电流参数对基波正交磁通门传感器灵敏度的影响

为了研究激励电流参数对基波正交磁通门灵敏度的影响,利用钴基合金磁芯和单线圈构建基波正交磁通门。实验结果表明,增加激励电流振幅(Iac),会改善基波正交磁通门的灵敏度;然而,随着激励电流偏置(Idc)增加,基波正交磁通门灵敏度下降;激励频率对灵敏度影响相对复杂。随着频率的增加,灵敏度呈现先增加后降低的趋势,存在一个最佳频率。该频率大小近似等于基波正交磁通门线圈等效LC电路的谐振频率(fo)。基于旋转磁化理论和等效电路模型对上述实验结果进行了分析。该项研究对优化传感器灵敏度,提高正交磁通门信噪比具有指导作用。     

用于局部放电在线监测的高频微电流传感器

通过建立的物理和数学模型，推导了用于局部放电在线监测的高频微电流传感器的传递函数和频率特性计算公式，运用Saber的交流小信号分析工具，研究了传感器线圈匝数、杂散电容和负载电阻的变化对通频带宽和灵敏度的影响，进一步分析了与传感器通频带宽和灵敏度关系最为密切的参数。结合实际应用，给出了几种不同要求下线圈匝数和负载电阻的选择，最后，用建立的传感器模型仿真了典型的局部放电时域及频域信号。     

非晶态合金材料的磁通门磁强计探头

本文综述了正弦信号激励的磁通门跑道型探头输出二次谐波电压灵敏度公式。从这个讨论出发,有可能寻找新探头工作物质。本文介绍选用非晶态合金代替玻莫合金绕制成磁通门磁强计探头,并对它进行直流、交流磁性能及电压输出灵敏度的测试。最后把这种材料与通常磁通门磁强计所采用的1J86玻莫合金进行分析对比。结果表明,非晶合金作为磁通门磁强计探头材料是大有希望的,且许多性能优越于玻莫合金。     

LC并联对电感式磨损传感器检测精度的影响研究

针对LC并联对传感器的检测性能影响，基于传感器的检测原理，建立了LC并联结构下磨粒引起的传感器输出电动势的数学模型。采用COMSOL仿真软件对不同LC并联结构下的线圈模型进行磨粒检测电磁场仿真，重点对三线圈LC并联结构中检测线圈的并联电容参数进行优化设计。仿真结果表明：激励线圈LC并联谐振下，激励线圈电流随频率变化率增大，线圈轴向磁通密度增强；检测线圈LC并联结构极大增强传感器对磨粒的检测精度，当电容值为7.53 nF时，其输出信号峰峰值最大；三线圈LC并联结构下磨粒引起的输出信号比无电容结构条件下增强了11.65倍。研究结果为高灵敏度电感式磨损传感器的设计提供指导。     

对置螺线管线圈的多功能检测模型及灵敏度研究

为丰富螺线管型传感器对液压油污染物的检测内容,提出并制作一种基于微流体芯片的对置螺线管型多功能检测传感器。理论推导了对置螺线管线圈的金属颗粒电感检测模型和非金属颗粒电容检测模型。为进一步提高检测灵敏度,试验对比分析了硅钢片对对置螺线管线圈的电感检测和电容检测的灵敏度。试验结果表明,硅钢片能够显著提升对置螺线管线圈的金属颗粒检测灵敏度,60～70μm铁颗粒和160～170μm铜颗粒的检测信噪比分别提升127.44%、222.07%,也能提高对置螺线管线圈的非金属颗粒检测灵敏度,但不显著,140～150μm水滴和240～250μm气泡的检测信噪比分别提升21.92%、7.95%。该研究对提高螺线管型传感器的液压油污染物检测能力提供了技术支撑,对液压系统健康状态监测以及故障诊断具有重要意义。     

电磁冲击加载放电回路的影响因素

电磁冲击压制技术被广泛用于粉末压制、板坯成形等领域,回路电流作为冲击压制驱动源部分,是后续加载驱动的关键因素。文中采用ANSYS多物理场并结合理论计算对放电回路影响因素进行系统分析,探讨了线圈匝数、电压、电容对回路电流的影响规律及各参数对成形效率的影响。结果表明充电电压与回路电流峰值、加载速率成正比,加大充电电压是提高成形效率最直接方法;线圈电阻主要影响电流峰值,与电路加载时间成反比,电感主要影响加载电流加载速率,降低电阻、电感有利于提高成形效率。     

