KR960015562B1 - Method and apparatus for measuring magnetic field - Google Patents
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Abstract
Description
제1도는 본 발명에 따른 외부 자기 측정 장치의 구성 블럭도.1 is a block diagram of an external magnetic measurement device according to the present invention.
제2도는 본 발명의 측정 원리를 실험하기 위한 장치도.2 is an apparatus diagram for experimenting with the measuring principle of the present invention.
제3도는 D.C.외부 자기장에 대한 파워차(power difference)의 변화도.3 is a change in power difference with respect to the D.C. external magnetic field.
제4도는 제3도의 선형 영역만을 나타낸 파워차의 변화도.4 is a change diagram of the power difference showing only the linear region of FIG.
제5도는 인가 주파수 변화에 따른 본 방법의 측정 감도(sensitivity)변화도.5 is a measurement sensitivity variation of the method according to the change in the applied frequency.
제6도는 유도 전압을 2배 증폭시킨 경우의 D.C. 외부 자기장에 따른 파워차의 변화도.6 shows D.C. in the case of amplifying twice the induced voltage. The change in power difference due to the external magnetic field.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
1 : 전류원 2 : 유도 전압 발생 수단1: current source 2: induction voltage generating means
3 : 증폭 수단 4 : 반주기 파워 발생 수단3: amplification means 4: half cycle power generating means
5 : 파워차 발생 수단 6 : 센서5: power difference generating means 6: sensor
7 : 전압-전류 변환기 8 : 신호 발생기7: voltage-to-current converter 8: signal generator
9 : 증폭기 10 : 디지탈 오실로스코프9: amplifier 10: digital oscilloscope
11 : 퍼스널 컴퓨터11: personal computer
본 발명은 외부 자기장의 크기와 방향을 측정하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 설명하자면 일정한 진폭과 주기의 전류를 인가 코일에 인가하여 코아를 자화시키고 측정 코일 양단에 유도되는 유도 전압의 비대칭성을 이용하여 외부 자기장의 크기와 방향을 측정하는 방법 및 장치(플럭스 게이트 : flux-gates)에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for measuring the magnitude and direction of an external magnetic field. More specifically, the present invention relates to a method of applying a constant amplitude and period current to an applied coil to magnetize cores and to asymmetrically induced voltage induced across the measurement coil. The present invention relates to a method and an apparatus (flux-gates) for measuring the magnitude and direction of an external magnetic field using a star.
종래의 이러한 비대칭 성분을 측정하는 방법에서는, 2차 고조파 선택 회로(second harmonics turned circuits)를 사용한 2차 고조파 플럭스 게이츠가 일반적으로 공지되어 있다. 이들 방법에서는 외부 자기장을 측정하는데 있어 유도 전압의 기수 고조파들(odd harmonics)이 불필요한 성분으로 작용되므로, 이를 제거시키기 위한 협소 대역폭(narrow band-width)을 갖는 필터가 필수적으로 요구되고, 기수 고조파를 측정 코일 자체에서 제거하기 위하여, 코아의 구조나 코일을 이용하여, 인가 코일과 측정 코일간의 상호 인덕턴스(mutual indutance)가 영(zero)이 되도록 하는 방법들이 연구되었다.In conventional methods for measuring such asymmetrical components, second harmonic flux gates using second harmonics turned circuits are generally known. In these methods, since odd harmonics of induced voltages act as unnecessary components in measuring an external magnetic field, a filter having a narrow band-width to remove them is required. In order to remove from the measurement coil itself, methods have been studied in which the mutual indutance between the applied coil and the measurement coil is zero by using the core structure or the coil.
그런데, 이러한 방법에서는 탈자화 효과(demagnetization effect)가 커지거나 매우 좁은 선형성을 가지며, 또한 구조적 불균일성에 의한 옵셋(offset)을 형성하게 되는 단점이 존재할 뿐만 아니라, 전체 구성이 복잡하고 센서의 크기가 커지는 단점이 있어 단순하고, 저렴한 자기 측정기의 제작을 위해서는 부적당하였다.However, in this method, there is a disadvantage in that the demagnetization effect is increased or has very narrow linearity, and an offset due to structural nonuniformity is not only present, but also the overall configuration is complicated and the size of the sensor is increased. It was disadvantageous and inadequate for the manufacture of simple, inexpensive magnetic measuring devices.
