磁通门磁力仪工作原理、结构与使用
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 0．01 nT，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H S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H m coswt其中H m>H s 饱和磁场
由于H随时间变化将引起B随时间变化，当一Hs
当有外磁场存在时，作用在坡莫合金的总磁场为:
H=H0+H m COSθ其中(H0十Hm)>Hs
同样在一HS
括弧由于Hm>(Hs+Ho)，按二项式定理展开，并略去(Hs+Ho)/Ho的4次方以上的高次项，经过整理后得到:
H m
wSnKuHs
b
8
2
-
=H0
式中右端除了Ho以外都为与灵敏元件绕制等有关的常数，可见输出电压振幅与外磁场H。成正比。
3.3环型芯磁通门传感器的工作原理
单线圈型磁通门传感器的激励线圈和感应线圈使用同一组线圈，产生的感应电压含有很大并且又无益的基波分量。为了抑制这些基波信号的干扰，出现了环型和管型等其他结构的传感器。环型传感器可以看成双棒型传感器的延伸，并且形成了闭合回路，因为它激励磁场在左右两边对称的磁芯中心大小相等、而且方向相反，所以产生的感应电压的基波分量相互抵消。因此环型磁通门传感器输出的感应电压大小为:
由上式表明，在这样的传感器中，理论上激励磁线圈都不产生感应电压，激励磁场存在只是使磁芯的导磁系数发生周期性的变化。坡莫合金磁芯在交变磁场的激励下，它的导磁系数随时间发生周期性变化，当还没有被磁化到饱和的时候，导磁系数很大，磁通的闸门打开，磁通量很大;当磁芯饱和的时候，导磁系数很小，闸门关闭，磁通量就很小。当平行于感应线圈轴向有外磁场存在的时候，感应线圈部的磁通量也发生周期性的改变，外磁场受到周期性变化的磁通的调制，在感应线圈两端感应出电压，用合适的方法测量该感应电压就能够得出外磁场的大小。
由于两个半芯的二次谐波电压的频率、振幅和相位都一样，因此灵敏元件的总输出振幅电压为2倍二次谐波电压振幅，即:
磁通门磁力仪的主要性能
1.分辨率
磁通门磁力仪的分辨率(对微弱信号变化量的反应能力)相当高，一般可以达到1—10nT，相当于地磁场强度的0.00001—0.0001倍。特殊制造的磁通门磁力仪的分辨率可以达到0.001nT，因此可以用于测量地磁脉动。卫星载磁通门式向量磁力仪的分辨率因量程而异，在测量弱磁场的时候分辨率可以达到0.002nT。
限制分辨率的主要因素是电子线路前置放大器的噪声以及探头的灵敏度和噪声。
2.测量围
磁通门磁力仪的测量围是—65000到65000nT之间。为了提高灵敏度和免受磁化产生永久磁场，磁通门磁力仪的探头铁芯由高导磁率软磁材料制作。这些材料的饱和磁场强度Hs 只有0.0001T左右。如果待测磁场达到或超过这个强度，激励磁场的调制功能就明显受限，被测磁场更强时，甚至可以将铁芯磁化，必须退磁才能消除剩磁。所以，磁通门磁力仪被认为只适用于弱磁场的测量，
3.频率响应
磁通门磁力仪频率响应围大约在10Hz以，一般适用于测量缓慢变化的稳恒磁场。监测交变，脉动或扰动磁场时，需要特殊制作的磁强计。
二、磁通门式磁敏传感器的二次谐波法测磁原理
一般地说，磁通门传感器的磁芯几何形状有下面几种：
在闭合式磁芯中，有长方形磁芯、跑道形磁芯、圆形磁芯三种；在非闭合式磁芯中，
有长条形单磁芯和长条形双磁芯两种。
