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大连通测仪器有限公司
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磁通门技术起源于磁通门现象，是利用磁芯饱和现象实现被测量磁场磁调制，实现磁场到电场的转化，完成磁场测量过程的技术。这种技术可以实现对微弱磁场（10-10Tܶ -10-3Tܶ）的测量[1]。使用磁通门技术进行电流测量时，实现电场到磁场、磁场到电场的两级转换过程；整个测量过程中待测量电流不与测量仪器产生直接的电气连接，因此这种测量技术也是一种电流隔离测量技术。
一 磁通门技术基本原理
1 磁通门分类
磁通门传感器种类众多，按照激励磁场与外界磁场的方向差异可以将其分为以下三类：平行型磁通门、正交型磁通门和混合型磁通门；而其中平行型磁通门传感器又分为单棒型磁通门、双棒型磁通门和环型磁通门[2]。调研结果显示平行型磁通门传感器的应用较为广泛，而其中环型磁通门传感器是应用广泛的一种传感器。
a) 单磁芯磁通门传感器数学模型[2,3]
图 1 所示是单磁芯磁通门传感器的原理图。在一根软磁性材料制成的磁芯上分别缠绕激励线圈（又称初级线圈）和匝数为ܰ的信号感应线圈（又称为次级线圈）；设磁芯横截面积为ܵS, 磁导率为μ，环境磁场强度为H0。
图 1 单磁芯磁通门工作原理
对激励线圈加以角频率为ω的正弦激励电流，产生激励磁场He：
以上磁场在信号线圈中产生的感应电动势Uo如下： He= Hmsinωt (1) 式中：Hm为激励磁场强度幅值。则可推导出磁芯内部的磁感应强度B如下: B = μ(H0 + He) = μ( H0 + Hm sinωt) (2)
对于磁导率曲线如图 2 所示的磁芯。当激励磁场强度幅值Hm小于磁芯饱和磁场强度|HS|时，磁芯处于磁导率线性区，此时磁导率μ是一个常数；当激励磁场强度幅值大于磁芯饱和磁场强度|HS|时，磁芯周期性的处于磁导率线性区和非线性区，此时磁导率μ是一个随磁场强度大小变化而变化的变量。图 3 所示是磁芯磁感应强度随着激励磁场强度变化而变化的曲线。
磁导率μ是一个没有正负之分的标量，且随着激励磁场强度|He|的变化而变化；因此当采用如图 3 所示的角频率为ω的有极性激励磁场激励磁芯线圈时，可把磁导率μ看成一个角频率为2ω的周期信号，且属于偶函数。可利用傅立叶级数对变化磁导率信号μ(t)展开 ：
式中，ud为磁导率中直流成分，ui是各2݅i次谐波分量幅值。将式 4 代入式 2可得如下表达式：
利用三角形函数的积化和差公式对式 5 进行整理，可得单芯磁通门的输出电压如下：
由上式可以清晰得得出：单磁芯型磁通门输出得感应电动势是包含了被测量环境磁场H0和激励磁场Hi的信息；当环境磁场为零时（H0 =0）时，输出的感应电动势只包含激励磁场Hi的信息，输出信号只含有激励信号频率的奇次谐波成分；当环境磁场不为零时（H0≠0）时，输出的感应电动势即包含激励磁场Hi的信息，也包含被测量磁场H0的信息，而待测量磁场H0的信息在频域上是激励信号频率的偶次谐波。因此，通过提取磁通门输出信号中的偶次谐波成分，并测量其大小即可测量到待测量磁场H0的强度。
单芯型磁通门输出电压除了包含磁通感应电动势外，还包含磁通门变压器效应产生的电压，而且与变压器效应相比，磁通感应电动势非常微弱。因此，不可以直接利用单磁芯磁通门感应线圈的输出信号测量环境磁场，必须先剔除变压器效应产生的电压。
b) 双磁芯磁通门传感器数学模型[3,4]
为了改善单芯磁通门，剔除单芯磁通门中存在的变压器效应影响，提出了双磁芯型磁通门；双磁芯磁通门由两根平行放置的磁芯构成，磁芯上的激励线圈反向串联，感应线圈同向串联。这样的结构能够消除变压器效应产生的感应电动势， 而使两根磁芯产生的磁通电动势叠加，从而提高了磁通门的测量精度。
