CN113484807A - 一种嵌套式环形三轴磁通门传感器检测探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种嵌套式环形三轴磁通门传感器检测探头，环形激励绕线骨架包括沿三维坐标系XYZ三个轴方向相互正交安装的三个环形骨架，三个骨架上分别缠绕了坡莫合金磁芯，三个环形骨架相互嵌插；在外层环形骨架绕有激励绕线；方形感应绕线骨架包括沿三维坐标系XYZ三个轴方向相互正交安装的三个方形骨架，三个方形骨架和环形激励绕线骨架相互嵌插；环形激励绕线骨架和方形感应绕线骨架三轴同轴且环形骨架嵌套在方形骨架内；在外层方形骨架饶有感应绕线。本发明环形骨架的特殊结构能够均匀地分配磁芯的内应力，同时环形磁芯的磁路能去除部分区域噪声。在每个单独骨架内设计凹槽供拼接嵌套使用，相比三个独立的单轴而言，大大降低了安装的角度偏差。

Description

一种嵌套式环形三轴磁通门传感器检测探头

技术领域

本发明属于磁通门磁场检测技术领域，涉及一种嵌套式环形三轴磁通门传感器检测探头。

背景技术

磁通门传感器是一种根据电磁感应现象加以改造的变压器式的器件，只是它的变压器效应是用于对外界被测磁场进行调制，它的基本原理可以由法拉第电磁感应定律进行解释，它是利用被测磁场中高导磁率磁芯在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的。这种物理现象对被测环境磁场来说好像是一道“门”，通过这道“门”，相应的磁通量即被调制，并产生感应电动势。

现有的基于磁通门传感器的检测探头分为单棒型、双棒型和环形等。单棒型磁通门探头的感应线圈输出的磁通门信号非常微弱且奇次谐波的噪声信号会很大；双棒型磁通门探头可以有效降低这些噪声；但是环形磁通门探头的激励线圈的磁路是闭合的，感应线圈的磁路是唯一的，具有很好的对称性与结构平衡性，并且磁芯所受到的应力被均匀的分配，所以相比单棒型和双棒型的磁通门探头，环形磁通门探头的噪声更小，因此本发明设计使用三轴环形磁通门探头进行三维空间磁场的准确检测。

目前磁通门检测磁场采用的检测探头主要是单轴和双轴的，但是也存在一些三轴磁通门传感器检测探头的案例，例如专利号为CN106405453A和CN106569154A的两篇发明专利，名称均为“一种三轴磁通门传感器”。这两篇专利与本发明的共同点是检测磁场所用的三轴磁通门探头均是由三个单轴磁通门探头构成，但是这两个发明专利的缺点在于它们的三轴磁通门探头都是手工将三个单轴磁通门探头安装在同一平面或者同一立方体上，这使得相关发明的三轴磁场检测有很大的人为误差。

再例如专利号为CN102928885A，名称为“一种球形反馈三分量磁通门磁梯度全张量探头”的发明专利，以及专利号为CN107271933A，名称为“一种球面型三轴磁通门传感器”的发明专利，这两篇发明专利与本发明的共同点是检测磁场所用的三轴磁通门探头均是组合体，但是这两个发明专利的缺点在于它们的绕线都得在球体表面开的多个凹槽里面进行漆包铜线的缠绕，由于各个凹槽内缠绕多匝线圈，因此存在匝间和电缆旁路电容，并且还会出现线圈间的缠绕并非理想的叠层平铺式等问题，这使得三轴的检测绕线采集到的感应脉冲不理想，降低了磁测的准确度。

对比上述几篇专利可知，需要一种三轴环形磁通门探头使得噪声更低、检测精度更加准确、尺寸更小、方便操作且方便调节的磁通门磁场检测技术来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能降低磁芯噪声、提高检测稳定度和准确度的三轴磁通门传感器检测探头；本发明使用的环形带磁芯激励线圈可以使磁芯所受到的应力被均匀的分配，且激励线圈的磁路是闭合的，大大降低激励线圈产生的噪声问题；同时，本发明的检测探头制作容易、方便操作、方便调节，线圈均匀缠绕，不受凹槽分隔的限制，产生的磁场更加简单均匀。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种嵌套式环形三轴磁通门传感器检测探头，包括激励线圈部分和感应线圈部分，其中激励线圈包括坡莫合金薄条状磁芯、环形激励绕线骨架和激励绕线，感应线圈包括方形感应绕线骨架和感应绕线；

所述的环形激励绕线骨架包括外层环形骨架、中间层环形骨架和内层环形骨架，三个环形骨架分别沿三维坐标系的X轴、Y轴、Z轴三个方向互相正交安装，每个环形骨架的外圆环分别在其轴向位置设有方形嵌插凸起，同时外层环形骨架和中间层环形骨架分别在其内圆环对应位置设有方形凹槽，用于内外环形骨架的相互嵌套安装；在外层环形骨架、中间层环形骨架和内层环形骨架***凹槽处均贴合缠绕坡莫合金薄条状磁芯，组成带磁芯环形骨架；激励绕线均匀缠绕在外层环形骨架上，组成激励线圈；