从这几种磁芯的性能来说，以圆形较好，跑道形次之。在地球物理的磁法勘探的测量中，用跑道形磁芯较多。下面就以跑道形磁芯为例来分析磁通门式磁敏传感器的测磁原理及有关问题。
（一）长轴状跑道形磁芯
如图1．37所示，一般沿长轴方向的尺寸远大于短轴方向的尺寸，故当沿长轴方向磁化时，要比沿短轴方向磁化时的退磁作用及退磁系数小得多。这样，就可以认为跑道形磁芯仅被沿长轴方向的磁场所磁化。在实践中，亦仅测量沿长轴方向的磁场分量。
图1．37 跑道形磁芯结构示意图
L—灵敏元件架；2—初级线圈；
3—输出线圈；4—坡莫合金环
若在跑道形磁芯的彼此平行的两长边上，分别绕一组匝数相同的线圈w1、w2则同向串联在一起作为激励线圈；在w1、w2的外边绕一公用的测量线圈（称作讯号线圈）w S，则当在激励线圈w2通入一正弦交变电流 I~＝I M Sinωt时，假定由w1产生的磁场为 H1~＝HmSinωt，那么，在w2中必然产生一个磁场为H2~＝-HmSinωt。由图1．37可见，对于激励交变场来讲，其磁路为一闭合磁路，故没有退磁作用，对于正弦交变磁场来说，导磁率即为材料的动态相对导磁率μ’，由于μ’高达几十万，而在真空中的动态相对导磁率近似为1，所以，w1及w2所产生的磁力线在磁芯未达到饱和之前，均可视为无漏磁的通过整个闭合磁路的。作用于两长边的交变磁化磁场，可分别等效为：
H1~ = 2Hmsinωt; H2~= - 2Hmsinωt
对于被测恒定地磁场He来讲，其磁路是一开断磁路，并有退磁场Hd的存在。故磁芯对外加恒定磁场He的有效导磁率，是物体的动态相对导磁率μd’
磁性材料的动态磁滞回线形状比较复杂，极难用一简单数学模型加以描述。但为了对探头进行理论分析，并进行具体计算，必须把实际的软磁性材料的最大动态磁滞回线加以近似化、理想化，即用一个足以表征其特性（饱和特性）的模型来表示之。图1.38中的三折线模型，就是常用的一种。
图1.38 传感器测磁原理图
当外加磁场He＝0时，作用于磁芯两长边的总磁化磁场仅是交变磁化磁场，但如果两个激励线圈的匝数w1=w2则H1~＝2HmSinωt=-H2~，再假定磁芯的两长边的几何尺寸及电磁参数完全相同，测量线圈的安装位置也非常对称时，则在长边1和长边2中产生的通过测量线圈的磁通量，每时每刻都大小相等、方向相反，从而使通过测量线圈的总磁通量恒等于零。因此，在测量线圈中所感生的感应电动势及二次谐波均为零。
当沿磁芯长轴方向作用的外加恒定地磁场He不为零时，由于叠加恒定磁场的结果，使长边1与长边2中的总磁化磁场的对称性遭破坏，其情况如图1.38(b）所示。于是，长边1与长边2中的总磁化磁场分别为：
H1 = He + H1~ = He + 2HmSinωt (1.33)
H2 = He + H2~ = He - 2HmSinωt (1.34)
长边1与长边2中的磁感应强度在未饱和段分别为：
B1 =μd’H e + 2μ’H m.Sinωt (1.35)
B2 =μd’H e - 2μ’H m.Sinωt (1.36)
式中B1和B2的曲线表示法分别如图1．38(c) 所示。
由B1和B2的数学表达式及图1．38(c)可见，由于迭加恒定磁场的结果，使长边1与长边2中的磁感应强度对于时间轴的对称性破坏了。
B1在-π/2到π/2区间，可用下述函数来表示：
在-π/2π≤θ≤θ2围： B1 =-B S B S为一常数。
在θ1≤θ≤θ2围： B1 =-μd’He + 2 μ’HmSinθ (1.37)
在θ1≤θ≤π/2围： B1 = B S
B2在-π/2到π/2区间，可用下述函数来表示：
在-π/2π≤θ≤θ2围： B2 =B S B S为一常数。
