本發(fā)明涉及傳感器，具體涉及一種基于labview測(cè)量磁性微絲環(huán)向交流回線的方法。

背景技術(shù)：

1、巨磁阻抗效應(yīng)（gmi）指軟磁材料在外磁場(chǎng)影響下，其自身阻抗發(fā)生較大變化的現(xiàn)象，利用這種特性，這些材料在磁傳感器技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)有了較多的應(yīng)用。例如磁通門傳感器，gmi傳感器等。以基波正交磁通門傳感器為例，其核心結(jié)構(gòu)包括磁芯和纏繞在磁芯周圍的拾取線圈，而磁芯正是具有較強(qiáng)gmi效應(yīng)的磁性微絲。在給探頭通交流激勵(lì)的時(shí)候磁性微絲會(huì)在環(huán)向產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，這會(huì)導(dǎo)致磁芯在環(huán)向被磁化，這是傳感器產(chǎn)生磁噪聲的主要原因。這是一個(gè)動(dòng)態(tài)的磁化過程，在交流激勵(lì)的一個(gè)周期內(nèi)，磁性微絲的磁化強(qiáng)度在環(huán)向的投影有一個(gè)周期性的變化，其過程就會(huì)產(chǎn)生磁滯現(xiàn)象，這會(huì)導(dǎo)致一個(gè)能量損耗即磁滯損耗，同時(shí)交流激勵(lì)也會(huì)產(chǎn)生渦流損耗。而能量損耗會(huì)以熱的形式耗散出去，這就會(huì)對(duì)磁矩產(chǎn)生一個(gè)熱擾動(dòng)，從而反映到拾取線圈上，產(chǎn)生一個(gè)較大的噪聲。利用動(dòng)態(tài)激勵(lì)場(chǎng)去測(cè)得的磁滯回線稱為交流回線，交流回線中包括了磁滯損耗與渦流損耗。因此測(cè)定微絲狀磁芯的環(huán)向交流回線有助于對(duì)磁性材料以及傳感器性能的評(píng)估，也有助于對(duì)相關(guān)磁性材料的選取。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)研究傳感器探頭噪聲來(lái)源機(jī)制而發(fā)明的一種基于labview測(cè)量磁性微絲環(huán)向交流回線的方法。本發(fā)明只需要測(cè)量磁性微絲兩端的電壓以及回路中的電流就可以根據(jù)理論求得磁性微絲的環(huán)向交流磁滯回線。

2、為解決本發(fā)明的技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：

3、一種基于labview測(cè)量磁性微絲環(huán)向交流回線的方法，包括：將磁性微絲與電阻串聯(lián)以后一并接入信號(hào)發(fā)生器的第一通道，信號(hào)發(fā)生器的第二通道接入示波器的通道ⅰ中，信號(hào)發(fā)生器的第一通道和第二通道產(chǎn)生完全相同的激勵(lì)信號(hào)，示波器的作用是采集電壓信號(hào)，示波器的通道ⅱ和通道ⅲ同時(shí)測(cè)量磁性微絲和電阻兩端的電壓信號(hào)，示波器的三個(gè)通道分別為通道ⅰ接收信號(hào)發(fā)生器自身的激勵(lì)信號(hào)、通道ⅱ接收磁性微絲兩側(cè)的電壓信號(hào)、通道ⅲ接收串聯(lián)的電阻兩端的電壓信號(hào)，然后通過labview程序來(lái)對(duì)示波器進(jìn)行程序控制以及對(duì)采集到的電壓信號(hào)進(jìn)行讀取、處理，將通道ⅰ和通道ⅱ的電壓信號(hào)處理運(yùn)算得到感應(yīng)電壓，并對(duì)感應(yīng)電壓進(jìn)行積分得到磁性微絲環(huán)向的磁通量隨時(shí)間變化的波形φ(t)，然后將通道ⅲ的電壓信號(hào)除以串聯(lián)電阻的阻值得到磁性微絲中流過的電流波形i(t)，分別將磁性微絲中流過的電流波形i(t)與磁性微絲環(huán)向的磁通量隨時(shí)間變化的波形φ(t)充當(dāng)x、y軸，得到磁性微絲環(huán)向交流回線。

