基于磁通門(mén)傳感器的弱磁場(chǎng)檢測(cè)方法

楊理踐，涂傳賓，高松巍

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)　110870)

0　引言

磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)是一種基于鐵磁性材料在磁化飽和時(shí)，其磁導(dǎo)率非線性變化特性而工作的弱磁檢測(cè)設(shè)備，磁通門(mén)技術(shù)開(kāi)始于20世紀(jì)30年代，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)在地球物理學(xué)、航天工程、生物醫(yī)學(xué)、軍事領(lǐng)域、材料無(wú)損探傷等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。緣于磁通門(mén)傳感器高分辨率、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，使得其在弱磁檢測(cè)領(lǐng)域具有很大優(yōu)勢(shì)，是目前測(cè)量微弱磁場(chǎng)較為理想的設(shè)備。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)弱磁場(chǎng)的檢測(cè)，采用高磁導(dǎo)率材料鈷基非晶合金VITROVAC 6025Z作為磁芯材料設(shè)計(jì)制作了磁通門(mén)傳感器，采用DDS信號(hào)發(fā)生器作激勵(lì)源，虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)LABVIEW結(jié)合PCI-1716數(shù)據(jù)采集卡完成對(duì)磁通門(mén)傳感器微弱磁場(chǎng)信號(hào)的采集、處理和顯示。零點(diǎn)補(bǔ)償實(shí)時(shí)可調(diào)增加了系統(tǒng)的靈活性和不同磁場(chǎng)環(huán)境下的適用性，該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

1　磁通門(mén)傳感器原理

磁通門(mén)現(xiàn)象其實(shí)是變壓器效應(yīng)的衍生現(xiàn)象，同樣符合法拉第電磁感應(yīng)定律。當(dāng)磁芯處于非飽和磁場(chǎng)中，其磁導(dǎo)率變化緩慢，而當(dāng)磁芯達(dá)到飽和時(shí)，其磁導(dǎo)率變化明顯，此時(shí)被測(cè)磁場(chǎng)被調(diào)制進(jìn)感應(yīng)電勢(shì)中，可以通過(guò)測(cè)量磁通門(mén)傳感器感應(yīng)電勢(shì)中能夠反映被測(cè)磁場(chǎng)的量來(lái)度量磁場(chǎng)。磁通門(mén)傳感器的工作過(guò)程中，磁芯的飽和點(diǎn)就貌似一道“門(mén)”，通過(guò)這道“門(mén)”，被測(cè)磁場(chǎng)被調(diào)制[2]。

1．1磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)構(gòu)成

磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)由激勵(lì)電路、磁通門(mén)傳感器、檢測(cè)部分構(gòu)成。如圖1所示。

圖1磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)構(gòu)成

磁通門(mén)傳感器是磁強(qiáng)計(jì)的重要組成部分，完成對(duì)被測(cè)磁場(chǎng)的調(diào)制，激勵(lì)電路提供交變信號(hào)，使磁芯往復(fù)飽和，檢測(cè)部分的功能是提取磁通門(mén)信號(hào)中能夠反映被測(cè)磁場(chǎng)大小的信號(hào)成分進(jìn)行處理，測(cè)量其幅值，從而得出相應(yīng)的被測(cè)磁場(chǎng)的大小。

1．2單芯磁通門(mén)傳感器模型建立

選擇正弦信號(hào)作為磁通門(mén)傳感器激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)磁場(chǎng)與被測(cè)磁場(chǎng)共同作用于磁芯，在半周期內(nèi)激勵(lì)磁場(chǎng)與被測(cè)磁場(chǎng)同向，使磁芯提前飽和；在另半周期內(nèi)激勵(lì)磁場(chǎng)與被測(cè)磁場(chǎng)反向，使磁芯滯后飽和，因被測(cè)磁場(chǎng)的存在，在正負(fù)半周期間出現(xiàn)磁通門(mén)變化的速率差，產(chǎn)生偶次諧波[3]。