基于低温电流比较仪的微弱电流放大器设计

文章设计并制作了一款基于低温电流比较仪(CCC)的低噪声电流放大器，可以用于pA量级微弱电流的精密测量。该放大器由最大匝比2 000∶1的超导比例线圈、直流超导量子干涉器以及超导屏蔽等组成，建立了该放大器等效输入电流噪声、电流灵敏度以及反馈回路模型，在此基础上提出了降低放大器噪声和提高放大器灵敏度的方法。实验结果表明，CCC超导比例线圈与匝数为12的检测线圈的耦合系数可以达到0.61,当CCC电流放大比例为2 000∶1时，在1 Hz频率下，放大器的等效输入电流噪声为30 fA/Hz^0.5,电流灵敏度为4.71 nA/Φ₀,该放大器的性能在对峰峰值为6 pA的方波电流测试中得到了验证。     

磁悬浮轴承横向磁通传感器设计与分析

横向磁通传感器因结构紧凑和高检测精度在磁悬浮轴承系统中具有广阔的应用前景。 随磁悬浮轴承技术的发展,对横 向磁通传感器的检测性能提出了更高要求。 为进一步提升横向磁通传感器的性能,满足磁悬浮转子高精度位移监测需求,本文 针对灵敏度指标对传感器进行设计与分析。 通过建立传感器的数学模型和电磁场有限元分析,研究了激励频率和线圈参数之 间的关系。 对传感器线圈匝数与灵敏度的相关性进行了数值研究,从检测转子的角度分析了趋肤效应对传感器灵敏度的影响。 设计了传感器信号处理电路实现由位移信号到电压信号的转换,并搭建实验平台对传感器的输出特性进行测量。 实验结果表 明,当灵敏度为 20 mV/ μm、检测范围为±500 μm 时,传感器的线性度为 0. 69% ,且具有良好的动态特性,适用于磁悬浮轴承系 统的转子高精度径向位置检测。     

基于遗传算法的无线电能传输系统参数优化

无线供电系统的参数设计需要考虑谐振频率、补偿电容、线圈间互感及线圈匝数等,它是一个多变量参数的优化问题。目前,参数优化一般为单参数优化并且只优化到互感,而不涉及到具体的线圈匝数。因此,系统设计需要进行较大的修正。在得到系统传输功率及效率模型的基础上,利用自感互感与线圈匝数的关系,采用PS型拓扑为优化对象,给出了无线电能传输系统的非线性数学模型,并利用遗传算法进行优化,经试验验证,该方法在设计和理论分析上是正确的。     

磁通负反馈空心线圈传感器特性和噪声研究

时间域空地电磁系统可以实现大深度探测,能够探测金属沉积矿床和地热储层,其接收装置常采用空心线圈传感器,传感器的匹配方式是输出端并联阻尼电阻,该电阻可以有效地抑制线圈的时域振荡,但是增加了传感器的噪声.研制了一种基于磁通负反馈机制的低噪声、大面积空地接收线圈传感器,通过理论分析给出了该方法的实现原理,建立了传统匹配方式和基于磁通负反馈方式的线圈等效模型,并深入分析了2种模型下传感器的幅频特性、带宽及影响空心线圈传感器信噪比的各噪声源,给出了2种方式下使传感器处于临界阻尼状态时系统噪声的仿真结果,将两者在相同带宽下的噪声有效值指标进行对比,证明了基于磁通负反馈方式的接收线圈能够达到与传统方式接收线圈一致的性能.噪声方面,在相同的线圈结构、温度不变(27 ℃)、频率范围为3 dB带宽的情况下,相比传统方式信噪比提高了10.6 dB.最后,采用小线圈传感器等效模型在野外进行了噪声测量,验证了理论的正确性.     

