大孔径开合式磁通门电流传感器探头参数设计

海洋工程结构中常使用大量电化学性能不同的异种金属材料，异种金属材料间所存在的电位差会引发电偶腐蚀，而在腐蚀性极强的海水介质条件下电偶腐蚀效应会加强。腐蚀电流检测方法需要具有非常高的灵敏度、较强的抗干扰能力，且孔径尺寸大、开合式方便拆卸等特点。磁通门传感器因其测量精度较高、成本较低、结构简单且技术较为成熟，成为了腐蚀电流测量的首选。

据麦姆斯咨询报道，针对海洋工程中迫切需要的大孔径开合式腐蚀电流检测方法，海军工程大学电气工程学院的研究人员设计了一种基于磁通门原理的大孔径开合式腐蚀电流检测探头，并通过有限元仿真验证了不同探头参数下磁通门脉冲特性，为大孔径开合式磁通门电流传感器的探头设计提供了理论依据。相关研究成果已发表于《仪表技术与传感器》期刊。

磁通门电流传感器探头主要由激励源、磁通门探头、后处理电路和被测柱体组成。其中磁通门探头部分由一个双边开合式环形磁芯C和绕制在磁芯上的激励线圈ω1和检测线圈ω2组成，磁通门探头正常工作时，激励源向激励线圈ω1通入交变电流，使得磁芯C在正负饱和状态之间不断变化，此时检测线圈ω2上会产生正负变化的感应电流，当被测柱体电流I不为0时，感应电流的正负变化不对称，后处理电路通过解调感应电流中的不对称偏置，检测出被测柱体电流I。

开合式磁通门电流传感器探头原理图

磁通门效应直接使得磁通门脉冲的正负不对称，而磁通门传感器的检测精度也很大程度上依赖磁通门脉冲的峰值大小，在实际的传感器参数设计过程中，需要考虑不同参数对脉冲的影响，令磁通门脉冲峰值达到合理程度。

研究人员通过将待测电流带来的磁场偏置影响代入磁芯磁导率，联立磁芯磁路方程和检测线圈的电路方程，结合相量法得出了开合式磁通门电流传感器的检测线圈电流脉冲计算公式，为大孔径开合式磁通门电流传感器的探头设计提供了理论依据，同时结合COMSOL仿真软件建立了有限元仿真分析模型，以720 mm孔径的磁通门电流传感器为例，从绕线方式、结构设计等方面分析计算了待测电流引起的磁场偏置，讨论了不同探头参数对磁通门脉冲的影响，包括磁芯的半径r，气隙大小lg，磁芯截面积S，磁芯相对磁导率μr1，激励线圈和检测线圈匝数N1、N2，检测线圈负载R、L，以及激励电流幅值A，频率ω。

磁芯半径对磁通门脉冲的影响

气隙对磁通门脉冲的影响

磁芯截面积对磁芯上平均磁通量的影响

磁芯相对磁导率对磁通门脉冲的影响

激励线圈匝数对磁通门脉冲的影响

检测线圈匝数对磁通门脉冲的影响

检测线圈电阻分量对磁通门脉冲的影响

检测线圈电感分量对磁通门脉冲的影响

激励电流幅值对磁通门脉冲的影响

不同激励频率下对磁通门脉冲的影响

这项研究为大孔径开合式磁通门电流传感器的探头设计提供了理论依据，对于传感器后处理电路的设计具有一定的参考价值。

 

 

 

审核编辑：刘清