이에 반하여, 유도 전압의 시간 변화, 즉 외부 자기장의 크기와 방향에 따른 피크(peak)들의 크기 및 시간 간격을 이용하는 방법에서는 전체 구성을 단순하게 만들 수 있을 뿐 아니라, 단일 코아를 사용함으로써 센서의 크기를 작게하는데 매우 유리하며, 탈자화 효과가 적고 선형성이 넓으며 옵셋 등을 형성시키지 않는 장점을 갖고 있다. 그러나, 이러한 방법은 2차 고조파 플럭스 게이츠에 비하여 노이즈 레벨이 높은 단점을 갖고 있다.On the other hand, the method using time variation of induced voltage, that is, the magnitude and time interval of peaks according to the magnitude and direction of the external magnetic field not only simplifies the overall configuration, but also the size of the sensor by using a single core. It is very advantageous to reduce the size, has the advantage of low demagnetization effect, wide linearity and no offset. However, this method has a disadvantage in that the noise level is higher than that of the second harmonic flux gates.
본 발명은 그러한 종래 기술에서의 단점을 해소하기 위하여 자성체 코아를 포화시킬 정도의 일정한 진폭과 주기의 전류를 인가 코일에 인가하여 코아를 자화시키고 측정 코일 양단에 유도되는 유도 전압의 비대칭성으로 인해 발생되는 기수 고조파(odd harmonics)와 우수 고조파(even harmonics)를 결합하여 외부 자기장의 크기와 방향을 측정하는 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is generated due to the asymmetry of the induced voltage induced by magnetizing the core and induced across the measuring coil by applying a current of a constant amplitude and a period enough to saturate the magnetic core to the applied coil in order to solve the disadvantage of the prior art. An object of the present invention is to provide a method and apparatus for measuring magnitude and direction of an external magnetic field by combining odd harmonics and even harmonics.
본 발명의 외부 자기 측정 장치의 한 특징에 의하면, 선정된 진폭과 주기를 가지는 전류를 발생시키는 전류원, 상기 전류원으로부터의 전류에 응답하여 유도 전압을 발생시키는 수단, 상기 유도 전압에 대한 상기 전류원의 주기의 첫번째 반주기 및 다음 반주기 동안의 파워를 발생시키는 수단 및 상기 첫번째 반주기 동안의 파워와 상기 다음 반주기 동안의 파워차를 발생시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the external magnetic measuring device of the present invention, a current source for generating a current having a predetermined amplitude and period, means for generating an induced voltage in response to a current from the current source, a period of the current source with respect to the induced voltage Means for generating power for the first half cycle and for the next half cycle of and means for generating a power difference for the first half cycle and a power difference for the next half cycle.
본 발명의 외부 자기 측정 장치의 상기 유도 전압 발생 수단은 자성 코아, 상기 전류원으로부터의 전류가 인가되고 상기 자성 코아에 동축으로 감겨진 인가 코일 및 상기 인가 코일과 동축으로 감겨진 측정 코일을 구비하는 것을 특징으로 한다.The induction voltage generating means of the external magnetic measuring device of the present invention includes a magnetic core, an applying coil to which a current from the current source is applied and wound coaxially to the magnetic core, and a measuring coil wound coaxially with the applying coil. It features.
본 발명의 외부 자기 측정 방법에 의하며, 선정된 진폭과 주기를 가지는 전류를 유도 전압 발생 수단에 인가하는 단계, 상기 유도 전압 발생 수단으로 부터의 유도 전압에 대한 상기 전류의 주기의 첫번째 반주기 및 다음 반주기 동안의 파워를 발생시키는 단계 및 상기 첫번째 반주기 동안의 파워와 상기 다음 반주기 동안의 파워의 차를 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to the external magnetic measurement method of the present invention, applying a current having a predetermined amplitude and period to an induction voltage generating means, a first half period and a next half period of the period of the current with respect to an induced voltage from the induction voltage generating means. And generating a difference between power during the first half cycle and power during the next half cycle.