以單芯磁通門(mén)傳感器模型作為研究對(duì)象，在一根磁芯上纏繞激勵(lì)線圈和感應(yīng)線圈，磁芯為高磁導(dǎo)率的鐵磁性材料，磁導(dǎo)率為μ，橫截面積為S，感應(yīng)線圈匝數(shù)為N．模型如圖2所示：

圖2　單芯磁通門(mén)傳感器模型

設(shè)激勵(lì)電流頻率為ω，幅值為Hm，通過(guò)激勵(lì)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)H1為：

H1=Hmsinωt

(1)

磁芯軸向上環(huán)境磁場(chǎng)強(qiáng)度為H0，則磁芯內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度H為：

H=H0+H1

(2)

磁芯內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度B為：

B=μ·H=μ·(H0+H1)

(3)

當(dāng)Hm小于磁芯磁飽和強(qiáng)度Hs時(shí)，磁芯的磁化曲線(BH曲線)處于線性區(qū)域，磁導(dǎo)率μ為定值。磁通門(mén)傳感器感應(yīng)線圈中電壓U為：

(4)

將式(1)、式(3)代入得：

U=-μωNSHmcosωt

(5)

通過(guò)式(5)可以看出，感應(yīng)電壓大小與軸向環(huán)境磁場(chǎng)H0無(wú)關(guān)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的測(cè)量。

當(dāng)Hm大于磁芯磁飽和強(qiáng)度Hs時(shí)，磁導(dǎo)率μ隨激勵(lì)磁場(chǎng)大小變化顯著，是時(shí)間的函數(shù)，設(shè)磁導(dǎo)率為μ(t)。激勵(lì)磁場(chǎng)H1有正負(fù)之分，頻率為ω，而μ(t)為標(biāo)量，沒(méi)有正負(fù)之分，變化頻率為激勵(lì)磁場(chǎng)頻率ω的2倍。μ(t)為偶函數(shù)，用傅里葉展開(kāi)為：

(6)

式中：μd為磁導(dǎo)率中直流成分；μi為各2i次諧波分量幅值。

代入式(3)、式(4)中，則感應(yīng)電壓U(t)為：

-NSHmμ(t)cosωt

(7)

(8)

代入三角函數(shù)的積化和差公式：

(9)

由上式可以看出，磁通門(mén)輸出的電壓信號(hào)由含H0和Hm的項(xiàng)組成。當(dāng)環(huán)境磁場(chǎng)H0為零時(shí)，磁通門(mén)輸出電壓均為含Hm的項(xiàng)，其中只含有激勵(lì)信號(hào)頻率的奇次諧波，為變壓器效應(yīng)產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)；當(dāng)環(huán)境磁場(chǎng)H0不為零時(shí)，磁通門(mén)輸出電壓中含H0的項(xiàng)為激勵(lì)信號(hào)頻率的偶次諧波，其幅值與H0成正比，同時(shí)與感應(yīng)線圈匝數(shù)N、ω激勵(lì)頻率、磁芯橫截面積S成比例關(guān)系。

進(jìn)行弱磁測(cè)量時(shí)，只需提取含有激勵(lì)頻率偶次諧波的量，濾除雜波信號(hào)，所以通常通過(guò)檢測(cè)偶次諧波的大小得到待測(cè)H0的強(qiáng)度。

1．3環(huán)形差分磁通門(mén)傳感器模型建立

為了消除磁通門(mén)信號(hào)中因變壓器效應(yīng)而產(chǎn)生的電勢(shì)，采用環(huán)形差分結(jié)構(gòu)，激勵(lì)線圈同向串聯(lián)，使變壓器效應(yīng)感應(yīng)電勢(shì)相抵消，而能夠體現(xiàn)被測(cè)磁場(chǎng)大小的偶次諧波信號(hào)疊加得到增強(qiáng)[4]。

磁通門(mén)傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

(a)傳感器結(jié)構(gòu)圖

(b)傳感器實(shí)物圖

如圖3(a)差分結(jié)構(gòu)中，激勵(lì)線圈上下兩半在尺寸和電磁參數(shù)上對(duì)稱(chēng)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反，在公共感應(yīng)線圈上的感應(yīng)電勢(shì)互相抵消，而待測(cè)磁場(chǎng)H0產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào)相疊加，式(9)可寫(xiě)為：