在θ1≤θ≤θ2围： B2 =-μd’He - 2 μ’HmSinθ (1.38)
在θ1≤θ≤π/2围： B2 = - B S
对式中饱和点的坐标点的求取，可如下述：
令：μd’He + 2μ’ HmSinθ= B S=μ’H S
则有：Sinθ1=(μ’H S -μd’He)/(2μ’Hm) (1.39)
Sinθ2=(μ’H S +μd’He)/(2μ’Hm) (1.40)
从物理学中得知：磁芯中磁通量Φ为其磁感应强度B与磁芯截面积S的乘积。故假定
长边1和长边2的截面积相等，即：S1=S2=S，则利用法拉第电磁感应定律的数学表达式便可
求得长边1与长边2中B的变化，在信号线圈ωS中所感生的电压，可分别用下列函数表示：E1在-π/2到π/2区间，可用下述函数来表示：
在-π/2π≤θ≤θ2围： E1 = 0
在θ1≤θ≤θ2围： E1 = -2×10-8μ’Hm ωS SωCosθ (1.41)
在θ1≤θ≤π/2围： E1 = 0
E2在-π/2到π/2区间，可用下述函数来表示：
在-π/2π≤θ≤θ2围： E2 = 0
在θ1≤θ≤θ2围： E2 = 2×10-8μ’Hm ωS SωCosθ (1.42)
在θ2≤θ≤π/2围： E2 = 0
函数的变化规律如图1.38(d)中的e1、 e2所示。
由以两组分段函数式（1.41）和（1.42）中［或由图1．38(d)］可见：在-θ1到θ2
的任何时刻，对应el、e2都大小相等，极性相反，因而互相抵消。于是在-π/2到π/2区
间,在ωS中感生的总感应电压为：
在-π/2π≤θ≤-θ2围： E S = 0
在θ1≤θ≤θ2围： E S = -2×10-8μ’Hm ωS SωCosθ (1.43)
在-θ1≤θ≤θ1围： E S = 0
在θ1≤θ≤θ2围： E S = 2×10-8μ’Hm ωS SωCosθ (1.44)
在θ2≤θ≤π/2围： E S = 0
由上述分析可以看出：当两半芯完全对称时，在外加磁场He=0的情况，测量线圈ωS中产生的总感应电压Es的重复频率，为激励频率的二倍。
这就是通常所说的二次谐波法的基本分析。
这个结果在客观上就提出了一个新的问题，即在设计传感器时，必须保持两半芯的对称性，否则，在-θ1≤θ≤θ1区间，两半芯的感生电压不能得以抵消掉。又因Es的重复频率仍等于激励频率，故在Es中将含有激励频率的奇次谐波。为消除奇次谐波的影响，必须使磁芯保持对称。
由于Es是属周期性的重复脉冲，故可用富氏分解法来计算Es的二次谐波分量的大小。
由上述分段函数组式可知，Es是一奇函数。富氏分解中的余弦项的系数a n=0。现在计算富氏分解中正弦项的系数b2。
经过计算：b2=16×10-8μd’ωS fS (Hs/Hm)×He (1.45)
Es = 16×10-8μd’ωS fS (Hs/Hm)×HeSin2ωt (1.46)
式(1.45)便是测量线圈中输出二次谐波电压的振幅表达式；式(1.46）是测量线圈中感
应电压信号的完整表达式。
从上述两式中可得以下结论：
1．传感器测量线圈输出二次谐波的电压振幅与被测磁场He的大小近似成正比关系，
根据这种关系可以测量外磁场。
2．被测磁场的变号(改变方向)，二次谐波电压的极性随之改变。
3．传感器输出二次谐波电压的大小，除与被测磁场He近似成正比关系外，还与传感
器磁芯对于He的有效动态相对导磁率μd’接收线圈的匝数ωS，磁芯有效面积S，激励磁场
的频率f，磁芯的饱和磁场强度Hs成正比关系，而与激励磁场的振幅Hm成反比。这些将是
设计与制造传感器时的重要参数。