所述的方形感应绕线骨架包括、中间层方形骨架和内层方形骨架，三个方形骨架分别沿三维坐标系的X轴、Y轴、Z轴三个方向互相正交安装，同时在外层方形骨架和中间层方形骨架的内侧对应位置设有方形凹槽，用于内外方形骨架相互嵌套安装；环形激励绕线骨架和方形感应绕线骨架三轴同轴；在内层方形骨架内侧对应位置设有方形凹槽，用于与外层环形骨架外圆环设有的方形嵌插凸起相互嵌套安装；感应绕线均匀缠绕在外层方形骨架***的凹槽内，组成感应线圈。

进一步地，所述外层环形骨架的直径为20mm～30mm，轴向嵌插凸起部分长宽分别为1mm～5mm、厚度为0.5mm～1mm；中间层环形骨架的直径为10mm～20mm，轴向嵌插凸起部分长宽分别为1mm～5mm、厚度为0.5mm～1mm；内层环形骨架的直径为5mm～10mm；所有骨架均可由光敏树脂材料3D打印，也可以由陶瓷纤维材料制成。

进一步地，所述外层环形骨架和中间层环形骨架的内圆环处分别留有宽度为0.5mm～1mm、长度为3.5mm～7mm的四个卡槽用于固定下一级环形骨架。

进一步的，所述磁芯是宽度为3mm～10mm，厚度为0.1mm～0.3mm的坡莫合金磁条，磁条围绕三个环形骨架的外侧凹槽均匀地缠绕两圈用作检测探头的激励线圈磁芯。

进一步地，所述外层方形骨架的内侧是长宽为30mm～35mm的正方形；所述中间层方形骨架的内侧是长宽为35mm～40mm的长方形；所述外层方形骨架的内侧是长宽为40mm～45mm的长方形；所有骨架均可由光敏树脂材料3D打印，也可以由陶瓷纤维材料制成。

所述外层方形骨架、中间层方形骨架和内层方形骨架的内侧分别留有宽度为1mm～2mm、长度为10mm～20mm、厚度为0.5mm～1mm的四个卡槽用于固定下一级方形骨架。

进一步的，所述感应绕线或激励绕线选用漆包铜线，绕制200～800匝组成感应线圈或激励线圈。

本发明激励电路采用的是三个环形磁通门线圈相互正交而成，降低了磁场检测的噪声，提高了检测的精度；各个线圈均匀绕线，使其产生的磁场有较高的均匀度，有利于提高探头检测的准确性与稳定性。

附图说明

图1为本发明的三维立体结构图；

图2为本发明剖去前侧外方框的视图；

图3为本发明的***图；

图4为本发明带缠绕线圈的方框骨架图；

图5为本发明带缠绕线圈的环形带磁芯骨架图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。

如图1～5所示，本发明包括激励线圈部分和感应线圈部分，其中激励线圈部分包括坡莫合金薄条状磁芯3、环形激励绕线骨架2和激励绕线7，感应线圈部分包括方形感应绕线骨架1和感应绕线6，激励绕线7经过环形骨架中7间的圆孔进行均匀缠绕，感应绕线6在方形骨架***的凹槽内均匀缠绕。

作为本发明的进一步的方案，如图4和图5所示，为了使激励信号产生的磁场与感应磁场处于同一水平方向，感应线圈是将导线在感应绕线骨架1外侧的缠线凹槽处进行缠绕，而激励线圈是将导线在环形激励绕线骨架2的外层环形骨架21进行穿绕。

作为本发明的进一步的方案，如图3所示，外层环形骨架21的内圆直径为20mm，外圆直径为24mm；轴向嵌插凸起部分长2mm、宽1.5mm、厚1mm；中间层环形骨架22的内圆直径为14mm，外圆直径为18mm；轴向嵌插凸起5长2mm、宽1.1mm、厚1mm；内层环形骨架23的内圆直径为8mm，外圆直径为12mm；所有骨架均可由光敏树脂材料3D打印。

作为本发明的进一步的方案，如图3所示，所述外层方形骨架11的内侧是长宽为37mm的正方形，外侧是长宽为42mm的正方形；所述中间层方形骨架12的内侧是长宽为31mm的正方形，外侧是长宽为38mm*36mm的长方形；所述内层方形骨架13的内侧是长宽为26mm的正方形，外侧是长宽为32mm*30mm的长方形；所有骨架均可由光敏树脂材料3D打印。

