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Analoge und digitale Signalverarbeitung für ein Fluxgate-Magnetometer

Martin S. Sommer

Martin S. Sommer

Ein Fluxgate-Magnetometer ist ein Messinstrument zur Bestimmung der Richtung und der Amplitude von magnetischen DC oder niederfrequenten AC Feldern mit einer Auflösung von 100 pT bis 100 mT.
In der vorliegenden Arbeit wird eine theoretische Analyse des Effekts durchgeführt sowie ein Sensor aufgebaut.

Die Hauptbestandteile eines Fluxgate-Magnetometers sind die elektrische Erregung, ein weichmagnetischer Kern und eine Sensorspule. Auf Grund der gleichen Orientierung von Erregerfeld und externem Feld wird die in Abbildung 1 a) dargestellte Bauform als Parallel-Fluxgate bezeichnet [1].
Das in Abbildung 1 b) dargestellte Fluxgate, bei dem Erregung und äußeres Feld normal aufeinander stehen, wird als Orthogonal-Fluxgate bezeichnet [2].

Die Grundidee bei Fluxgate-Magnetometern besteht darin, die Nichtlinearität des weichmagnetischen Kernes auszunutzen. Dieser wird, wie in Abbildung 2 a) dargestellt, durch das Erregersignal wechselseitig in Sättigung getrieben. Durch ein äusseres Feld werden beim Parallel-Fluxgate die Pulse der induzierten Spannung verschoben, beim Orthogonal-Fluxgate hingegen wird die Form der Pulse verändert. Auf Grund der einfacheren Darstellung und der weitaus größeren Verbreitung von Parallel-Fluxgates ist in Abbildung 2 b) nur die Auswirkung eines äußeren Feldes auf die Signale eines Parallel-Fluxgates dargestellt.

Abbildung 1: Aufbau eines Fluxgate-Magnetometers.   In a) erfolgt die Erregung durch eine Erregerspule; in b) direkt durch den Erregerstrom.

Abbildung 1: Aufbau eines Fluxgate-Magnetometers.
In a) erfolgt die Erregung durch eine Erregerspule; in b) direkt durch den Erregerstrom.

Abbildung 2: Signalverläufe eines Parallel-Fluxgates.   a) ohne Überlagerung durch ein externes Feld; b) mit Überlagerung durch ein externes Feld.

Abbildung 2: Signalverläufe eines Parallel-Fluxgates.
a) ohne Überlagerung durch ein externes Feld; b) mit Überlagerung durch ein externes Feld.

Literaturverzeichnis

  • [1] Pavel Ripka: magnetic sensors and magnetometers, Artech House, Norwood, 2001
  • [2] I. Sasada: Orthogonal fluxgate mechanism operated with dc biased excitation, Journal of Applied Physics, vol. 91, nr. 10, 2002.

April 2007