低噪聲寬頻帶感應(yīng)式磁傳感器*

魏麗英

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 人文信息學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130000)

0 引 言

磁感應(yīng)傳感器基于法拉第電磁感應(yīng)原理，能夠感應(yīng)所探測(cè)磁場(chǎng)信號(hào)的微弱變化，根據(jù)趨膚效應(yīng)，其性能指標(biāo)直接決定了頻率域電磁(FEM)法所能探測(cè)的最大深度[1～4]。磁感應(yīng)傳感器是FEM的核心設(shè)備，包括感應(yīng)線圈、前置放大電路等。為了得到一個(gè)高性能的磁感應(yīng)傳感器，除了需要高性能感應(yīng)線圈以外，也對(duì)前置放大電路提出了更高的要求：寬頻帶、低噪聲，以滿足探測(cè)深度和地磁場(chǎng)信號(hào)的實(shí)際需要。

1 感應(yīng)式磁傳感器的設(shè)計(jì)

1.1 感應(yīng)線圈模型分析

感應(yīng)式磁傳感器能夠感應(yīng)到磁場(chǎng)信號(hào)的變化，然后輸出信號(hào)經(jīng)前置放大電路進(jìn)行放大預(yù)處理。因此，為設(shè)計(jì)出合理的前置放大電路，必須對(duì)線圈模型進(jìn)行分析。

感應(yīng)線圈的等效模型如圖1所示，包括電感、分布電容和電阻。

圖1 感應(yīng)線圈等效模型

其中，Lp,C,RL分別為感應(yīng)線圈等效模型的等效電感、分布電容以及等效電阻。e為感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，uo為感應(yīng)線圈輸出電壓。由電磁感應(yīng)定律可得

(1)

其中，N為感應(yīng)線圈匝數(shù)，S為線圈橫截面積，μc為磁芯磁導(dǎo)率。

假設(shè)磁感應(yīng)強(qiáng)度B為頻率ω的正弦波，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)頻域表達(dá)式

e=jωNSμcB.

(2)

由式(2)和感應(yīng)線圈等效模型可得

(3)

1.2 低噪聲斬波放大器設(shè)計(jì)

1/f噪聲是半導(dǎo)體器件的固有特性，隨著頻率降低而提高。低頻時(shí)，1/f噪聲是主要噪聲成分，通過(guò)電路的增益放大后，會(huì)引起顯著的輸出電壓失調(diào)。

低噪聲斬波前前置放大電路如圖2所示。

圖2 低噪聲斬波前置放大電路

由圖2可以看出，前置放大電路包括2個(gè)放大回路(高頻放大回路、低頻放大回路)，通過(guò)多路模擬開關(guān)MAX333控制高低頻放大回路的切換，假設(shè)輸入信號(hào)為高頻信號(hào)，則CTRL控制信號(hào)控制前級(jí)MAX333將多路開關(guān)切換至高頻放大電路進(jìn)行放大，然后輸出經(jīng)后級(jí)MAX333多路開關(guān)輸出；反之，亦然。控制信號(hào)CTRL由上位機(jī)給出。

前置放大電路輸入噪聲主要由感應(yīng)線圈直流電阻、MAX333導(dǎo)通電阻引起的熱噪聲以及前置放大器輸入噪聲決定，輸入信號(hào)首先通過(guò)多路開關(guān)MAX333控制送入高頻/低頻放大電路。通過(guò)查閱芯片資料，MAX333的開關(guān)導(dǎo)通電阻僅為200 Ω，有效減少了電路的輸入噪聲，同時(shí)，前置放大電路采用OPA827運(yùn)算放大器進(jìn)一步減少了總體電路噪聲水平。

2 感應(yīng)式磁傳感器性能測(cè)試

由于市區(qū)內(nèi)存在很強(qiáng)的工頻或者其他干擾，而感應(yīng)式磁傳感器對(duì)輸入噪聲要求較高，為了準(zhǔn)確測(cè)量放大器的輸入噪聲，要求測(cè)試環(huán)境干擾信號(hào)比較微弱，因此，測(cè)試在電磁屏蔽室內(nèi)進(jìn)行。

