RTD型磁通門傳感器檢測系統(tǒng)設(shè)計*

王言章， 李京杰， 劉 維， 趙辰陽， 陳思宇

(1.吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長春 130021；2.吉林大學(xué) 地球信息探測儀器教育部重點實驗室，吉林 長春 130021)

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RTD型磁通門傳感器檢測系統(tǒng)設(shè)計*

王言章1,2， 李京杰1， 劉 維1， 趙辰陽1， 陳思宇1,2

(1.吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長春 130021；2.吉林大學(xué) 地球信息探測儀器教育部重點實驗室，吉林 長春 130021)

為了對外界靜磁場進(jìn)行檢測，設(shè)計了滯留時間差(RTD)型磁通門傳感器的檢測系統(tǒng)。通過對檢測系統(tǒng)信號調(diào)理電路、數(shù)字存儲單元以及數(shù)據(jù)處理算法等方面的設(shè)計優(yōu)化，提高了檢測系統(tǒng)的檢測精密度和準(zhǔn)確度。在電磁屏蔽室中，利用赫姆霍茲線圈給定外磁場，對所設(shè)計的檢測系統(tǒng)進(jìn)行測試，實驗結(jié)果表明:時間差波動小于±0.1 μs，在±5×104nT范圍內(nèi)線性度誤差為±0.21 %，靈敏度為22.4 s/T，多次測量標(biāo)準(zhǔn)差不大于0.03，適合用于對靜磁場的檢測。

磁通門傳感器； 滯留時間差； 信號調(diào)理； 數(shù)據(jù)處理

0 引 言

在諸多類型的磁場測量儀器中，磁通門傳感器是綜合性能最好的一種[1，2]。磁通門傳感器具有體積小、靈敏度高、穩(wěn)定性好、功耗低等優(yōu)點，在地球和太空磁場測量、人造衛(wèi)星和導(dǎo)彈的姿態(tài)控制、磁法勘探等方面具有廣闊的應(yīng)用前景[3～5]。

磁通門傳感器是在周期性交變激勵磁場的作用下，使軟磁磁芯處于周期性過飽和狀態(tài)，利用磁通量的變化對其軸向被測磁場進(jìn)行調(diào)制，然后將被測目標(biāo)磁場轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出的一種磁測技術(shù)。傳統(tǒng)的偶次諧波型磁通門傳感器的探頭結(jié)構(gòu)是差分對稱的，由于敏感元件制作工藝水平、磁芯材料的性質(zhì)以及復(fù)雜的檢測電路所帶來的電子噪聲等因素，制約了其性能的發(fā)展[6，7]。滯留時間差(RTD)型磁通門傳感器采用單磁芯結(jié)構(gòu)，對磁通門探頭輸出信號峰值的時間差進(jìn)行檢測[8]。和偶次諧波型磁通門傳感器相比，RTD型磁通門傳感器體積小，而且不需要考慮磁芯的聚磁、渦流及對稱性等問題，檢測電路因避開了相敏檢波和積分等環(huán)節(jié)而得到簡化，抗干擾能力增強(qiáng)[9]。

本文設(shè)計了RTD型磁通門傳感器檢測系統(tǒng)，并在電磁屏蔽室中對自制的傳感器探頭進(jìn)行了時間差的測量，得到了理想的測量結(jié)果。

1 RTD型磁通門的理論分析

RTD型磁通門傳感器是單磁芯磁通門，激勵線圈與感應(yīng)線圈纏繞在同一磁芯骨架上,其結(jié)構(gòu)與輸出信號的波形如圖1所示，其中，Hx為被測磁場，Ie為激勵電流。

理想磁芯的靜態(tài)磁滯回線如圖2(a)所示。其中，H為磁場強(qiáng)度，Hc為磁芯矯頑力，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，Bs為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。當(dāng)加到磁芯軸向的磁場強(qiáng)度|He|

圖1 RTD型磁通門傳感器的結(jié)構(gòu)與輸出信號

圖2 RTD型磁通門傳感器的工作原理

假設(shè)作用于磁芯的激勵磁場為周期為Te、幅值為Hm的正弦磁場He=Hmsinωt,其中,ω=2π/Te，磁芯軸向的被測磁場為Hx，則作用在磁芯軸向的總磁場強(qiáng)度為所示

H=Hx+He=Hx+Hmsinωt.