(10)

由上式可以看出，由于差分式傳感器結(jié)構(gòu)，由變壓器效應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)相抵消后為零，傳感器輸出的感應(yīng)電勢(shì)與被測(cè)磁場(chǎng)大小成正比，而變壓器效應(yīng)僅起到了調(diào)制磁芯磁導(dǎo)率的作用。差分式磁通門(mén)靈敏度G可以表示為：

(11)

由上式可以看出，靈敏度與N、S、ω、μi成正比例關(guān)系，可以通過(guò)改變相關(guān)參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)傳感器的靈敏度，式(11)對(duì)研究磁通門(mén)傳感器的靈敏度意義重大。

2　磁通門(mén)傳感器及激勵(lì)電路

磁通門(mén)傳感器選用差分式結(jié)構(gòu)可以很好的抵消激勵(lì)信號(hào)因變壓器效應(yīng)產(chǎn)生的電勢(shì)，激勵(lì)電路采用DDS信號(hào)源。

2．1磁通門(mén)傳感器

磁通門(mén)傳感器由磁芯、繞線骨架、激勵(lì)線圈和感應(yīng)線圈組成。磁芯是傳感器的核心部件，決定著傳感器的性能好壞，為了保證磁通門(mén)傳感器具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，要求磁芯具有高磁導(dǎo)率、低矯頑力和容易達(dá)到飽和等。商品型號(hào)為VITROVAC 6025Z的鈷基非晶合金滿(mǎn)足以上要求，制作中選用厚0.025 mm，寬3 mm的帶材，在激勵(lì)線圈骨架上沿周向繞制成磁芯。激勵(lì)線圈和感應(yīng)線圈采用直徑0.27 mm的漆包線繞制，感應(yīng)線圈沿周向繞在感應(yīng)骨架上，線圈總體相連，中間隔開(kāi)增大線距減小寄生電感，實(shí)物如圖3(b)所示。

2．2激勵(lì)電路

激勵(lì)電路的作用是為磁通門(mén)傳感器提供交變的激勵(lì)信號(hào)，使磁芯能夠處于周期性過(guò)飽和狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)時(shí)使用FG708S函數(shù)信號(hào)發(fā)生器提供激勵(lì)，可以方便的選擇激勵(lì)信號(hào)的各項(xiàng)參數(shù)，經(jīng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)后選用頻率為10 kHz，幅值為5V的正弦信號(hào)作為磁通門(mén)傳感器的激勵(lì)信號(hào)。

系統(tǒng)中用單片機(jī)STC89C52RC和AD9850芯片構(gòu)成DDS信號(hào)發(fā)生器為傳感器提供激勵(lì)，經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除高頻雜波干擾，再經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)激勵(lì)線圈。

激勵(lì)電路的原理框圖如圖4所示。

圖4　激勵(lì)電路原理圖

2．2．1DDS原理

AD9850為高集成度頻率合成器，由可編程DDS系統(tǒng)、10位DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)和高速比較器組成。其原理框圖如圖5所示。

圖5　AD9850結(jié)構(gòu)原理

可編程DDS系統(tǒng)的核心是相位累加器，每來(lái)一個(gè)外部參考時(shí)鐘信號(hào)，頻率控制字就累加到相位累加器中，與相位控制字相加后產(chǎn)生實(shí)時(shí)的數(shù)字相位信息。數(shù)字相位信息輸入到正弦表查詢(xún)地址上，正弦查詢(xún)表中每一個(gè)幅度信息地址對(duì)應(yīng)正弦波0～360°范圍內(nèi)的一個(gè)相位點(diǎn)。正弦查詢(xún)表將輸入的數(shù)字相位信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字幅度值。然后驅(qū)動(dòng)DAC把數(shù)字幅度值轉(zhuǎn)換成模擬幅度值[5]。