4、所述labview程序中，預(yù)先輸入磁性微絲的直流電阻值，而后通過示波器通道ⅰ讀取到的激勵(lì)信號(hào)，通過分壓理論計(jì)算得到磁性微絲理論上的直流分壓值；再將通道ⅱ的數(shù)據(jù)減去這個(gè)直流分壓即得到感應(yīng)電壓的數(shù)據(jù)。磁性微絲中流過的電流波形i(t)與磁性微絲環(huán)向的磁通量隨時(shí)間變化的波形φ(t)量綱的乘積就是能量量綱，可用于對(duì)磁性微絲能量損耗的評(píng)估。

5、所述信號(hào)發(fā)生器的激勵(lì)信號(hào)為10?khz頻率，幅值為5v的正弦波。

6、所述電阻的阻值為5歐姆，串聯(lián)電阻的作用是為了獲取激勵(lì)回路中的電流大小，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，又為了不降低回路中的電流，盡量使用小的電阻。

7、所述磁性微絲中環(huán)向變化的磁場(chǎng)將會(huì)感生出變化的電場(chǎng)，該電場(chǎng)將會(huì)在磁性微絲兩端產(chǎn)生出一個(gè)感應(yīng)電壓 v i，令環(huán)向的磁通量為 φ，則近似得到如下關(guān)系：，t表示時(shí)間，該式表示磁通量 φ對(duì)時(shí)間t的微分，近似為感應(yīng)電壓 v i。

8、所述信號(hào)發(fā)生器擁有兩個(gè)通道，且兩個(gè)通道耦合在一起使通道中的電壓信號(hào)的頻率、幅值、相位一致，第一通道用來(lái)給激勵(lì)，第二通道的電壓信號(hào)通給示波器用來(lái)計(jì)算理論上的直流分壓。

9、所述labview程序?qū)氖静ㄆ髯x到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處理且讀取多個(gè)周期的波形。

10、所述信號(hào)發(fā)生器的激勵(lì)信號(hào)能調(diào)節(jié)成交流加直流偏置的形式，用于測(cè)量帶有直流偏置的磁性微絲環(huán)向交流回線。

11、所述磁性微絲為非晶絲或復(fù)合絲，用于基波正交磁通門傳感器的磁芯。

12、本發(fā)明的原理：

13、考慮到磁性微絲的柱狀結(jié)構(gòu)，可以用圓截面導(dǎo)線來(lái)充當(dāng)模型。當(dāng)對(duì)導(dǎo)線用已知的正弦電流進(jìn)行激勵(lì)時(shí)，在每一給定時(shí)刻，導(dǎo)線表面的電場(chǎng)為一定值即(1)，式(1)中 e表示電場(chǎng)強(qiáng)度，const表示常數(shù)，該定值由流過導(dǎo)線的瞬時(shí)電流決定。

14、在準(zhǔn)靜態(tài)條件下，導(dǎo)線外有(2)，式（2）中，表示向量微分算子，兩個(gè)式子分別是向量的點(diǎn)乘和叉乘；

15、導(dǎo)線內(nèi)有(3)，式(3)中 μ表示傳輸介質(zhì)的磁導(dǎo)率， σ表示傳輸介質(zhì)的電導(dǎo)率， c表示光速，t表示時(shí)間；

16、以導(dǎo)線軸向方向?yàn)閦方向建立柱坐標(biāo)，那么電場(chǎng)在導(dǎo)線中只有z分量，且與徑向方向r的位置有關(guān)，那么引入時(shí)間因子，上式可以寫為：（4），式（4）中 r表示柱坐標(biāo)下徑向方向的位置， k定義為電磁波在介質(zhì)中的傳播系數(shù)， δ表示趨膚深度， i表示虛數(shù)；

17、將上式展開并可改寫成：(5)；

18、該式滿足貝塞爾方程：(6)，式(6)中x、y、m代表貝塞爾方程中的自變量；

19、那么電場(chǎng)在r=0處的有限解為：(7)，式(7)中 e z表示導(dǎo)線中z方向的電場(chǎng)， j0表示零階貝塞爾函數(shù)， i表示虛數(shù)， ω表示正弦電流的頻率，t表示時(shí)間， e表示自然常數(shù)；

20、又由(8)，式(8)中 b表示磁感應(yīng)強(qiáng)度， c表示光速，t表示時(shí)間；

21、可以得到(9)，式(9)中，表示環(huán)向方向的角標(biāo)，表示導(dǎo)線中環(huán)向的磁場(chǎng)強(qiáng)度；

22、又因?yàn)?10)，式(10)中 j1表示一階貝塞爾函數(shù)， x表示貝塞爾函數(shù)的自變量；

23、得到(11)，式(11)中， h表示導(dǎo)線內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度；