(1)

結(jié)合圖2，可以得到時間差與被測磁場Hx的關(guān)系為

(2)

由式(1)和式(2)可以推出:在一個周期Te中，磁芯處于正飽和與負(fù)飽和狀態(tài)的時間間隔為

(3)

那么,RTD型磁通門傳感器輸出時間差如式(4)所示

(4)

2 時間差的檢測原理與時間差抖動分析

采用將磁通門輸出信號遲滯整形并定時計數(shù)的檢測方法，將磁通門輸出信號放大后以VH和VL為閾值遲滯整形為高低電平，對高低電平進(jìn)行計時來確定磁芯處于正、負(fù)飽和狀態(tài)的時間，以此計算RTD。

由于磁通門探頭輸出信號的穩(wěn)定性、電阻的熱噪聲、運(yùn)算放大器的電壓噪聲和電流噪聲(CMOS器件可以忽略)[10]、加法電路的偏置電壓的波動和比較電路閾值的波動等，造成磁通門信號抖動和比較器閾值抖動，最終導(dǎo)致時間差產(chǎn)生波動。如圖3所示，圖中實線代表理想情況下的時間差輸出信號，虛線表示實際情況下時間差輸出信號會產(chǎn)生抖動，即tnoise。

圖3 輸出信號抖動

針對上述出現(xiàn)的時間差輸出信號抖動，為了盡可能地減小時間差輸出信號的抖動，對檢測電路進(jìn)行優(yōu)化，并且設(shè)計了數(shù)據(jù)處理算法對噪聲進(jìn)行處理。

3 檢測電路優(yōu)化

RTD型磁通門傳感器檢測電路由模擬(信號調(diào)理)電路部分和數(shù)字(時間差計數(shù)存儲)電路部分組成。對檢測電路進(jìn)行如下幾方面的優(yōu)化：

1)為了減小檢測電路中運(yùn)算放大器的噪聲，選取了噪聲只有35nV峰—峰值的超低噪聲精密放大器；

2)為了減小加法電路偏置電壓的波動，選取了噪聲只有1.2μV峰—峰值的超低噪聲LDOXFET基準(zhǔn)電壓源;

3)為了減小比較器閾值的波動，選取了噪聲只有1.4μV峰—峰值的超低噪聲LDOXFET基準(zhǔn)電壓源。

4)為了減少外界環(huán)境對檢測電路的影響，以SD卡直接存儲時間差數(shù)據(jù)代替了電腦串口接收并間接存儲數(shù)據(jù)，避免了外界接地對電路的影響。

優(yōu)化后的檢測電路的模擬部分如圖4所示，其中A1～A4放大器為LT1028，C比較器為AD8561，VREF1和VREF2分別由ADR441和ADR443電壓基準(zhǔn)芯片提供。傳感器探頭輸出信號與Vm+和Vm-相連接入電路，經(jīng)過前置放大電路(如圖4(a)所示)放大和同相加法電路(如圖4(b)所示)電壓抬升后，經(jīng)過滯回比較電路(如圖4(c)所示)輸出載有時間差信息的矩形信號。數(shù)字部分由FPGA(主頻為200MHz)和MSP430組成，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)對矩形信號高低電平時間進(jìn)行計時，由MSP430計算出時間差并進(jìn)行SD卡存儲。

圖4 滯留時間差型磁通門檢測電路的模擬部分

在電磁屏蔽室內(nèi)，相同的實驗環(huán)境下，對優(yōu)化前后的檢測電路進(jìn)行測試，并通過時間差波動大小對比優(yōu)化前后電路的性能。通過對比圖5和圖6明顯可以得到：優(yōu)化前檢測電路的時間差波動在±2.5μs左右，優(yōu)化后時間差波動在±1μs左右，優(yōu)化后時間差波動明顯減小。