作为本发明的进一步的方案，如图3所示，将所有缠绕好磁芯和导线的骨架依次进行嵌插，先把内层环形骨架23的凸起部分对准中间层环形骨架22的凹槽进行嵌插，然后把中间层环形骨架22的凸起部分对准外层环形骨架21的凹槽进行嵌插，之后把外层环形骨架21的凸起部分对准内层方形骨架13的凹槽进行嵌插，再将内层方形骨架13的长边对准中间层方形骨架12的凹槽进行嵌插，最后将中间层方形骨架12的长边对准外层方形骨架11的凹槽进行嵌插，这样就得到三轴环形磁通门传感器探头的组合体。

作为本发明的进一步的方案，如图1和图2所示，将每一层嵌插的骨架插在外面一层骨架凹槽的中间，使得外侧的方形骨架与内侧的环形骨架磁场方向一一对应。

本发明的工作原理及过程：

利用一定频率的方波电压激励缠绕在环形骨架上的激励线圈，使得坡莫合金磁芯的磁导率在交变磁场下处于磁饱和状态，其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的。这种物理现象对被测环境磁场来说好像是一道“门”，通过这道“门”，相应的磁通量即被调制，并产生感应电动势。如图1所示，内层环形骨架23和外层方形骨架11组成检测X轴方向的单轴磁通门传感器探头，外层环形骨架21和中间层方形骨架12组成检测Y轴方向的单轴磁通门传感器探头，中间层环形骨架22和内层方形骨架13组成检测Z轴方向的单轴磁通门传感器探头；对三组探头进行相应算法的软件编程处理，即可准确地检测出环境磁场的大小及方向。

上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (7)

1.一种嵌套式环形三轴磁通门传感器检测探头，包括激励线圈部分和感应线圈部分，其中激励线圈部分包括坡莫合金薄条状磁芯、环形激励绕线骨架和激励绕线，感应线圈部分包括方形感应绕线骨架和感应绕线，其特征在于：

所述的环形激励绕线骨架包括外层环形骨架、中间层环形骨架和内层环形骨架，三个环形骨架分别沿三维坐标系的X轴、Y轴、Z轴三个方向互相正交安装，每个环形骨架的外圆环分别在其轴向位置设有方形嵌插凸起，同时外层环形骨架和中间层环形骨架分别在其内圆环对应位置设有方形凹槽，用于内外环形骨架的相互嵌套安装；在外层环形骨架、中间层环形骨架和内层环形骨架***凹槽处均贴合缠绕坡莫合金薄条状磁芯，组成带磁芯环形骨架；激励绕线均匀缠绕在外层环形骨架上，组成激励线圈；

所述的方形感应绕线骨架包括、中间层方形骨架和内层方形骨架，三个方形骨架分别沿三维坐标系的X轴、Y轴、Z轴三个方向互相正交安装，同时在外层方形骨架和中间层方形骨架的内侧对应位置设有方形凹槽，用于内外方形骨架相互嵌套安装；环形激励绕线骨架和方形感应绕线骨架三轴同轴；在内层方形骨架内侧对应位置设有方形凹槽，用于与外层环形骨架外圆环设有的方形嵌插凸起相互嵌套安装；感应绕线均匀缠绕在外层方形骨架***的凹槽内，组成感应线圈。

2.权利要求1所述的嵌套式环形三轴磁通门传感器检测探头，其特征在于：所述外层环形骨架的直径为20mm～30mm，轴向嵌插凸起部分长宽分别为1mm～5mm、厚度为0.5mm～1mm；中间层环形骨架的直径为10mm～20mm，轴向嵌插凸起部分长宽分别为1mm～5mm、厚度为0.5mm～1mm；内层环形骨架的直径为5mm～10mm；所有骨架选用陶瓷纤维材料或光敏树脂材料。

3.权利要求1所述的嵌套式环形三轴磁通门传感器检测探头，其特征在于：所述外层环形骨架和中间层环形骨架的内圆环处分别留有宽度为0.5mm～1mm、长度为3.5mm～7mm的四个卡槽用于固定下一级环形骨架。

4.权利要求1所述的环形激励绕线骨架，其特征在于：所述坡莫合金薄条状磁芯宽度为3mm～10mm，厚度为0.1mm～0.3mm；坡莫合金薄条状磁芯围绕外层环形骨架的外侧凹槽均匀地缠绕两圈用作检测探头的激励线圈磁芯。

5.权利要求1所述的方形感应绕线骨架，其特征在于：所述外层方形骨架的内侧是长宽为30mm～35mm的正方形；所述中间层方形骨架的内侧是长宽为35mm～40mm的长方形；所述外层方形骨架的内侧是长宽为40mm～45mm的长方形；所有骨架选用陶瓷纤维材料或光敏树脂材料。

6.权利要求1所述的方形感应绕线骨架，其特征在于：所述外层方形骨架、中间层方形骨架和内层方形骨架的内侧分别留有宽度为1mm～2mm、长度为10mm～20mm、厚度为0.5mm～1mm的四个卡槽。

7.根据权利要求1所述的激励绕线和感应绕线，其特征在于：所述感应绕线或激励绕线选用漆包铜线，绕制200～800匝组成感应线圈或激励线圈。

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