24、通過上述推導(dǎo)，確定了在激勵(lì)狀態(tài)下磁性微絲內(nèi)部電場(chǎng)和磁場(chǎng)的具體分布情況，但其實(shí)忽略了磁性材料本身的性質(zhì)，而且整個(gè)推導(dǎo)過程是建立在準(zhǔn)靜態(tài)的條件下進(jìn)行的，因此最終結(jié)果與實(shí)際肯定是存在偏差的，但這個(gè)近似的結(jié)果將在回線的測(cè)試原理中得到體現(xiàn)。

25、如下圖1所示，考慮一個(gè)半徑為r，長(zhǎng)度為l的柱狀導(dǎo)體，當(dāng)內(nèi)部通過電流，其內(nèi)部的磁通量可由式（11）推得：

26、(12)，式(12)中φ表示導(dǎo)體內(nèi)部環(huán)向的磁通量， r表示導(dǎo)體半徑， l表示導(dǎo)體長(zhǎng)度；

27、磁通量對(duì)時(shí)間偏導(dǎo)得到：(13)；

28、由式(7)可將測(cè)得的導(dǎo)體兩端的電壓v近似為：

29、?(14)；

30、在準(zhǔn)靜態(tài)條件下，僅考慮材料的直流電阻，其兩端的壓降為：(15)，式(15)中 r i表示在準(zhǔn)靜態(tài)條件下，導(dǎo)體兩端的壓降；

31、那么由式(13)、(14)、(15)可以得到以下近似關(guān)系：(16)。

32、以上推導(dǎo)證明了測(cè)量方法的可行性，其背后的物理機(jī)制是正確的，對(duì)感應(yīng)電壓積分得到的磁通量與實(shí)際的磁通量相差一個(gè)系數(shù)，通過近似將系數(shù)省略就可以得到式(16)。

33、以上為測(cè)量磁性微絲環(huán)向交流回線的理論依據(jù)，只需要測(cè)量磁性微絲兩端的電壓以及回路中的電流就可以根據(jù)理論求得磁性微絲的環(huán)向交流磁滯回線。

34、因此只要測(cè)得回路中非晶絲兩端的電壓，并減去理論上的直流分壓就能得到感應(yīng)電壓，將感應(yīng)電壓按時(shí)間積分就能得到磁通量。由于示波器采集到的電壓信號(hào)是離散的，那么積分實(shí)際上就是一個(gè)累加的過程，由積分得到的磁通量是一組隨時(shí)間變化的數(shù)組，用來(lái)充當(dāng)縱坐標(biāo)。關(guān)于橫坐標(biāo)，根據(jù)安培環(huán)路定理，環(huán)向激勵(lì)場(chǎng)正比與流過非晶絲電流的瞬時(shí)值的大小，那么只需要同時(shí)得到電流隨時(shí)間的變化波形，兩者作李薩如圖形就可以得到最終的環(huán)向交流磁滯回線。在圖2的回路中，電阻r的作用就是將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，由示波器采集讀出。

35、本發(fā)明環(huán)向交流磁滯回線的測(cè)試方法是為了服務(wù)于正交磁通門傳感器的探頭材料性能的研究。目前復(fù)合絲和非晶絲都是充當(dāng)傳感器探頭磁芯的材料，當(dāng)傳感器工作時(shí)，交變電流通過磁芯會(huì)對(duì)磁芯在環(huán)向方向進(jìn)行磁化，該磁化過程中會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的能量損耗，且這個(gè)能量損耗將影響到傳感器的噪聲。因此在研究傳感器探頭材料的過程中，我們發(fā)現(xiàn)環(huán)向的交流磁滯回線更為重要。但是現(xiàn)有的測(cè)量磁滯回線的設(shè)備例如vsm和bh-loop并不能滿足需求，因?yàn)榇帕€是閉合在材料中的，無(wú)法用感應(yīng)線圈去直接探測(cè)磁信號(hào)。本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)就在于避開了感應(yīng)線圈的使用，通過物理推導(dǎo)得出并論證了一種間接的測(cè)量方法，從而得到材料的環(huán)向交流磁滯回線，而且測(cè)量方式足夠簡(jiǎn)單，只需要用到信號(hào)發(fā)生器和示波器兩種常用設(shè)備。