본 발명에 의하면, 단일 코아를 인가 코일(6a)와 측정 코일(6b)를 동축으로 감고, 외부 자기장과 평행한 방향에서 일정한 주기의 자기장으로 자화시키는 센서로 구성하여 단일 코아가 갖는 장점을 가지면서, 협소밴드 폭을 갖는 2차 고조파 선택 필터를 사용하지 않아도 되므로, 제작하기가 용이하고, 단순한 구성으로 고감도를 가지며 동시에 저렴한 자기 측정기를 제공할 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, a single core has a merit that a single core has by having a sensor configured to wind the application coil 6a and the measurement coil 6b coaxially and magnetize the magnetic field with a constant period in a direction parallel to the external magnetic field. Since it is not necessary to use a second harmonic selection filter having a narrow band width, it is easy to manufacture, has a high sensitivity with a simple configuration, and has the advantage of providing an inexpensive magnetic measuring device.
이하, 본 발명은 첨부된 도면을 참조로 하여 더욱 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
제1도는 본 발명에 따른 외부 자기 측정 장치의 구성을 나타내는 블럭도이다. 전류원(1)은 선정된 진폭과 주기를 가지는 전류를 발생시킨다. 유도 전압 발생 수단(2)은 상기 전류원으로부터의 발생된 전류에 응답하여 유도 전압을 발생시켜, 상기 유도 전압에 대한 상기 전류원의 주기의 첫번째 반주기 및 다음 반주기 동안의 파워를 발생시키는 반주기 파워 발생 수단(4)에 인가된다. 이때, 바람직하게는 상기 유도 전압은 증폭수단(3)을 거쳐 증폭될 수도 있다. 파워차 발생 수단(5)에서는 상기 첫번째 반주기 동안의 파워와 상기 다음 반주기 동안의 파워차를 발생시키도록 구성되어 있다.1 is a block diagram showing the configuration of an external magnetic measuring device according to the present invention. The current source 1 generates a current having a predetermined amplitude and period. The induction voltage generating means 2 generates an induction voltage in response to the generated current from the current source to generate the power for the first half period and the next half period of the period of the current source with respect to the induced voltage. 4) is applied. In this case, preferably, the induced voltage may be amplified by the amplifying means 3. The power difference generating means 5 is configured to generate power for the first half cycle and power difference for the next half cycle.
한편, 상기 유도 전압 발생 수단(2)은, 제2도와 관련하여 후술되지만, 자성 코아(6c), 상기 전류원으로부터의 전류가 인가되고 상기 자성 코아에 동축으로 감겨진 인가 코일(6a) 및 상기 인가 코일과 동축으로 감겨진 동축 코일(6b)을 구비하는 센서(6)로 구성되어 있다.On the other hand, the induction voltage generating means 2 is described later in connection with the second diagram, but the magnetic core 6c, the application coil 6a applied with the current from the current source and wound coaxially to the magnetic core and the application It consists of the sensor 6 provided with the coaxial coil 6b wound coaxially with a coil.
이러한 본 발명의 구성을 제2도를 참조하여 더욱 상세히 설명한다.This configuration of the present invention will be described in more detail with reference to FIG.
제2도는 본 발명의 외부 자기 측정 장치의 측정 원리에 대한 실험 장치도로서, 신호 발생기(8)로부터 나오는 일정한 진폭과 일정한 주기를 갖는 a0sin(ωt)의 전압 신호를 전압-전류 변환기(7)(voltage to current converter)를 통하여 전류로 변환시켜 외부 자기장이 노출된 상태에서 센서(6)에 가하면, 측정 코일(6b)에 유도되는 전압은 다음과 같이 인가 자기장의 주파수 ω를 기존 주파수로 하는 고조파들(harmonics)의 합으로 발생된다.FIG. 2 is an experimental diagram of the measuring principle of the external magnetic measuring device of the present invention. The voltage signal of a 0 sin (ωt) having a constant amplitude and a constant period from the signal generator 8 is converted into a voltage-current converter 7. When the current is converted into a current through a voltage to current converter and applied to the sensor 6 while the external magnetic field is exposed, the voltage induced in the measuring coil 6b is obtained by applying the frequency ω of the applied magnetic field to the existing frequency as follows. Generated as the sum of harmonics.
