基于非晶絲巨磁阻抗效應(yīng)的微磁場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)

胡含凱，曹 霧

（西安機(jī)電信息技術(shù)研究所 陜西 西安 710065）

近炸引信系統(tǒng)大都是借助于探測(cè)器獲取目標(biāo)信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)、識(shí)別、定位和毀傷。探測(cè)器因探測(cè)機(jī)理的不同形成了不同的探測(cè)體制，常用的探測(cè)器有無線電、激光、紅外、磁、聲等多種類型，其中磁探測(cè)由于可抵抗電子干擾且對(duì)鐵磁目標(biāo)具有天然的探測(cè)優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用。目前，大多數(shù)磁傳感器的探測(cè)機(jī)理多是以磁膜探測(cè)、霍爾效應(yīng)、巨磁阻抗（CMI）效應(yīng)以及金屬渦流效應(yīng)等為主[1]。發(fā)展和應(yīng)用得比較成熟的如磁通門、霍爾元件和磁阻元件都不能完全滿足引信小型化、高靈敏度和低功耗的要求。盡管巨磁阻抗效應(yīng)可以使磁靈敏度提高10倍左右，但必須在較高外磁場(chǎng)（1 MA/m）下才具有巨磁阻抗（GMI）效應(yīng)，并且存在磁滯和溫度不穩(wěn)定性等問題[2]。針對(duì)磁探測(cè)引信系統(tǒng)中體積小、靈敏度高和功耗低的要求，提出了基于非晶絲巨磁阻抗效應(yīng)的微磁場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)。

1 非晶絲的巨磁阻抗效應(yīng)

提高了非晶絲的微磁探測(cè)靈敏度[3]。為改善傳統(tǒng)磁探測(cè)系統(tǒng)的固有缺陷，這種新型材料可以在磁探測(cè)體制中進(jìn)行應(yīng)用。

非晶絲的巨磁阻抗（GMI）效應(yīng)是由日本學(xué)者M(jìn)ohri九十年代初在具有零或負(fù)磁致伸縮系數(shù)的Co（鈷）基非晶軟磁材料中發(fā)現(xiàn)的[4]，目前對(duì)它的研究已擴(kuò)大到Co基非晶絲和納米晶軟磁合金薄帶和薄膜[5]。由于非晶絲材料克服了以往磁性元件要依賴較高磁場(chǎng)的缺點(diǎn)；在附加簡(jiǎn)單的脈沖勵(lì)磁電路時(shí)，非晶絲在微磁場(chǎng)下就能發(fā)生強(qiáng)烈的巨磁阻抗（GMI）效應(yīng)，且具有靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好、無磁滯等優(yōu)點(diǎn)，因此在微磁探測(cè)領(lǐng)域中作為磁敏傳感器的敏感材料顯示出重要的應(yīng)用價(jià)值。

巨磁阻抗效應(yīng)表現(xiàn)在Co基非晶絲、非晶態(tài)薄膜或納米晶合金薄帶等材料中通入較高頻率電流時(shí)，材料兩端的阻抗會(huì)強(qiáng)烈地依賴于外加于材料軸向上的磁場(chǎng)[6]。通常用外磁場(chǎng)作用下的阻抗變化率來反映巨磁阻抗效應(yīng)的強(qiáng)弱。若材料是非常好的軟磁材料，并且導(dǎo)電性能比較好，那么一個(gè)很小的外加磁場(chǎng)就能導(dǎo)致阻抗發(fā)生較大的變化，這就是巨磁阻抗效應(yīng)。

非晶絲是一種新型磁性材料，其顯著特點(diǎn)在于：非晶絲的軟磁特性好，體積很小，非常有利于引信系統(tǒng)的微小型化；并在微磁場(chǎng)中非晶絲巨磁阻抗效應(yīng)有一線性變化范圍，從而

2 基于非晶絲巨磁阻抗效應(yīng)的微磁場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)

2.1 非晶絲巨磁阻抗效應(yīng)微磁場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度

在非晶絲巨磁阻抗效應(yīng)微磁場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)中，非晶絲微磁傳感器是系統(tǒng)獲取目標(biāo)信息的主要組件，它的靈敏度高低將直接決定探測(cè)系統(tǒng)性能。在依靠非晶絲材料靈敏度的基礎(chǔ)上，對(duì)后續(xù)信號(hào)處理電路靈敏度的提高決定了能否有效提高系統(tǒng)的靈敏度。

同傳統(tǒng)磁探測(cè)系統(tǒng)比較，基于非晶絲巨磁阻抗效應(yīng)的微磁場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)需要附加脈沖勵(lì)磁電路。為了提高系統(tǒng)的靈敏度和線性度。

