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感应线圈传感器 - 评论
摘要
该评述描述了感应线圈传感器，其也被称为探测线圈，拾波线圈或磁环传感器。具有空气和铁磁芯的线圈的设计方法是比较和总结。分析了线圈传感器的频率特性并且用了各种方法对输出信号进行了处理。特殊种类的感应传感器，例如罗柯夫斯基线圈，梯度计传感器，振动线圈传感器，切向场传感器和针探针。还提出了线圈传感器作为磁性天线的应用。
关键词：线圈传感器，磁场测量，搜索线圈，罗氏线圈，振动线圈，梯度计，积分器电路，H线圈传感器，针探测法。
1介绍
感应线圈传感器[1-4]（也称为搜索线圈传感器，拾音线圈传感器，磁性天线）是最古老和最熟知的类型的磁性传感器之一。传递函数V = f（B）由基本的法拉第定律诱导。
Oslash;是通过具有面积A和匝数n的线圈的磁通量。
线圈传感器的工作原理通常是已知的，但是这些装置的技术细节和实际实施仅为专业人员所知。 例如，众所周知，线圈传感器的输出信号V取决于通量密度的变化率，dB / dt，这需要输出信号的积分。 然而，还有其他有用的方法能够获得与磁通密度成比例的结果。
众所周知，从公式（1）可以看出，通过使用大匝数n和大的有效面积A可以获得大的线圈灵敏度。然而，在许多情况下，线圈性能的优化过程不是很容易。
线圈传感器的性质在许多年前被详细描述[5]。 然而，基于相同操作原理的传感器仍然广泛地用于许多应用中，特别是对于磁场（对健康可能是危险的）的检测。 感应传感器实际上是唯一可以由用户直接制造的传感器（与霍尔传感器，磁阻传感器或磁通门传感器相比）。 线圈制造的方法简单，并且材料（绕组线）通常可用。 因此，几乎每个人都可以使用简单和非常低成本，但准确的感应线圈传感器来执行这种调查。
有许多历史例子的各种线圈传感器的复兴。例如，Chattock-Rogowski线圈在1887年首次描述[6,7]。今天，这种传感器被重新发现为一个优秀的电流传感器[8]和用于测量软磁材料磁性能的传感器[9]。 来自1957年的奥地利专利[10]描述了电磁钢的局部磁通密度的研究（也称为触针法），这些专利在几年后被发表在磁测量[11,12]。
这篇综述的主要目的是总结感应线圈传感器的现有知识，包括旧的，经常被遗忘的出版物以及新的发展。首先，描述了线圈传感器（具有空气芯和铁磁芯）的两个主要设计。 然后，考虑传感器的类型及其相关的输出电子器件来分析它们的频率响应。 其次，讨论了特定感应传感器，并且随后描述了这种类型的换能器的最常见的应用：磁性天线。 最后，讨论这些传感器的主要优点和缺点。
2空气线圈对铁磁芯线圈
具有其微型化的氧化物传感器和问题的相对灵敏性可以通过结合铁磁芯来部分地克服，该铁磁芯在线圈内用作通量集中器。对于具有铁磁芯的线圈，等式（1）可以重写为
现代软磁材料表现出大于的相对磁导率mu;r，因此这可以导致传感器灵敏度的显着增加。然而，应该考虑到所得到的磁导率的磁导率mu;c可以大于材料的磁通密度。这是由于退磁场效应定义的退磁因子N，其取决于磁芯的几何形状
如果材料的磁导率mu;r相对较大（通常是这种情况），则磁芯mu;c的合成磁导率主要取决于退磁因子N.因此，在高磁导率材料的情况下，传感器的灵敏度 主要取决于芯的几何形状。
椭圆形纤芯的去磁因子N取决于纤芯长度lc和纤芯直径Dc，根据近似方程
从等式（4）可以得出，为了获得小的N值（和大的合成磁导率mu;c），磁芯应该是长的并且具有小的直径。 让我们考虑如[13]中描述的针对大灵敏度优化的搜索线圈传感器的尺寸。 芯由尺寸1c = 300mm和Dc = 10mm（纵横比等于30）的无定形带（Metglas 2714AF）制备。 将这些值代入式（4），我们得到N〜= 3.5times;10 -3，这意味着与空气线圈传感器相比灵敏度大约是300倍。
因此，可采用软磁性材料来制成芯，使传感器灵敏度得到显著提高。 然而，这种增强是通过牺牲空气线圈传感器的最重要的优点-线性度来实现的。 即使由最好的铁磁材料制成的芯，也引入了传感函数，该传递函数对与温度，频率，磁通密度等有关的线性因子进行补偿。附加的磁噪声（例如巴克豪森噪声）也降低了传感器的分辨率。 此外，铁磁芯改变了勘探磁场（或磁通密度）的分布，这可能具有重要的后果。