…………………(1) … … … … … … … (One)
(øn: 각 고조파의 위상)(ø n : phase of each harmonic)
여기에서, 고조파의 계수 A2n-1은 인가 자기장의 최대값과 외부 자기장의 함수로 표현되는데, 인가 자기장이 외부 자기장 보다 매우 큰 값이라 가정하면,Here, the harmonic coefficient A 2n-1 is expressed as a function of the maximum value of the applied magnetic field and the external magnetic field, assuming that the applied magnetic field is much larger than the external magnetic field.
A2n-1 constant(인가 자기장의 최대값에만 의존) ……………………………(2)A 2n-1 constant (depends only on the maximum value of the applied magnetic field). … … … … … … … … … … (2)
A2n∝외부 자기장의 크기 ………………………………………………………(3)A 2n 크기 magnitude of external magnetic field. … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … (3)
의 관계를 만족한다.Satisfies the relationship.
그러므로, 종래의 2차 고조파 플럭스 게이츠는 식(3)과 같은 성질을 갖는 우수 고조파들(even harmonics)중 그 신호의 크기가 가장 큰 2차 고조파만을 측정하여 외부 자기장을 인식하는 방법인데, 본 발명에서는 한 주기 동안의 유도 전압을 2개의 반주기로 나누어, 첫번째 반주기 동안에 발생하는 유도 전압의 파워를 P1이라 정의하고, 다음 반주기 동안의 파워를 P2라 정의하여,Therefore, the conventional second harmonic flux gates is a method of recognizing an external magnetic field by measuring only the second harmonic having the largest magnitude of the signal among the even harmonics having the properties as shown in Equation (3). In the equation, the induced voltage for one cycle is divided into two half cycles, the power of the induced voltage generated during the first half cycle is defined as P 1 , and the power for the next half cycle is defined as P 2 ,
……………………………………………………(4) … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … (4)
……………………………………………………(5) … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … (5)
P1과 P2의 차를 △P라 정의하여 계산하면,If the difference between P 1 and P 2 is defined as ΔP,
△P=P1-P2…………………………………………………………………(6)ΔP = P 1 -P 2 . … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … (6)
………………………………………………(7) … … … … … … … … … … … … … … … … … … (7)
로 표현된다. 즉, △P는 기수 고조파(odd harmonics) 계수와 우수 고조파(even harmonics) 계수간의 곱의 합으로만 표현되고, η2n-1,2m은 기수 고조파와 우수 고조파를 결합해주는 결합 상수로서 각 고주파의 위상의 함수로만 표현되며, 외부 자기장 크기에는 무관한 상수이고, 외부 자기장의 방향이 '+'방향이면, '+'값을 갖고, 외부자기장의 방향이 '-'방향이면, '-'값을 갖는 성질이 있다.It is expressed as That is, ΔP is expressed only as the sum of the products of the odd harmonics coefficients and the even harmonics coefficients, and η 2n-1,2m is a coupling constant that combines the odd harmonics and the even harmonics. It is expressed only as a function of phase. It is a constant independent of the magnitude of the external magnetic field. If the direction of the external magnetic field is '+', it has a '+' value. If the direction of the external magnetic field is a '-' direction, a '-' value is obtained. It has properties.