当对图 4 所示的双芯型磁通门加以角频率为ω的正弦激励信号，并且假设激励线圈在上半磁芯产生的磁场He与待测量环境磁场Hx方向相同时，上半磁芯内的总磁感应强度B如下：
B = m(H x + He) = m( Hx + Hm sinωt) (7)
式中：Hm为激励磁场强度幅值， N为信号感应线圈匝数为；ܵS为磁芯截面积，μ为磁导率，Hx为环境磁场强度。
根据单芯型磁通门数学模型分析结果可知，图 4 所示磁通门上半磁场在感应线圈中产生的感应电动势如下：
由于两个平行磁芯上的激励线圈反向串联，因此激励信号在下半磁芯内产生的总磁感应强度B如下：
| B = m(H x - He) = m( H x- Hm sinωt) (9) 对应在信号线圈中产生的感应电动势如下： |
由上式可知，磁通门的输出信号，是只含有偶次谐波的交流信号，而且与被测量磁场Hx呈正比关系。
值得注意的是，以上推导过程建立在两根磁芯参数（包括形状参数）一样以及上下磁芯激励线圈参数一样的基础上。因此在实际设计和应用过程中也应该保证上下磁芯和激励线圈参数一样。
c) 环形磁通门传感器数学模型[1,2]
环形磁通门可以看作双芯磁通门的延伸，是一种差分结构的平行磁通门。环形磁通门具有良好的对称性，且形成了闭合回路，具有低噪声特性。
设感应线圈缠绕匝数为M ,横截面积为A，传感器测量方向磁场强度为H0 ,激励磁场为 Hm sinωt。无漏磁和不考虑退磁效应的情况下，环形磁芯可以看作两块半环形磁芯：左半环形磁芯与右半环磁芯，如图 6 所示。
激励磁场在两个半环中产生的磁感应强度大小相等且方向相反：
磁通门感应线圈输出的感应电动势U如下：
结合前面两小节的分析，可以得线圈输出的磁感应电动势如下：
由该式可知，圆环形磁通门感应电动势的数学模型与双磁芯磁通门相同，输出的信号是与待测量磁场H0呈正比的偶次谐波分量交流信号。
2 磁通门信号检测方法[1,3]
通过对以上几种类型的磁通门输出感应电势的数学模型进行分析，可知：磁通门输出信号各次谐波分量的相位与激励电源的相位有关，当被测量磁场反向时，相位反转 180 度；谐波分量的频率均是激励电源的偶次谐波，各次谐波分量幅度均随着饱和深度而变化。
根据以上输出信号特征，目前有两种常见的磁通门输出信号检测方案：谐波法，其中的是二次谐波法；非谐波检测法，包括脉冲幅度法、脉冲间隔法、脉冲宽度法和脉冲相位差值法，其中脉冲幅度法和脉冲间隔法是常用的两种非谐波检测方法。因此本节将进一步介绍二次谐波检测法、脉冲幅度法和脉冲宽度法。
d) 二次谐波检测法
磁通门输出有效信号中只含有激励信号的偶次谐波，且其中二次谐波分量幅度值；磁通门输出噪声信号中只含有其基次谐波，且其幅度的是基波和三次谐波。噪声信号中幅度的两种谐波分量分布在磁通门有效输出信号幅度的二次谐波的两侧。因此，采用二次谐波法能够有效的消除磁通门输出的噪声信号。如图 7 所示是二次谐波检测法原理图。
由图 7 可知，实现二次谐波检测法的信号处理电路较为繁琐：磁通门信号输出后，首先经过带通滤波和LC谐振；再经过选频放大后，由相敏整流将其整流成单向的脉动电压E0(t)最后经过积分滤波器处理成为平滑的直流电压信号。采用二次谐波法对磁通门输出信号进行检测时，相敏调节是必须的，相敏调节可 以进一步消除奇次谐波的影响。
采用二次谐波法，磁芯的相关结构参数、激励电源的特性对磁通门特性能都存在影响。采用二次谐波法处理磁通门信号时，磁通门结构参数对磁芯饱和情况的存在一定的影响量，磁芯参数（磁导率、饱和磁感应强度、矫顽力、退磁系数等），磁芯的绕线匝数，磁芯的结构情况等等都是会导致检测的性能。
