取噪聲信號(hào)。

對(duì)消磁電流控制系統(tǒng)中雙磁芯磁通門式傳感器輸出電壓進(jìn)行信號(hào)監(jiān)測(cè)時(shí)，取頻率分辨率為[Δf]=0.01 Hz，Δf=1/ts，則采樣時(shí)間ts=100 s，采樣總點(diǎn)數(shù)N=fs·ts。

3 基于頻譜分析的雙磁芯磁通門式傳感器對(duì)稱性評(píng)估

選定3個(gè)結(jié)構(gòu)相同、同一廠家生產(chǎn)的雙磁芯磁通門式傳感器，采集傳感器輸出的電壓信號(hào)，利用FFT對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。這3個(gè)傳感器的激磁電路產(chǎn)生的基波頻率為4 kHz，輸出線圈中電壓信號(hào)的二次諧波頻率為8 kHz，這要求信號(hào)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(shí)采樣頻率為信號(hào)最高頻率的6倍以上，采樣總點(diǎn)數(shù)為N=fs·ts=5×106，對(duì)信號(hào)采樣結(jié)束后截取N點(diǎn)信號(hào)值即可進(jìn)行頻率分辨率為0.01的頻譜分析計(jì)算。頻譜分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 磁傳感器輸出信號(hào)時(shí)域圖及頻譜圖

由頻譜分析結(jié)果可知：（1）#1磁傳感器4 kHz基波信號(hào)幅值最大，三次諧波分量幅值為第2位，二次諧波8 kHz信號(hào)僅處于第3位；#2磁傳感器4 kHz基波信號(hào)幅值最大，8 kHz信號(hào)處于第2位；#3磁傳感器輸出的控制電壓信號(hào)中8 kHz信號(hào)處于第1位，4 kHz信號(hào)處于第2位。（2）3個(gè)磁傳感器的測(cè)量線圈輸出端電壓信號(hào)中均包含的4 kHz基波分量，這說明傳感器中左右磁路不對(duì)稱，兩根鐵心中磁感應(yīng)強(qiáng)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(yán)重不對(duì)稱，#3磁傳感器磁路較為不對(duì)稱，但磁對(duì)稱性優(yōu)于#1、#2磁傳感器。

4 結(jié)束語

本文提出的雙磁芯磁通門式傳感器磁對(duì)稱性的頻譜分析方法，是依據(jù)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(hào)中的特征頻率，由這些頻率對(duì)應(yīng)的幅值大小評(píng)估雙磁芯磁通門式傳感器的對(duì)稱能性。實(shí)驗(yàn)證明，該方法能較準(zhǔn)確地提取出磁傳感器輸出控制信號(hào)中的特征頻率，能快速便捷地評(píng)估雙磁芯磁通門式傳感器的磁對(duì)稱性。該方法能為消磁電流控制系統(tǒng)的輸出誤差提供分析依據(jù)，使磁通門式傳感器及消磁控制系統(tǒng)得到進(jìn)一步改進(jìn)與完善。