따라서, 식(7)의 파워차 △P는 식(2)와 같이 외부 자기장에 무관한 기수 고조파 계수와 식(3)과 같이 외부 자기장의 크기에 비례하는 우수 고조파 계수를 외부 자기장의 방향에 따라 부호가 변하는 결합 상수, η2n-1,2m으로 결합되어 발생하므로,Therefore, the power difference ΔP of equation (7) is based on the direction of the external magnetic field by the odd harmonic coefficient irrelevant to the external magnetic field as shown in equation (2) and the even harmonic coefficient proportional to the magnitude of the external magnetic field as shown in equation (3). Since the sign is combined with a changing constant, η 2n-1,2m ,
△P∝외부 자기장 …………………………………………………………(8)ΔP∝ External magnetic field. … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … (8)
로 된다.It becomes
그러므로, 외부 자기장은 센서(6)에서 발생하는 유도 전압을 식(4)와 식(5)에 준하여 P1과 P2를 측정하고, 식(6)에 의해 △P를 구하면, 그 크기 뿐 아니라, 방향까지도 정확히 측정할 수 있다. 이와 대조적으로, 2차 고조파 플럭스 게이츠의 경우 외부 자기장의 방향을 인식하기 위해서는 위상 측정기(phase sensitive device)가 요구되지만, 본 발명에서는 필요하지 않으며, 측정 코일에서 가장 크게 유도되는 1차 고조파의 신호도 이용하므로 증폭기를 사용하지 않아도 감도(sensitivity)는 고감도가 된다.Therefore, when the external magnetic field measures P 1 and P 2 based on the induced voltage generated by the sensor 6 according to equations (4) and (5), and obtains ΔP by equation (6), Even the direction can be measured accurately. In contrast, in the case of the second harmonic flux gates, a phase sensitive device is required to recognize the direction of the external magnetic field, but it is not necessary in the present invention, and the signal of the first harmonic induced most in the measurement coil is also required. As a result, sensitivity is high even without an amplifier.
제2도에서 사용된 디지탈 오실로스코프(10)과 퍼스널 컴퓨터(11)은 제1도의 반주기 파워 발생 수단(4)와 파워차 발생 수단(5)를 위한 것으로 유도 전압은 디지탈 오실로스코프(10)를 사용하여 좁은 시간 단위로 디지탈화한 후, 퍼스널 컴퓨터(11)에 전송하고, 반주기 동안의 파워, P1과 P2및 그 파워차, △P를 식(4), 식(5) 및 식(6)에 준하여 퍼스널 컴퓨터(1)에서 계산한다.The digital oscilloscope 10 and the personal computer 11 used in FIG. 2 are for the half-cycle power generating means 4 and the power difference generating means 5 of FIG. 1, and the induced voltage is obtained by using the digital oscilloscope 10. After digitizing in a narrow time unit, it is transmitted to the personal computer 11, and the power during the half cycle, P 1 and P 2 and the power difference thereof, DELTA P are expressed in equations (4), (5) and (6). In accordance with the above, calculation is performed by the personal computer 1.
그런데, △P를 측정하는데 있어 가장 중요한 것은 시간 기준이고, 주기적인 시간 함수인 인가 자기장, 즉 신호 발생기에서 나오는 전압, ν=a0sin(ωt)를 시간 기준으로 사용할 수 있는데, v=0이고, dv/dt>0일때, t=0으로 정할 수 있으나, 식(7)의 결합 상수, η2n-1,2m은 각 고조파의 위상 함수로 시간 기준에 따라 결합상수의 크기도 달라질 수 있으므로, 실질적인 측정 시간의 기준으로 1차 고조파의 위상 ø1을 영(zero)로 만들게 하는 시간 기준을 사용할때 가장 큰 값을 갖고, 측정 감도도 가장 크다.However, the most important thing in measuring ΔP is the time reference, and the applied magnetic field which is a periodic function of time, that is, the voltage from the signal generator, ν = a 0 sin (ωt), can be used as the time reference. , when dv / dt> 0, t = 0 can be set, but the coupling constant of equation (7), η 2n-1,2m, is a phase function of each harmonic, so the magnitude of the coupling constant may vary depending on time. It has the largest value and the highest measurement sensitivity when using a time reference that makes the phase ø 1 of the first harmonic zero as the basis of the actual measurement time.