磁通门探测线圈是一种特殊变压器，磁芯工作在过饱和状态，磁芯磁导率值周期性地从值变化到最小值，这样才能获得较强的磁通门信号。磁芯是磁通门探测线圈的核心部件，磁通门探测线圈主要由磁芯、激励线圈和感应线圈组成。因此，磁性材料的选择，磁芯的结构，感应线圈的匝数等，决定着磁通门性能的好坏。在国内受目前制造工艺和基础材料研制情况的限制，谐波型磁通门的发展受到一定的制约，近年来未有大的跨越发展。
激励电源的特性对磁通门性能的影响。采用二次谐波法处理磁通门信号时，每一个电路的干扰都会影响磁通门传感器信号的处理效果。因此，对各环节电路性能都要求较高，其中激励电源电路的性能是其中的一个重要电路环节。
激励电源电路的频率稳定度、幅值稳定性，相位稳定度以及波形质量都是影响因素。对其性能的要求主要包括：频率稳定度，激励信号的频率会使磁通门输出信号的频率与与后级滤波单元的中心频率偏移，这样会影响磁芯的灵敏度；电压幅值稳定度激励电源电压幅值变化也是影响检测灵敏度的因素之一。幅值的变化会带来磁芯激磁磁场强度的幅值的改变；相位稳定度，稳定的相位，才能保障相敏检波环节的准确性。当二次谐波信号与基准方波信号间存在相差，会降低相敏检波的能力；波形稳定度，激励电源的波形不稳定，会引起磁 芯饱和角的变化，
导致检测的灵敏度变化。
当前，采用二次谐波法测量磁通门信号面临的一个重要和需要改善的问题是：
采用谐波选择法进行信号分析和测量，最后的输出信号带有一个偏置电压，且具 有随机性。具体表现是，重复开启和关闭辅助电源设备，磁通门的输出信号都带有一个偏置直流电压。当前，对这一偏置电压的处理办法是，通过添加调零电路、或者数字标零等处理方式校正输出的零点，使输出信号能真正的做到零输出。目前，还未有其它较好的解决方法。
e) 脉冲幅度检测法
脉冲幅检测法，是利用磁通门输出信号与幅值成比例的关系进行的测量。采用这种方式，也可以得到与谐波法一样的结果。其原理图如图 8 所示。
脉冲幅值计值法的工作原理是：当被测磁场为零时，磁通门输出的为一系列脉冲信号，这个脉冲信号包含正脉冲和负脉冲，其幅值大小是一致的，通过后续差分放大处理后输出为零；当被测测磁场不为零时，输出的正负脉冲的幅值是不一致的，两者之差与被测磁场的大小成正比例关系。
对比二次谐波法，脉冲幅值的计值方式更简单，电路结构简单，技术应用性更强。由于脉冲峰值直接影响检测的准确度，所以要求该方法的配套电路具有更高的稳定性。在实际的应用中，由于磁芯具有巴克豪森效应，制作过程带来的应变力，以及测量时外部环境温度变化的影响，导致磁通门输出的脉冲信号含有尖峰，很难进行精准的计量。
f) 脉冲宽度检测法
脉冲宽度计值法，是对磁通门输出信号的正脉冲、负脉冲宽度的差分值进行测量，通过相关计算，信号梯度只取决于激励磁场的频率、幅值和波形。磁芯的其他参数和磁芯材料电磁特性对磁通门信号梯度没有影响。且其矢量响应比二次谐波法好。使用脉冲宽度计值法时，当激励磁场是正弦波时，磁通门输出信号是一个非线性的，无法用于磁场的线性检测；当激励磁场为三角波形，则输出能线性反映被测磁场的强度。
这里以激励电源为三角波信号进行分析：磁芯饱和工作时间段∆t0来表征磁通门信号脉冲宽度，当被测量磁场不存在时，磁芯正、反向饱和工作时间段均为：
其中，݂f1为激励电流频率，Hs为磁芯饱和磁场强度，Hm为三角形激励磁场幅值。
设被测量磁场强度为H0，被测量磁场存在时，磁芯正向饱和工作时间段为：
在同等条件下，磁芯在反向工作状态，其反向饱和工作时间段为：
磁通门输出信号这两者的宽度差分值如下：
由此可知，脉冲宽度法检测的信号梯度只取决于激励磁场的频率、幅值和波形，与磁芯的其他参数（如材料、电磁特性等）无直接的关系。由式（18）可得，激励电源的频率越低，获得的脉冲宽度就会越宽。因此，非常适合采用数字电路来处理磁通门输出信号，只要数字电路的计值时钟频率足够高，就可以实现磁通门信号的高分辨率检测。
