基于磁通門效應(yīng)的非晶絲弱磁傳感器

李文濤，王世偉，，孫廣杰，孫曉華，趙　軍

(1．內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭　014010；2．包頭稀土研究院，內(nèi)蒙古包頭　014030)

0　引言

磁通門傳感器是指利用被測磁場中高導(dǎo)磁鐵芯在交變磁場的飽和激勵下，其磁感應(yīng)強(qiáng)度與被測磁場強(qiáng)度的非線性關(guān)系來測量弱磁場的一種磁場傳感器。與其他類型磁傳感器相比，具有分辨率高(可達(dá)10-11T)，測量弱磁場范圍寬(0～10-8T)，能夠直接測量磁場的分量和適于在高速運動系統(tǒng)中使用等特點。在諸多類型的磁場測量傳感器中，磁通門是綜合性能最好的一種[1-2]。

1　磁通門傳感器的基本工作原理

磁通門傳感器對弱磁場測量十分有效，它具有很高的分辨力和良好的方向性，可將環(huán)境磁場物理量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電勢信號，從而實現(xiàn)對磁場的測量。磁通門傳感器是利用鐵磁材料的各向異性磁電阻效應(yīng)制作的一種能夠測量磁場大小和方向的傳感器。當(dāng)磁芯處于周期性過飽和工作狀態(tài)時，感應(yīng)電勢中就會出現(xiàn)隨環(huán)境磁場強(qiáng)度而變的偶次諧波分量。對環(huán)境磁場來說，就好比有一道“門”，通過這道“門”，相應(yīng)的磁通量即被調(diào)制[3]。

磁通門傳感器一般由探頭和接口電路組成。探頭一般包括磁芯、勵磁線圈和感應(yīng)線圈。磁芯由高導(dǎo)磁材料制成，按照其形狀劃分，主要有單芯、雙芯和環(huán)芯3種。其工作原理是當(dāng)勵磁線圈中通以一交流電流時，在它產(chǎn)生的交變磁場和待測磁場的共同作用下，使磁芯達(dá)到飽和，并在探測線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，通過測量和分析感應(yīng)電壓的變化而達(dá)到測量待測磁場的目的[4]。

以雙鐵芯磁通門探頭為例，假設(shè)兩根鐵芯及線圈的形狀尺寸和電磁參數(shù)完全對稱，不考慮鐵芯的退磁、聚磁、磁滯、渦流、漏磁和趨膚效應(yīng)對鐵心性能的影響，忽略鐵芯飽和、磁導(dǎo)率變化等對激磁電路阻抗的影響，認(rèn)為由恒流源激磁，并以三折線代表鐵芯磁化曲線，理想條件下感應(yīng)線圈的輸出信號變化如圖1所示[5]。圖1中，傳感器磁芯隨激勵磁場的變化周期性地達(dá)到深度飽和，磁芯磁通量的變化引起磁芯磁導(dǎo)率周期性變化，磁芯磁導(dǎo)率變化引起感應(yīng)線圈產(chǎn)生感應(yīng)脈沖信號，脈沖信號的幅度和相位反映了外界磁場的大小和方向。從圖中可以看出，感應(yīng)脈沖信號的頻率是激勵信號頻率的2倍，對該信號進(jìn)行相敏整流和濾波后，就可得到與被測磁場有關(guān)的直流輸出電壓[6]。

圖1　磁通門傳感器信號圖解

2　弱磁傳感器磁芯結(jié)構(gòu)