图1.最简单的基于线圈的磁通密度和磁场传感器。
图2.空气线圈传感器的典型设计（1-线圈长度，D-线圈外径，D i-线圈直径，d-导线直径）。
3空气线圈传感器的设计
空气线圈传感器的典型设计如图2所示。多层线圈传感器的合成面积可以使用积分[5]
然而，等式（5）的精度有限。 因此，在实践中，最好通过在已知领域中的校准来实验地确定线圈的合成面积。 线圈的面积可以基于其直径等于平均值 D m =（D D i）/ 2的假设的简化公式来计算，因此
如果我们假设要测量的通量密度是正弦波b = B m·sin（omega;·t），并且感测线圈是环形引线D，则关系式（1）可以被重写为形式
其中f是测量场的频率，n和D分别是线圈的匝数和直径，B是测量的通量密度。
如果我们想要确定磁场强度H而不是磁通密度B，则可以容易地变换公式（7），因为对于非铁磁性介质B =mu;0·H（mu;0 = 4·pi;·10 -7 H m -1）和
考虑到（6），方程（8）可以表示为
匝数取决于使用的导线的直径d，填充因子k（kasymp;0.85 [1]）和线圈的尺寸
因此，空气线圈传感器的灵敏度S = V / H可以计算为
线圈传感器的分辨率受到热噪声，VT的限制，VT取决于线圈的电阻R，温度T，频率带宽Delta;f，系数等于Boltzmann因子k B = 1.38times;10 -23 W s K -1
线圈的电阻可以计算为[14]
以及空气线圈传感器的信噪比SNR是
从等式（14）可以看出，灵敏度大致与成比例地增加，SNR随着增加，因此获得最大灵敏度和分辨率的最佳方式是增加线圈直径D.增加线圈长度效率较低，因为灵敏度随着l增加，而SNR仅随着l增加。敏感性也可以通过增加数量来提高。例如，通过使用具有较小直径的导线，灵敏度随着d2增加，并且SNR比不取决于导线直径。
各种出版物讨论了空气线圈传感器的其他几何因素。 例如，可以考虑由不均匀场引起的误差来确定线圈的长度和直径之间的最佳关系。 发现[5,15]，对于l / D = 0.866，在线圈的中心消除了不期望的分量。 对具有一层的线圈进行该分析。 对于多层线圈，推荐的关系为1 / D = 0.67-0.866（对于D i / D = 0为0.67，对于D i / D = 1为0.866）。 同一来源[5]建议D i / D小于0.3。
由于为了获得高灵敏度而进行的分析显示，空气线圈传感器应当非常大。 例如，用于测量地球磁场的微脉冲的感应线圈磁力计在具有分辨率1pT-1nT [16]的带中的0.001-10Hz带内具有仪表尺寸，甚至重量为几百千克。 这种用于这种目的的线圈传感器的设计的示例在[17]中给出。具有直径2m（16000匝的铜线0.125mm直径）的线圈检测到在0.004-10Hz的带宽中的微脉冲离子通量密度。 对于1pT场，输出信号约为0.32mu;V，而热噪声电平约为0.1mu;V。
使用具有10000匝和直径1m的空气线圈传感器来检测在磁心图的pT范围内的磁场的通量密度[18]。
图3.三个相互垂直的线圈的轴向磁场测量的概念。
图4.拾取平面薄膜线圈的一个例子设计的陀螺电流传感器[21]。
线圈传感器只对垂直于其主轴的磁通敏感。 因此，为了确定磁场的所有方向分量矢量，应使用三个相互垂直的线圈（图3）。 这种低噪声三轴搜索线圈磁强计的示例在[19]中描述。 这种“便携式”计数器由直径在19cm和33cm之间的三个线圈和重量为14kg的4100-6500圈组成。它能够测量噪声电平低于170 dB / 100mu;T的20 Hz和20 kHz之间的磁场。
另一方面，存在极小的空芯传感器的示例。 尺寸小于2毫米，重量约1毫克（40匝）的三个正交线圈系统已被用于检测小型，快速移动的动物的位置[20]。
空气线圈传感器广泛用作涡流接近传感器或用于非破坏性测试（例如用于检测裂纹）的涡流传感器。在这种情况下，灵敏度不如整个设备的空间分辨率和紧凑性那么重要。这样的传感器通常被制造为连接到片上CMOS电子电路[22]的平面平面线圈（在PCB或薄膜技术[21-25]中制造）。尺寸为400times;400mu;m2（7匝）的这种传感器的示例在图4中示出。