3 磁通门传感器性能指标
考虑到磁通门传感器的性能指标，一般的静态性能指标有线性度、重复性、 迟滞、 灵敏度、带宽、分辨率、零点和灵敏度温度漂移等。以下对传感器的部分性能指标做一下 简单介绍。
线性度:在磁通门传感器的应用中，要求磁通门传感器的输出与被测量之间具有很好的线 性关系。实际测出的传感器的输入与输出校准曲线与某一规定(理论)直线不吻合的程 度，称为该传感器的“非线性误差"，或称“线性度"。理论上，在开环工作方式下选用二次谐波作为输出时，磁通门传感器输出与输入之间不是直线关系。在采用反馈线圈后，磁通门传感器就具有了很好的线性度。
灵敏度：静态灵敏度一般定义为传感器的输出量的变化量与输入量的变化量之比;动态灵 敏度则定义为输出量对输入量的倒数。对于宽带低噪声磁通门传感器，传感器的灵敏度随着被测磁场的频率不同而不同。所以为了更合理的确定传感器自身的性能，在灵敏度计算中要考虑频率的作用。
带宽：带宽的指标就是在确定磁通门传感器各频率点的灵敏度后，衰减 3 分贝的所有的通带范围。
分辨率：如果传感器的输入从非零的任意值缓慢增加，只有超过某一输入增量后输出才显示有变化，这个输入增量就称为传感器的分辨率。它说明了传感器最小可以测出的输入量。
零点温度漂移：零点温度漂移定义为单位温度变化引起传感器零点变化的量与传感器在起始温度下满量程输出的百分比。在磁通门传感器中，磁通门探头和测量电路都有零点误差，所以设法拟制电路中零点变化对输出信号的影响是有必要的。
灵敏度温度漂移：线性传感器的灵敏度温度漂移定义为，单位温度变化引起传感器满量程变化的量与传感器在起始温度下满量程输出的比值的百分数。在闭环方式下，磁通门的灵敏度与磁导率无关，随温度变化较小。
二 磁通门电流测量
电流测量原理
环形磁通门是目前在高精度隔离式电流测量领域应用广泛的一种磁通门电流测量技术。当有一根直流电流导线通过图 10 所示的环形磁芯时，根据安培环路定律可以求得导线中电流在磁芯中产生的磁感应强度如下：
式中，μ是磁芯磁导率，݀d是磁芯直径，I是穿过导线的直流电流。
最终磁通门通过测量穿过导线的电流在磁芯中产生的磁场，可间接测量导线中的电流。
磁芯线圈选取
磁通门式传感器最重要的环节就是探测线圈。探测线圈[5]作为检测信号的输入端，直接影响了整个系统的检测精度。探测线圈的材料选取，一般采用软磁材料的磁芯。目前的软磁材料主要有坡莫合金、硅钢等金属合金，软磁铁氧体，以及超微晶等非晶或纳米等。这类软磁材料具有较快的磁场响应速度，容易迅速地被外加磁场磁化，又容易迅速的实现退磁。磁通门的工作原理决定，磁芯是要处于周期性的过饱状态，一般要选择初始磁导率和磁导率高、低矫顽力、饱和磁感应强度也高，稳定性高的软性材料。因此软磁材料是非常合适用于制造磁通门探测线圈。
同时，另外一个重要的问题就是要保证磁芯线圈的屏蔽。磁屏蔽是一个较难的课题，即要对外界的杂散磁场起到良好的屏蔽作用，又有要避免屏蔽措施对被测磁场发生磁短路现象。屏蔽材料一般都选择磁导率很大的软磁材料（坡莫合金或铁铝等金属合金等），做成一个屏蔽罩，将磁芯线圈包裹住，这样外界的杂散磁场就会从屏蔽罩通过，其内部就不会受到干扰。
值得注意的是：目前的调研结果显示，并没有文献专门介绍基于环形磁芯磁通门电流测量方案中磁芯上的激励线圈和信号线圈应该怎么缠绕。这一点还有待深入研，但是目前的众多文献及电流测量公司的手册都显示环形磁通门电流测量传感器具有更高的测量精度，且在国内外有不少基于环形磁通门的电流测量产品面市。
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