試驗中，弱磁傳感器的磁芯所用的非晶絲的成分為Co66Fe15Si14B5，采用內(nèi)旋轉(zhuǎn)水紡絲法制備。淬態(tài)非晶絲矯頑力小于10 A/m，初始磁導(dǎo)率大于105，飽和磁致伸縮系數(shù)λS=-0．08×10-6，無明顯玻璃轉(zhuǎn)化點，晶化溫度TX=550 ℃．非晶絲平均直徑為120 μm，電阻率為130 μΩ·cm，將淬態(tài)非晶絲進(jìn)行脈沖電流退火處理后，可明顯提高絲材的軟磁性能[7]。鈷基非晶絲內(nèi)芯具有軸向分布的磁疇結(jié)構(gòu)，而外芯具有圓周向磁疇，且相鄰磁疇磁化方向相反，同時，鈷基非晶絲材料具有較小的應(yīng)力感生各向異性，因直徑很細(xì)，故易于得到大的長徑比、具有很小退磁因子的敏感材料[7]。當(dāng)非晶絲受到磁化線圈產(chǎn)生的軸向交變磁場激勵時，其有效磁導(dǎo)率對外加磁場十分敏感，易隨外磁場變化而變化[8]，因此，用鈷基非晶絲制成的磁場傳感器具有很高的靈敏度。

截取一段長度適中、成分均勻的非晶絲，將其纏繞3圈形成圓環(huán)，從而保證傳感器磁芯結(jié)構(gòu)的均勻性和磁路的完全閉合。采用單線密繞法在非晶絲磁環(huán)上均勻密繞勵磁線圈(如圖2(a)所示)，保證激勵電流在環(huán)形磁芯的閉合磁路中產(chǎn)生的磁通在左右半環(huán)完全對稱。如圖2(b)所示，在環(huán)形磁芯上密繞3組次級線圈作為感應(yīng)線圈，3組線圈匝數(shù)相等，相位互差120°。通過將3組次級線圈并聯(lián)(端子1、3、5相聯(lián)，端子2、4、6相聯(lián))形成探頭的輸出端，有效地減小磁芯材料不均勻造成的測量誤差，提高探頭的信噪比。所設(shè)計的環(huán)形磁芯結(jié)構(gòu)具有非常好的對稱性，共模干擾(如溫度)變化對磁場傳感器性能指標(biāo)的影響可大大削弱，從而使得傳感器的綜合性能指標(biāo)得以提高。

3　信號處理電路的設(shè)計與實現(xiàn)

設(shè)計一種以單片機(jī)為核心的信號處理及采集電路。通過單片機(jī)實現(xiàn)激勵線圈工作頻率的調(diào)節(jié)，選擇激勵電壓及頻率保證傳感器探頭工作在最佳狀態(tài)；對磁通門傳感器探頭的初級信號進(jìn)行放大、濾波及相敏整流處理，實現(xiàn)信號的調(diào)理；利用單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊對信號進(jìn)行采集，通過PC上位機(jī)對傳感器的實測值進(jìn)行修正。

圖2　環(huán)形磁通門磁芯結(jié)構(gòu)

3．1激勵電路

激磁電源電路的性能直接影響著探頭輸出信號。激磁電源電路的頻率、電壓幅值、相位及波形的穩(wěn)定度決定著輸出信號的好壞。為保證傳感器激勵信號的穩(wěn)定性，采用一種調(diào)節(jié)信號發(fā)生器頻率的調(diào)制方法，設(shè)計一個以信號發(fā)生芯片MAX038為核心的信號發(fā)生電路。電路中AT89S52單片機(jī)作為主控制器，通過D/A轉(zhuǎn)換芯片控制MAX038電路的輸出頻率及波形，設(shè)置積分放大電路調(diào)節(jié)輸出電壓幅值，如圖3所示。

圖3　磁通門傳感器勵磁電路

3．2信號處理電路

磁通門處理電路的作用是將圖2所示的傳感器感應(yīng)線圈輸出信號轉(zhuǎn)換成直流電壓信號。主要進(jìn)行前置放大和相敏整流。前置放大電路包括LC諧振電路和選頻放大電路，設(shè)計中主要考慮信號增益的穩(wěn)定，不過分追求濾波的效果和品質(zhì)因數(shù)，以免出現(xiàn)振蕩或增益不穩(wěn)定。其原理圖如圖4所示。

圖4　選頻放大電路原理圖

圖中R3=R4，R2=2R3，C1=C2，根據(jù)帶通濾波器的原理圖可求出其傳遞函數(shù)。假設(shè)：R3=R、C1=C，則其傳遞函數(shù)為：

(1)

