磁通门磁力仪工作原理、结构与使用.doc

磁通门磁力仪磁通门式磁敏传感器又称为磁饱和式磁敏传感器。它是利用某些高导磁率的软磁性材料(如坡莫合金）作磁芯，以其在交直流磁场作用下的磁饱和特性及法拉第电磁感应原理研制的测磁装置。这种磁敏传感器的最大特点是适合在零磁场附近工作的弱磁场进行测量。传感器可作成体积小，重量轻、功耗低，既可测T、Z，也可测ΔT、ΔZ，不受磁场梯度影响，测量的灵敏度可达0．01nT，且可和磁秤混合使用的磁测仪器。由于该磁测仪对资料解释方便，故已较普遍地应用于航空、地面、测井等方面的磁法勘探工作中，在军事上，也可用于寻找地下武器（炮弹、地雷等）和反潜。还可用于预报天然地震及空间磁测等。4.1磁通门式磁敏传感器的物理基础（一）磁滞回线和磁饱和现象铁磁性材料的静态磁滞回线，如图1．35所示。在图中当磁化过程由完全退磁状态开始，若磁化磁场等于零，则对应的磁感应强度也为零。随着磁化磁场H的增大，磁感应强度B亦增大，扭曲线OA段所示。但当H增加到某一值Hs之后，B就几乎不随H的增加而增强，通常将这种现象称作磁饱和现象。开始饱和点所对应的Bs、H。，分别称作饱和磁感应强度和饱和磁场强度。图1.35静态磁滞回线示意图当H增加到Hs后，如使H逐渐减小下来，磁感应强度也就随之减小下来。但实践证明，一般这种减小都不是按照AO所示的规律减小，而是按照AB所示的轨迹进行，并且当磁场H减小到零时，磁感应强度B并不等于零，也就是说磁感应强度的变化滞后于磁场H的变化，这种现象称为磁滞现象。当H由HS减小到零时，B所保留的值Br被称作最大剩磁，之所以叫最大剩磁是由于H从小于Hs的不同值减小到零，其所对应的剩磁也是不同的，但以H从Hs减小到零时所对应的剩磁Br最大。欲使剩磁去掉，就需加一个与原磁化磁场相反的磁场，如OC段所示。线段OC即表示使磁感应强度B恢复到零时所需要的反向磁场强度，这一场强通常称为矫顽力，并用Hc表示。最大剩磁Br饱和磁感应强度Bs饱和磁场强度Hs及矫顽力Hc是磁性材料的四个重要参数，在设计制造磁力仪器时，必须予以重视。通常磁通门式磁敏传感器使用软磁性材料。所谓软磁性材料，是指那些Hc小的磁性材料，特点是易去磁。软磁性材料在仪器中是工作在周期性变化的磁场（一般为正弦交变磁场）中的，故其磁化过程是周期性进行的，其结果便形成动态磁滞回线（它与图1.35静态磁滞回线形状大致相同，面积比静态磁滞回线面积大些），由于动态磁滞回线的面积等于反复磁化一周所损耗的能量，所以动态磁滞回线的形状和大小随磁化磁场频率而变。在动态磁场作用下，除磁滞损耗之外，还有涡流损耗和其它损耗。这些损耗均与磁化磁场的频率有关。磁通门式磁敏传感器设计中所用到的磁滞回线是动态饱和磁滞回线，（即磁滞回线中最大的一条回线）。动态磁滞回线上各点对应的斜率，μd=dB/dH叫做该点的动态导磁率。磁通门磁力仪是利用具有高导磁率的软磁铁芯在外磁场作用下的电磁感应现象测定外磁场的仪器。它的传感器的基本原理是基于磁芯材料的非线性磁化特性。其敏感元件是由高导磁系数、易饱和材料制成的磁芯，有两个绕组围绕该磁芯;一个是激励线圈，另一个则是信号线圈。在交变激励信号f的磁化作用下，磁芯的导磁特性发生周期性饱和与非饱和变化，从而使围绕在磁芯上的感应线圈感应输出与外磁场成正比的信号，该感应信号包含f、2f及其它谐波成分，其中偶次谐波含有外磁场的信息，可以通过特定的检测电路提取出来。1.坡莫合金片的磁滞迥线特点坡莫合金与一般的铁磁性物质比较，具有很高的导磁率(u=dB/dH)，比如国产IJ86型的坡莫合金，起始导磁率u0=150000CGSM单位。很小的矫顽磁力(Hc)和很小的饱和磁场(Hs)，因此坡莫合金的磁滞回线窄而且陡，但是一般的铁磁性物质的磁滞回线宽而且缓，如图3一l和3一2所示。分析坡莫合金的磁滞迥线可以知道，当外磁场有微弱变化时候，就会引起磁感B的显著变化，可以说磁感应强度B对外磁场H的变化有放大的作用，或者说坡莫合金对外磁场感觉灵敏。由于坡莫合金磁滞迥线所包含的面积很小，可以近似地看成一条曲线，B随H的变化特点就与一般铁磁性物质所表现者有所不同了。2.偶次谐波的产生在无外磁场状况下，当初级线圈中供一个交流电压E=Em*COSwt时，则在坡莫合金中将产生一个交变磁场表达式如下:H=一Hmcoswt其中Hm>Hs饱和磁场由于H随时间变化将引起B随时间变化，当一Hs<H<HS时，B--H曲线可以近似看作直线，故在这一段时间B随时间的变化是正弦波形。当H≥Hs时，B达到饱和值Bm，保持一个常值，因此曲线顶部是平的，并且正负半周的振幅相等，保持B>Bm的这段时间也相等。从B曲线来看，相当于一段失真的正弦曲线。此曲线可以看成由基波和三次谐波合成。如图3一3所示。当有外磁场存在时，作用在坡莫合金的总磁场为:H=H0+HmCOSθ其中(H0十