为了通过线圈传感器测试磁场的空间分布，已经开发了柔性微环传感器阵列[26]。 该阵列由16个微环传感器组成，面积为14times;14mm 2，厚度为125mu;m。 每个线圈在2times;2mm 2的面积内具有40匝。
图5.典型的铁磁芯线圈传感器的设计（线圈的l长度，lc-磁芯长度，D线圈直径，D i-磁芯直径）。
图6.芯的合成磁导率与芯的尺寸和材料的磁导率的相关性[14]
有时，空芯传感器的频率响应是比灵敏度或空间分辨率更重要的因素。 可以优化线圈的尺寸以获得更好的频率性能。这些因素在第5节中讨论。
4铁磁芯线圈传感器的设计
在高灵敏度或尺寸限制是重要的情况下，通常使用高磁导率芯线圈传感器。这种传感器的典型几何形状示于图5中。
已知直径D i的最优值被确定为D i = 0.3D [14]。 线圈l的长度推荐为约0.7-0.91c。 对于这种线圈尺寸，室温下的输出信号V和SNR比可以描述为[27]
从关系（15）和（16）可以得出结论，在具有铁磁芯的线圈传感器的情况下，提高传感器性能的最有效的方法是使芯的长度（或者说，比率l / D i）尽可能大，因为灵敏度与l 3成比例。 图6显示了磁芯mu;c的合成磁导率与纵横比I / D和磁芯材料磁导率mu;r的关系（如[14]中所述）。
图7.感应磁力计的噪声性能示例（后[28]）
核心的重要性。 长度应当足够大以从芯材料的渗透性中受益。 另一方面，如果纵横比大，则所得到的导磁率取决于材料的导磁率。 这可能导致由于温度或所施加的场频率的变化导致的材料磁导率的不稳定性导致的误差。 对于大的材料磁导率值，合成磁导率mu;c实际上不取决于材料特性，因为关系式（3）就是
材料渗透率的较高值允许使用较长的芯，而不具有取决于所使用的材料的磁性特性的所得到的渗透性的风险。
作为示例，让我们考虑在[28]中描述的低噪声感应磁力计。 这里，芯由具有温度无关性质和尺寸：长度150mm，横截面为5times;5mm 2（纵横比约27）的无定形带（Metglas 2714AF）制备。 用0.15mm直径的线缠绕10 000匝的线圈。 图7中给出了传感器的特性。所获得的约0.05pT Hz -1/2的噪声电平被发现与SQUID传感器报告的值相当。
同一作者比较了核心材料的影响。 对于无定形Metglas核心，发现噪声为0.05pT Hz -1/2，而对于具有坡莫合金超级芯的相同传感器，其显示出更大的2pT Hz -1/2的噪声。 此外，空气线圈和铁磁芯传感器的比较已被报道[29,30]。 实验结果表明，良好设计的铁磁芯感应传感器表现出与空心传感器相当的线性。
具有铁磁芯的传感器通常用于空间研究的磁性研究[31,32]。 核心长度为51厘米，重量为75克（包括前置放大器）的设备显示出2fTHz -1/2的溶度（噪声级）[33]。 在对地球磁场（OGO搜索线圈实验）的分析中，使用了以下三轴传感器：线圈100000匝直径为0.036mm，由27cm长和方形的镍 - 铁合金制成的芯（0.6times;0.6cm 2）横截面。 每个传感器加权150克（halhe重量为核心）。 在这种情况下的灵敏度是10mu;V（nT Hz）-1 [34]。
图8.感应线圈传感器的典型频率特性。
用于空间研究的极敏感的三轴搜索线圈磁强计的详细设计和优化在[35]中描述。 为科学卫星DEMETER开发的线圈磁力计在6 kHz时的噪声电平为4 fT Hz -1/2。 为了获得所期望的谐振频率，并且选择初级电压噪声，选择71mu;m的铜线的直径和12200的匝数。 该芯由170mm长的50mu;m厚退火的FeNiMo 15-80-5坡莫合金条构成，截面为4.2mmtimes;4.2mm。整个三轴传感器和支架的质量为430g
有市售的搜索线圈传感器。 例如，MEDA公司提供具有25mV nT -1的灵敏度和10kHz下的噪声等于10fTHz -1/2（核心长度约32cm的MGCH-2传感器）或0.2Hz等于2.5的传感器 pT Hz -1/2（核心长度约1 m的
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