2.1 感應(yīng)式磁傳感器增益測(cè)試

在感應(yīng)式磁傳感器預(yù)設(shè)頻帶范圍內(nèi)選取適當(dāng)數(shù)量的頻率點(diǎn)對(duì)放大電路的幅頻特性進(jìn)行測(cè)量。信號(hào)源輸出信號(hào)Vin為1 mV，使用動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀測(cè)量放大器輸出信號(hào)Vout，前置放大電路增益A=Vout/Vin，測(cè)量結(jié)果如圖3所示。

圖3 感應(yīng)式磁傳感器增益特性

由圖3可以看出：斬波開關(guān)對(duì)信號(hào)放大倍數(shù)基本沒有影響，高低頻放大電路幅頻特性具有良好的銜接性，在f<1 kHz頻段內(nèi)，感應(yīng)式磁傳感器的增益約為4 700左右，由于低通濾波器的影響，f>2 kHz頻段內(nèi)，幅頻特性曲線呈下降趨勢(shì)。

2.2 感應(yīng)式磁傳感器噪聲測(cè)試

感應(yīng)式磁傳感器測(cè)試方法如下：打開斬波信號(hào)，放置于磁屏蔽筒內(nèi)。測(cè)量感應(yīng)式磁傳感器終端輸出噪聲，除以其信號(hào)幅度增益，最終得到其等效輸入噪聲。斬波開關(guān)關(guān)閉，相同條件下測(cè)量感應(yīng)式磁傳感器等效輸入噪聲，測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

圖4 感應(yīng)式磁傳感器等效輸入噪聲

同時(shí)，本文設(shè)計(jì)的感應(yīng)式磁傳感器與加拿大鳳凰公司的MTC—50H磁感應(yīng)傳感器的噪聲水平進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。

圖5 感應(yīng)式磁傳感器噪聲對(duì)比

2.3 感應(yīng)磁傳感器標(biāo)定測(cè)試

本前置放大電路接入傳感器，在磁屏蔽筒內(nèi)對(duì)傳感器靈敏度進(jìn)行標(biāo)定，傳感器靈敏度標(biāo)定幅頻特性和相頻特性如圖6所示。

圖6 傳感器特性曲線

圖6(a)標(biāo)定曲線中，自主研制傳感器靈敏度曲線，頻率為1 Hz和1 kHz時(shí)，靈敏度分別為0.2 V/nT和1 V/nT。德國(guó)MFS—06傳感器靈敏度曲線，頻率為1 Hz和1 kHz時(shí)，靈敏度分別為0.2 V/nT和0.9 V/nT。而且，在5 kHz以下，自主研制傳感器靈敏度要優(yōu)于MFS—06傳感器靈敏度，5 kHz以后由于傳感器的磁芯損耗比較大，靈敏度低于德國(guó)MFS—06傳感器。另一方面，從圖6(b)中可以看出：自主研制傳感器的相頻特性曲線較為平坦，沒有明顯的相位突變，符合實(shí)際使用要求，性能與德國(guó)MFS—06傳感器的水平相當(dāng)。

3 結(jié) 論

本文在研究感應(yīng)線圈等效模型和傳遞函數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)前置放大器的頻帶和噪聲指標(biāo)要求，結(jié)合斬波放大原理，設(shè)計(jì)了斬波前置放大器，擴(kuò)展了放大器頻帶范圍，有效地減少了低頻噪聲。同時(shí)，在探測(cè)靈敏度、幅頻、相頻等特性方面，本文所研制的感應(yīng)式磁傳感器與德國(guó)MFS—06傳感器進(jìn)行參數(shù)對(duì)比，性能指標(biāo)相當(dāng)，滿足項(xiàng)目指標(biāo)要求，為感應(yīng)式磁傳感器在野外實(shí)踐應(yīng)用提供了可靠保障。

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