An ultralow noise current amplifier based on superconducting quantum interference device for high sensitivity applications

An integrated ultrahigh sensitive current amplifier based on a niobium dc superconducting quantum interference device (SQUID) has been developed. The sensor design is based on a multiturn signal coil coupled to a suitable SQUID magnetometer. The signal coil consists of 60 square niobium turns tightly coupled to a superconducting flux transformer of a SQUID magnetometer. The primary coil (pick-up coil) of the flux transformer has been suitably designed in order to accommodate the multiturn input coil. It has a side length of 10 mm and a width of 2.4 mm. In such a way we have obtained a signal current to magnetic flux transfer coefficient (current sensitivity) as low as 62 nA∕Φ(0). The sensor has been characterized in liquid helium by using a direct coupling low noise readout electronic and a standard modulated electronic in flux locked loop configuration for the noise measurements. Beside the circuit complexity, the sensor has exhibited a smooth and free resonance voltage-flux characteristic guaranteeing a reliable and a stable working operation. Considering a SQUID magnetic flux noise of S(Φ)(1∕2) = 1.8 μΦ(0)∕Hz(1∕2) at T = 4.2 K, a current noise as low as 110 fA∕Hz(1∕2) is obtained. Such a value is about a factor two less than the noise of other SQUIDs of the same category. As an application, Nyquist noise measurements of integrated test resistors using the current sensing noise thermometer technique are reported. Due to its high performance such a sensor can be employed in all applications requiring an extremely current sensitivity like the readout of the gravitational wave detectors and the current sensing noise thermometry.     

Fabrication and characterization of a new MEMS fluxgate sensor with nanocrystalline magnetic core

This paper presents a new MEMS fluxgate sensor with a Fe-based nanocrystalline ribbon magnetic core and 3D micro-solenoid coils. The excitation coils were placed vertically to the sensing coil on the chip plane. Second harmonic operation principle was adopted in this fluxgate sensor. The total size of the fluxgate sensor was 6.25 mm × 4.85 mm × 120 μm. A simple testing system was established to characterize the fabricated devices. A band pass filter was used to pick up the second harmonic signals in the sensing coils. When excitation rms current of 120 mA and the operational frequency of 200 kHz were selected for the testing of the fabricated devices, the sensitivity of the developed fluxgate sensor was 1005 V/T in the linear range of −500 μT to +500 μT. Due to the combination of the 3D structure coils with the nanocrystalline core, relatively low sensor noise was achieved. The noise power density was 544 pT/Hz^0.5@1 Hz and the noise rms level was 9.68 nT in the frequency range of 25 mHz-10 Hz.     

基于线圈瞬态电流参数优化的真空断路器永磁操动机构动作特性研究

针对永磁操动机构出力不足、动作特性与真空断路器开断性能难以配合的问题,对单线圈双稳态真空断路器永磁操动机构进行了研究,在剖分永磁操动机构结构的基础上,分析了磁路磁链的分布关系,建立了三维电磁场数学模型。采用有限元法仿真分析方法,求解了永磁操动机构线圈瞬态电流与动铁芯合闸动作特性之间的关系,并探讨永磁操动机构储能电容容量、电源电压、线圈匝数和负载等效质量等主要参数对真空断路器合闸动作特性的影响。研究结果表明,仿真计算数据与试验测试数据吻合,优化后的电容、线圈及负载参数可对永磁操动机构的位移检测、系统故障诊断、结构改进等提供理论依据。     

三分量磁通门梯度仪校准算法研究

针对三轴磁通门传感器非正交、灵敏度不一致、零偏以及构成梯度仪的两个磁通门传感器位置不一致引起的测量误差问题,建立了误差模型;基于地磁矢量模值短时不变原理,采用线性化最小二乘算法进行一个磁通门传感器参数的辨识;基于校准后三分量差值F范数最小原理,采用多元线性回归的方法进行另一个磁通门传感器参数以及两个磁通门传感器相对位置关系参数的辨识。实验结果表明,该方法能够将两个磁通门中最大总场误差从1 194.4 n T降低到30.0 n T,将三分量梯度仪最大输出误差从529.1 n T降低到13.4 n T,有效地改善了梯度仪性能。     

直流叠加脉冲电流波形宽频带电流传感器

提出了一种用于测量直流叠加脉冲电流波形的电流传感器。该传感器由两个磁芯组成,一个工作于磁通门状态,另一个基于罗氏线圈原理。为了将磁通门与罗氏线圈检测技术集成在一起,引入了一个反馈绕组,有效克服了脉冲磁场与直流磁场对磁芯工作状态的影响。基于理论分析制作了样机。实验结果表明,所提出的电流传感器能有效测量直流叠加脉冲电流波形:有效测量频带为340 k Hz,直流分量的测量误差为0.6%;低频段与高频段交点处的测量误差最大,最大测量误差为1.5%。     