2．2．2單片機(jī)控制AD9850產(chǎn)生正弦波

采用STC89C52RC單片機(jī)串行方式實(shí)現(xiàn)對(duì)AD9850的控制，D7作為數(shù)據(jù)輸入端口，W_CLK每個(gè)上升沿來(lái)到時(shí)，把一個(gè)數(shù)據(jù)寫(xiě)入到輸入寄存器，40位數(shù)據(jù)都寫(xiě)完后，在FQ_UD上升沿更新輸出信號(hào)頻率和相位，從而實(shí)現(xiàn)波形的連續(xù)性[6]。使用了單片機(jī)4個(gè)I/O口，分別控制AD9850的WCLK、FQ_UD、RST、D7。工作時(shí)D0、D1須接高電平，D2腳接地時(shí)為選擇串行輸入方式。AD9850時(shí)鐘信號(hào)采用外部125 M有源晶振產(chǎn)生，引腳REST對(duì)地電阻取3.9 kΩ．IOUT值隨DAC寄存器的內(nèi)容線性變化，IOUT下拉電阻進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換，輸出正弦波，IOUTB下拉電阻輸出正弦波與IOUB輸出波形相差180°。單片機(jī)與AD9850連接電路如圖6所示。

圖6　AD9850控制電路

2．2．3低通濾波電路

為使正弦激勵(lì)更純凈，采用低通濾波電路濾除外部時(shí)鐘的高頻干擾和雜散信號(hào)，考慮到有源濾波器的頻帶一般不是很高，采用過(guò)渡帶下降迅速且窄的無(wú)源7階橢圓低通濾波器，電路如圖7所示。

圖7　低通濾波電路

低通濾波電路理論截止頻率為70 MHz，濾波電路可以很好的濾除高頻雜波信號(hào)，得到純凈的正弦波信號(hào)。圖7中R1和R2的作用是對(duì)IOUT輸出電流信號(hào)進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換。

2．2．4功放電路

輸出的正弦信號(hào)功率太小，通過(guò)激勵(lì)線圈后產(chǎn)生的磁場(chǎng)不足以使磁芯達(dá)到周期性的過(guò)飽和狀態(tài)，達(dá)不到磁通門(mén)效應(yīng)所需條件。必須設(shè)置功率放大電路，設(shè)計(jì)中采用TDA2030構(gòu)成功率放大電路，前級(jí)正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)功放驅(qū)動(dòng)傳感器的激勵(lì)線圈。功放電路如圖8所示。

圖8　功率放大電路圖

3　檢測(cè)部分

該部分功能是將磁通門(mén)傳感器輸出信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡輸入電腦，在虛擬儀器程序中進(jìn)行處理和顯示。虛擬儀器采用LABVIEW2010軟件，配合PCI-1716數(shù)據(jù)采集卡完成對(duì)傳感器感應(yīng)電勢(shì)的采集和處理。

3．1信號(hào)的采集

磁通門(mén)傳感器置于地磁場(chǎng)中，采用10 kHz，5 V正弦信號(hào)激勵(lì)，用示波器觀察輸出信號(hào)，如圖9所示。

圖9　磁通門(mén)傳感器檢測(cè)信號(hào)

圖9可以看出，磁通門(mén)傳感器檢測(cè)信號(hào)是一個(gè)周期性的諧波信號(hào)，在地磁場(chǎng)中信號(hào)峰值達(dá)60 mV以上，選用的數(shù)據(jù)采集卡PCI-1716是一款16位的高分辨率數(shù)據(jù)采集卡，傳感器檢測(cè)信號(hào)適于該款數(shù)據(jù)采集卡的采集、處理。磁通門(mén)傳感器中采用激勵(lì)線圈和感應(yīng)線圈共地的連接方式，所以輸出端與采集卡連接采用單端數(shù)據(jù)連接方式，選用AI0端口作為檢測(cè)信號(hào)輸入端，板卡上AIGND地端與磁通門(mén)傳感器的地連接，這種連接方式可以消除檢測(cè)信號(hào)與板卡地之間的共模電壓干擾。數(shù)據(jù)采集卡為用戶(hù)提供了對(duì)應(yīng)的采集子VI- ADV AI Acquire Waveform．vi，以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集，使用該子VI需設(shè)置采樣通道、采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)等參數(shù)，數(shù)據(jù)采集卡按照設(shè)定的采樣頻率對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣。該VI是個(gè)多態(tài)VI，可以按要求輸出數(shù)據(jù)數(shù)組，也可以輸出數(shù)據(jù)的波形。