제3도는 실제로 D.C. 외부 자기장에 대해 아모포스 메탈릭 그라스(amophous metalic glass), 2605SC 스트립(stripe)(길이 15㎝, 폭 1㎝, 두께 30㎛) 2장을 겹쳐 2장의 슬라이드 그라스(slied glass)(두께 1㎜)사이에 끼워 접착시킨 후, 인가 코일과 측정 코일을 동축으로 350회 정도 감아 만든 센서에 진폭 3Oe정도이고, 인가 주파수가 300㎐인 인가 자기장을 가하면서, DC외부 자기장에 따른 △P변화를 증폭기를 사용함이 없이 측정한 결과를 도시한 그래프도인데, 그 측정 감도는 0.6V2/Oe이며, ±0.2Oe내에서 선형성을 만족한다.FIG. 3 shows two slide glass (slied glass) with two sheets of amorphous metallic glass, 2605SC stripe (15 cm long, 1 cm wide and 30 μm thick) against DC external magnetic field. 1 mm thick), and then apply an applied magnetic field with an amplitude of approximately 300e and an applied frequency of 300 Hz to a sensor made by winding the applied coil and the measurement coil about 350 times coaxially, and then applying ΔP according to the DC external magnetic field. The graph shows the result of measuring the change without using an amplifier. The measurement sensitivity is 0.6V 2 / Oe and satisfies linearity within ± 0.2Oe.
제4도는 제3도의 그 선형 영역만을 나타낸, 파워차의 변화를 나타내는 그래프로서, 여기에서 △P가 영(zero)인 값에서 외부 자기장이 영(zero)이 되지 않는 이유는 지자기에 의한 영향으로 해석된다.4 is a graph showing a change in power difference showing only the linear region of FIG. 3, where the external magnetic field does not become zero at a value ΔP is zero due to the influence of geomagnetism. Interpreted
제5도는 인가 주파수 증가에 따라 측정 감도의 변화를 측정한 결과를 도시한 그래프인데, 인가 주파수가 증가함에 따라 ω1.3정도 증가하다가 와전류 손실(eddy-current loss)에 의해 증가율이 둔화됨을 보이고 있다.FIG. 5 is a graph showing a result of measuring a change in measurement sensitivity with increasing applied frequency. As the applied frequency increases, the graph increases by ω 1.3 and slows down due to eddy-current loss.
제6도는 인가 주파수를 1㎑로 하고, 진폭을 3Oe로 한 인가 자기장으로 구동시킬때, 유도 전압을 증폭기(9)를 사용하여 두배 증폭시킨 경우의 외부 자기장에 따른 △P의 결과이고, 제5도에서 증폭시키지 않은 경우의 측정 감도는 1.3V2/Oe인데 반하여, 2배 증폭시킨 경우에는 측정 감도는 4배 증가한 5.2V2/Oe로 고감도를 가짐을 보이고 있다.FIG. 6 shows the result of ΔP in response to an external magnetic field when the induced voltage is double amplified using the amplifier 9 when driven by an applied magnetic field with an applied frequency of 1 kHz and an amplitude of 3Oe. When the amplification is not amplified in the figure is 1.3V 2 / Oe, while the amplification is doubled, the measurement sensitivity is 4 times increased 5.2V 2 / Oe has a high sensitivity.
이상과 같이 본 발명에 의하면 인가 코일과 측정 코일을 동축으로 같고, 외부 자기장과 평행한 방향에서 일정한 주기의 자기장으로 자화시키는 센서로 구성하여 단일 코아가 갖는 장점을 유지하면서 협소 밴드폭을 갖는 2차 고조파 선택 필터를 사용하지 않아도 되므로 제작하기가 용이하고, 단순한 구성으로 고감도를 가지며 동시에 저렴한 가격의 자기 측정기를 제공할 수가 있다.As described above, according to the present invention, the application coil and the measurement coil are coaxially coaxial with each other, and are composed of a sensor that magnetizes the magnetic field with a constant cycle in a direction parallel to the external magnetic field, thereby maintaining the advantages of a single core and having a narrow bandwidth. Since it is not necessary to use a harmonic selection filter, it is easy to manufacture, it is possible to provide a low-cost magnetic measuring device with a high sensitivity with a simple configuration.
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