变耦型时栅位移传感器理论模型与误差研究

针对现有高精度位移传感器栅距小导致对制造和使用环境要求苛刻的问题,提出一种采用高频时钟脉冲作为测量基准,可在大极距条件下实现高精度、大量程直线位移测量的变耦型时栅位移传感器。传感器通过在交变电磁场中改变励磁线圈和磁场拾取线圈的耦合状态建立以时间差反映位移变化的行波信号,实现精密位移测量。通过有限元分析软件对传感器进行了建模和仿真,根据仿真结果得到传感器仿真模型的测量误差,并对其进行了谐波分析;根据误差特点和变化规律对主要误差进行了溯源,并对模型进行了优化。根据优化模型制作了传感器实物,开展了验证实验。实验结果表明:根据仿真结果对传感器进行优化设计,在200 mm的测量范围内,传感器精度达到±500 nm,且系统成本低廉,极易制造。为时栅位移传感器在恶劣环境中的应用提供了解决方案和理论依据。     

磁通门传感器接口ASIC设计(英文)

基于磁通门传感器的二次谐波选择法原理,采用0.6 μm,N-well标准模拟CMOS工艺,设计并实现了磁通门传感器专用集成电路接口(ASIC).这种集成磁通门接口电路能够减小传统分立元件接口电路的体积,降低系统能耗,满足航天、军事等领域的微型化、低功耗需求.在分析磁通门传感器结构和特点的基础上,完成了激励电路及检测电路的设计,芯片面积为2.0 mm×2.0 mm,并采用HSPICE对电路各部分功能及其指标进行验证.对与微型磁通门探头集成的电路系统进行了测试,结果表明,当测量范围为±90 μT时,灵敏度可达16.5 mV/μT;在5V电源电压下,其功耗为35 mW.     

电感式位移传感器输出特性仿真分析

电感式位移传感器因其结构及电磁感应特点,不可避免地出现输出非线性与温度漂移的问题,影响其测试精度。针对这一问题,在分析电感式位移传感器结构特性与工作原理的基础上,建立了其输入/输出关系数学模型,并运用Matlab软件进行了仿真分析;探讨了输入/输出参数之间的变化规律。研究结果表明:电感式位移传感器存在一个近似线性工作区域±δmax,其线性度误差受线圈匝数与半径的影响;在其他参数一定的情况下,线圈半径与线圈匝数分别为定值、依次改变线圈匝数与线圈半径时,存在铁芯位移x,且当x≤│δmax│时,传感器输出特性近似成线性关系,线性度好;当x≥│δmax│时,传感器输出特性为非线性关系,线性度差。     

基于铁基非晶态合金的非接触半套环式扭矩传感器的研究

对一种基于铁基非晶态合金压磁效应的非接触动态扭矩传感器进行研究。介绍传感器的结构和原理,推导出传感器的输出方程。通过动态扭矩测量试验,分析传感器探头与轴表面的间隙及转速对测试精度和灵敏度的影响,得出传感器输出电压随间隙的变化曲线U0-δ和最佳间隙范围以及三种转速时传感器的动态输出曲线。试验显示,当间隙为0.5 mm时,传感器最大重复性误差为1.71%,最大非线性误差为2.48%,灵敏度为1.385 2 mV/(N.m)。设计的传感器是可行的,尤其适合于一些需要固定非接触监测扭矩的重载低速传动轴。     

Coil impedance calculation of an eddy current sensor by the finite element method

An eddy current sensor utilizes the variation of coil impedance to perform the measurement of physical parameters, and the coil impedance is an important parameter for investigating the properties of an eddy current sensor. Therefore, the study of approaches to calculation of coil impedance is very important. In this paper, an integral expression for coil impedance with a magnetic substance is given directly. For the convenience of calculation of the coil impedance, this integral expression is further expanded in series form and the coil impedance is computed using Mathematica. Then, two different finite element models of the eddy current measurement system are built on the basis of the finite element modeling theory. The infinite boundary of model 1 is truncated. On the contrary, the infinite boundary of model 2 is simulated completely by an infinite element. The coil impedance and the magnetic distribution are obtained by the finite element method, respectively. The comparison shows that the result obtained by the finite element method is in good agreement with that of the theoretical calculation approach, which indicates the correctness and reasonability of modeling of the eddy current measurement system and calculation of the coil impedance by the finite element method. The text was submitted by the authors in English.