圖5 優(yōu)化前檢測電路的時間差波動

圖6 優(yōu)化后檢測電路的時間差波動

4 檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理算法

在長時間測試測量過程中，由于環(huán)境溫度的變化、電源電壓的波動、地基振動和元器件穩(wěn)定性(主要是熱噪聲)等因素，引起傳感器探頭輸出信號抖動和檢測電路產(chǎn)生噪聲，造成讀取的時間差數(shù)據(jù)中存在疏失誤差和隨機(jī)誤差[11]。

針對測量數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的疏失誤差(壞值)，采用限幅濾波方法將其判別和剔除。對于每組時間差數(shù)據(jù)，通過Bessel公式計算出標(biāo)準(zhǔn)差σ，如式(5)所示

(5)

圖7 限幅濾波前時間差數(shù)據(jù)的波動

圖8 限幅濾波后時間差數(shù)據(jù)的波動

針對測量數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的隨機(jī)誤差，由于其具有有界性和對稱性的特點，可以采用多次測量取算術(shù)平均值的方法來減弱隨機(jī)誤差對測量結(jié)果的影響[13,14]，即均值濾波方法。對進(jìn)行限幅濾波后的每組時間差數(shù)據(jù)取算術(shù)平均值，作為該組數(shù)據(jù)的時間差數(shù)據(jù)。通過對比限幅濾波后時間差的波動(如圖8所示)和均值濾波處理后時間差的波動(如圖9所示)，可以看出：均值濾波算法可以有效地減小時間差數(shù)據(jù)中的隨機(jī)誤差，處理后的時間差數(shù)據(jù)波動在±0.1 μs內(nèi)。

圖9 均值濾波后時間差數(shù)據(jù)的波動

5 實驗與測試結(jié)果

為了測試所設(shè)計的RTD型磁通門傳感器檢測系統(tǒng)的性能，對一組外磁場進(jìn)行測量。將傳感器探頭置于電磁屏蔽室中的麥克斯韋線圈(用于產(chǎn)生被測外磁場)內(nèi)，使用所設(shè)計的檢測系統(tǒng)對磁通門探頭輸出信號進(jìn)行測量和數(shù)據(jù)處理。

實驗中，給定的激勵信號為頻率為300 Hz、幅值為40 mA的正弦電流信號。每秒存儲300個時間差數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理中每300個數(shù)據(jù)為一組進(jìn)行處理。圖10為時間差數(shù)據(jù)隨被測磁場變化的測試圖。由圖10可以得到，在±50 000 nT范圍內(nèi)具有很好的線性度。被測磁場在±50 000 nT范圍內(nèi)變化時，時間差的變化大約為±1 122 μs。

圖10 時間差隨被測磁場變化的測試圖

對時間差數(shù)據(jù)應(yīng)用線性回歸技術(shù)(最小二乘法)進(jìn)行曲線擬合。給定n個數(shù)據(jù)點(xi,yi)(i=1,2,…,n)，假設(shè)線性擬合多項式為y=ax+b(a≠0)，則各數(shù)據(jù)點到擬合曲線的偏差平方和如式(6)所示

(6)

使d2=min(d2)，代入時間差數(shù)據(jù)求得a=0.022 4,b=4.040 6,即在±50 000 nT范圍內(nèi)，時間差ΔT與被測磁場Hx的關(guān)系式為ΔT=0.022 4Hx+4.040 6，線性度誤差為γl=±0.11 %，傳感器靈敏度約為22.4 s/T。

每隔5 000 nT選取一組待測磁場，對每個待測磁場進(jìn)行多次測量，重復(fù)性測量誤差較小，樣本標(biāo)準(zhǔn)差不大于0.03，測量結(jié)果比較理想。測量結(jié)果及計算出的樣本標(biāo)準(zhǔn)差如表1所示。