3．2信號(hào)的處理

LABVIEW讀取緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。磁通門(mén)信號(hào)處理方法采用脈沖幅值法，即通過(guò)檢測(cè)磁通門(mén)傳感器輸出電壓整個(gè)頻譜來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)的大小。設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)調(diào)零功能可以補(bǔ)償環(huán)境磁場(chǎng)，上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)顯示被測(cè)磁場(chǎng)大小[7]并保存進(jìn)excel文件。在測(cè)量磁場(chǎng)前，旋動(dòng)磁場(chǎng)調(diào)零按鈕，抵消環(huán)境磁場(chǎng)的影響，使系統(tǒng)歸零。磁通門(mén)初始信號(hào)在LABVIEW中處理后，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)可讀。磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)軟件界面如圖10所示。

圖10　磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)軟件界面

4　結(jié)果分析

用特斯拉計(jì)給磁通門(mén)傳感器進(jìn)行定標(biāo)，將磁通門(mén)傳感器和特斯拉計(jì)平行置于可調(diào)磁場(chǎng)中，逐步增加磁場(chǎng)強(qiáng)度，同時(shí)記錄兩設(shè)備的輸出數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1　磁通門(mén)傳感器輸出數(shù)據(jù)

在坐標(biāo)圖中繪制測(cè)得的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)線性擬合，設(shè)線性方程為：y=kx+b，經(jīng)計(jì)算，k=1.783，b=0.056，即得到設(shè)計(jì)的磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)靈敏度為1.783 mV/μT，零點(diǎn)漂移為0.056 V，擬合結(jié)果繪于圖11中。

圖11　磁通門(mén)傳感器標(biāo)定擬合

在線性區(qū)內(nèi)對(duì)磁通門(mén)傳感器進(jìn)行噪聲采樣，得到零磁場(chǎng)環(huán)境下噪聲的平均值為2.758 mV，用噪聲平均值除以傳感器靈敏度得到傳感器分辨力為1.547 μT．

5　結(jié)論

基于差分結(jié)構(gòu)磁通門(mén)傳感器，設(shè)計(jì)制作了配套激勵(lì)電路，采用LABVIEW配合數(shù)據(jù)采集卡完成對(duì)信號(hào)的采集、處理和顯示。磁通門(mén)信號(hào)檢測(cè)處理采用脈沖幅值法即對(duì)信號(hào)整個(gè)頻譜進(jìn)行處理，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)μT級(jí)磁場(chǎng)的檢測(cè)。

磁場(chǎng)調(diào)零功能使該系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同磁場(chǎng)環(huán)境，滿(mǎn)足更多場(chǎng)合的需求。通過(guò)定標(biāo)實(shí)驗(yàn)計(jì)算得到傳感器靈敏度為1.783 mV/μT，傳感器分辨力1.547 μT．

參考文獻(xiàn)：

[1]KALUZA F，GRUGER A，GRUGER H．New and future aррlications of fluxgate sensors．Sensors and Actuator A，2003，106：48-51．

[2]翁孟超，楊志強(qiáng)，宣仲義．微型磁通門(mén)傳感器的制備與測(cè)試研究進(jìn)展．儀表技術(shù)與傳感器，2008(6)：9-11：15．

[3]李大明．磁場(chǎng)的測(cè)量．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993：58．

[4]PEREZ L，LUCAS I，AROCA C，et al．Analytical model for the sensitivi-ty of a toroidal fluxgate sensor．Sensors and Actuators A，2006，(130-131)：142-146．

[5]鄧重一．基于DDS技術(shù)的頻率合成源設(shè)計(jì)．儀表技術(shù)與傳感器，2005(10)：37-40．

[6]郭永彩，張春榮，高潮．基于DDS技術(shù)AD9850的激勵(lì)信號(hào)源設(shè)計(jì)．微計(jì)算機(jī)信息，2012，28(1)：12-14．

[7]石川，張琳娜，劉武發(fā)．基于Labview的數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009(5)：21-23．