式中Af為同相比例放大器的電壓放大倍數(shù)Af=1+Rf/R1。

根據(jù)上式可知，傳遞函數(shù)穩(wěn)定的前提是：Af<3。

當(dāng)探頭勵磁線圈激勵頻率為2 kHz，傳感器性能達(dá)到最優(yōu)，則其二次諧波為4 kHz，故將濾波器的中心頻率設(shè)計為4 kHz．根據(jù)f0=1/(2πRC)，取C=0．01 μF，計算得R=3．88 kΩ，取4 kΩ．

從工程實踐考慮，與運算放大器輸入端相連的外接電阻必須滿足平衡條件，即：(Rf∥R1) =R3=2R．經(jīng)計算：R1=12．4 kΩ、Rf=22．4 kΩ，取Af=2．8，得到濾波器的品質(zhì)因數(shù)為5。

相敏整流電路主要實現(xiàn)對信號的相敏檢波和低通濾波。從圖3所示芯片MAX038上取一個與激勵電源二次諧波同頻率的正弦波Ux作為基準(zhǔn)信號，Uy為經(jīng)過放大后的探頭信號，反映被測磁場信號的大小及方向。已知相敏檢波的頻率，采用互相關(guān)檢測原理進(jìn)行檢測。相敏整流由2部分組成：同步檢波電路和低通濾波，如圖5所示。同步檢波電路由四象限乘法器AD734及其外圍電路組成；低通濾波由二階巴特沃斯低通濾波器來實現(xiàn)。

圖5　相敏整流電路

相敏整流在基準(zhǔn)信號的前半個周期對Uy進(jìn)行同相放大，在基準(zhǔn)信號的后半個周期對Uy進(jìn)行反相放大。經(jīng)相敏整流后，得到信號Uo：

Uo=Ux×Uy

(2)

Uo的直流分量Uod為：

Uod=(π/2)N2Sμω(E1+E2)Hx

(3)

式中：N2為感應(yīng)線圈的匝數(shù)；S為鐵心截面積；μ為鐵心在不飽和段的磁導(dǎo)率；ω為激勵電流的角頻率；E1和E2分別為相敏整流的同相和反相放大倍數(shù)；Hx被測磁場的大小。

由式(3)可看出：Uod與被測磁場的大小呈線性關(guān)系。影響傳統(tǒng)磁通門傳感器測量精度的主要因素是傳感器的零點和靈敏度。一般情況下，零點和靈敏度會隨著溫度的變化而變化，變化較大時，需要設(shè)置補(bǔ)償線圈。

4　試驗與結(jié)果

試驗中，由勵磁電源電路提供正弦波電壓信號作為激勵電源，有效電壓值為5 V左右，激勵頻率為5 kHz，探頭輸出的二次諧波信號中心頻率為4 kHz左右，探頭信號輸出波形穩(wěn)定，如圖6所示。由圖6可以看出，檢測到的探頭信號峰-峰值為200 mV，說明探頭靈敏度比較高，達(dá)到了設(shè)計要求。探頭所采用的鐵芯材料為旋轉(zhuǎn)水紡法制備的非晶絲，經(jīng)過電流熱退火后，成分比較均勻，設(shè)計的圓環(huán)磁芯結(jié)構(gòu)有效地提高了傳感器性能。

圖6　探頭輸出信號波形

5　結(jié)束語

在分析傳統(tǒng)磁通門傳感器的基礎(chǔ)上，采用非晶絲作為傳感器磁芯材料設(shè)計了一種環(huán)形結(jié)構(gòu)的磁通門傳感器，并將單片機(jī)和信號發(fā)生芯片相結(jié)合構(gòu)成一種低成本的弱磁傳感器系統(tǒng)。該傳感器克服了傳統(tǒng)的磁通門傳感器體積大、精度低、受溫度影響較大等缺點，在測量精度及信噪比方面也有一定優(yōu)勢。采用3個感應(yīng)線圈并聯(lián)結(jié)構(gòu)，有效削減了材料不均勻引起的信號不對稱問題，增大了信號輸出電流和輸出功率。針對該文的設(shè)計，還可進(jìn)一步開展減小誤差，提高信號穩(wěn)定性等方面的研究工作。

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