表1 不同被測磁場下多次測量結(jié)果與樣本標(biāo)準(zhǔn)差

Tab 1 Multiple measurements results under different magnetic field and standard deviation of sample

Hx(nT)ΔT(μs)標(biāo)準(zhǔn)差S500001122.11791122.13181122.10071122.14181122.09941122.11590.0168450001010.06281010.08691010.07821010.06091010.02521010.06300.021140000899.7107899.6692899.7279899.7054899.7168899.73220.022635000789.3279789.3270789.3183789.3285789.3294789.33660.005930000678.8909678.8686678.9061678.8880678.8898678.90190.013125000567.1618567.1513567.1521567.1729567.1784567.15410.011520000454.9151454.9261454.9402454.8952454.9092454.90490.016015000342.6880342.6832342.6946342.6986342.6972342.66620.012210000230.2609230.2364230.2664230.2624230.2661230.27290.01275000117.5102117.4986117.5285117.5197117.4985117.50580.012003.75413.76253.74763.75273.75493.75290.0048-5000-109.6262-109.6029-109.6258-109.6407-109.6150-109.64630.0160-10000-222.2665-222.2673-222.2642-222.2671-222.2587-222.27540.0054-15000-335.0474-335.0264-335.0527-335.0593-335.0426-335.05830.0123-20000-446.8633-446.8591-446.8499-446.8688-446.8818-446.85700.0110-25000-559.3833-559.3792-559.3960-559.4022-559.3774-559.36160.0144-30000-670.9705-670.9830-670.9474-670.9620-671.0049-670.95550.0208-35000-781.5557-781.5547-781.5601-781.5536-781.5767-781.53320.0139-40000-891.3556-891.3401-891.3570-891.3520-891.3635-891.36540.0091-45000-1001.0527-1001.0579-1001.0637-1001.0602-1001.0392-1001.04260.0099-50000-1113.4267-1113.3829-1113.4137-1113.4471-1113.4633-1113.42640.0277

6 結(jié) 論

本文設(shè)計了由優(yōu)化后的檢測電路和限幅均值濾波算法組成的RTD型磁通門傳感器檢測系統(tǒng)，并通過實驗室自制的RTD型磁通門傳感器探頭在電磁屏蔽室對系統(tǒng)進(jìn)行實驗測試。實驗結(jié)果表明:時間差波動在±0.1 μs內(nèi)，在±5×104nT范圍內(nèi)靈敏度為22.4 s/T，多次測量標(biāo)準(zhǔn)差不大于0.03，適合用于對靜磁場的檢測。

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李京杰，通訊作者,E—mail:1569394708@qq.com。

Design of detection system for RTD fluxgate sensor*

WANG Yan-zhang1,2, LI Jing-jie1, LIU Wei1, ZHAO Chen-yang1, CHEN Si-yu1,2

(1.College of Instrumentation & Electrical Engineering,Jilin University,Changchun 130021,China;2.Key Laboratory of Geo-Exploration Instrumentation,Ministry of Education, Jilin University,Changchun 130021,China)

To measure static magnetic field, a detection system for residence times difference(RTD)fluxgate sensor is developed.To improve the precision and accuracy of the detection system,the design optimization of the system is carried out in three aspects of signal conditioning circuit,data storage and processing algorithm.In electromagnetic shielding enclosure,the detection system is tested on self-designed detector with given external field by Helmholtz coil.Results show that in the range of ±5×104nT,the fluctuation of time difference is less than ±0.1 μs,linearity error is±0.21 %,sensitivity is 22.4 ns/nT and repetitive error is not more than 0.03,which is suitable for the detection of static magnetic field.

fluxgate sensor; residence time difference(RTD); signal conditioning; data processing

2015—02—29

國家自然科學(xué)基金資助項目(41274183)； 吉林大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新項目(2014A65294)

10.13873/J.1000—9787(2015)09—0104—04

TP 212

A

1000—9787(2015)09—0104—04

王言章(1979-)，男，山東菏澤人，副教授，主要研究方向為弱磁信號檢測、地球電磁探測儀器和數(shù)字信號處理。