為此，系統(tǒng)采用了如圖1所示的設(shè)計(jì)方案。

圖1 非晶絲微磁傳感器探測(cè)電路原理框圖Fig.1 Block diagram of the GMR detecting circuit

系統(tǒng)探測(cè)主電路部分采用單磁芯雙繞組多諧振蕩橋式電路，同單磁芯單線圈電路、雙磁芯雙線圈電路相比，橋式電路具有響應(yīng)快、靈敏度高、定距定位精度好、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，也彌補(bǔ)了雙磁芯多諧振蕩探測(cè)器線性度及線性范圍差的缺陷，使得系統(tǒng)探測(cè)靈敏度得到提高的同時(shí)也保證了其線性度。單磁芯雙繞組多諧橋式電路的輸出電壓值與參考電壓值進(jìn)入差動(dòng)放大，經(jīng)帶通濾波電路，將多諧信號(hào)的基波和次諧波分量濾除，并進(jìn)行再次信號(hào)放大，經(jīng)微處理器采樣變換處理后，通過檢波電路將其轉(zhuǎn)變?yōu)閱螛O性信號(hào)，最終獲得反映目標(biāo)信息的電信號(hào)。

2.2 非晶絲磁滯特性及其抑制補(bǔ)償方法

磁性材料有著不同的磁滯特性，不同的磁滯特性具有不同的磁滯回歸曲線。磁元件的磁滯特性對(duì)系統(tǒng)的探測(cè)性能有著很大的負(fù)面影響。非晶絲作為一種新型磁性材料具有很小的磁滯特性。在實(shí)際應(yīng)用過程中，磁元件的磁滯現(xiàn)象的存在是不可避免的，但系統(tǒng)對(duì)探測(cè)目標(biāo)識(shí)別、判斷的算法相當(dāng)復(fù)雜；應(yīng)對(duì)磁滯抑制和電路補(bǔ)償技術(shù)采取相應(yīng)措施。

系統(tǒng)中采用兩級(jí)反饋的反向電流激勵(lì)技術(shù)設(shè)計(jì)磁滯抑制補(bǔ)償電路，即：一級(jí)反饋是把激勵(lì)電路輸出的電壓信號(hào)經(jīng)電壓/電壓轉(zhuǎn)換后，作為激勵(lì)電路差動(dòng)放大器的參考值，調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的輸入差量，減小系統(tǒng)的波動(dòng)；二級(jí)反饋是將激勵(lì)電路差分放大器的輸出電壓，采用PID的控制方法，進(jìn)行電壓電流負(fù)反饋電路的設(shè)計(jì)。使其輸出成為隨外磁場(chǎng)變化的電流信號(hào)，并在反饋線圈中產(chǎn)生與待測(cè)磁場(chǎng)相反的磁場(chǎng)，即可彌補(bǔ)非晶絲的磁滯現(xiàn)象。如果一級(jí)反饋的電壓轉(zhuǎn)化系數(shù)小、線性度好，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使系統(tǒng)的功耗得以降低；如二級(jí)反饋的電壓/電流轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化系數(shù)足夠大，就可以使非晶絲工作在零磁場(chǎng)附近的線性區(qū)域。當(dāng)系統(tǒng)的兩級(jí)閉環(huán)增益選擇適合時(shí)，傳感器的輸出電壓與外磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)變化成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，通過兩級(jí)的閉環(huán)系統(tǒng)可以顯著提高微磁傳感器的性能。

2.3 非晶絲磁阻抗效應(yīng)微磁場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)信號(hào)處理

非晶絲磁阻抗效應(yīng)微磁場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)處理采用兩級(jí)放大單元組合方案。為了減小噪聲的干擾，一級(jí)差分放大單元增益要足夠大，便于對(duì)微弱信號(hào)及噪聲的識(shí)別、處理。同時(shí)，采用帶通濾波器和低通濾波器進(jìn)行濾波，消除直流擾動(dòng)以及信號(hào)中的高頻成分，有效抑制噪聲、消除基波、次諧波分量等，使其具有較高的共模抑制比和截止頻率。

綜上，基于非晶絲微磁阻抗效應(yīng)的微磁場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)，是設(shè)計(jì)勵(lì)磁電流信號(hào)產(chǎn)生電路具備極低的靜態(tài)功耗和噪聲干擾，引入兩級(jí)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)克制了噪聲干擾、降低了功耗，對(duì)非晶絲磁滯特性得以抑制、補(bǔ)償，提高了傳感器的探測(cè)性能；采用兩級(jí)放大單元組合方案實(shí)現(xiàn)高性能的信號(hào)處理電路，完成了系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)。

3 測(cè) 試

分別在同一距離、不同角角度下，測(cè)試探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)性能[8]。具體測(cè)試原理為，依某項(xiàng)目對(duì)近炸引信探測(cè)距離15m為列：當(dāng)沒有被測(cè)目標(biāo)（如裝甲車輛等）時(shí)，把微磁場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)輸出值作為它的初始值。當(dāng)目標(biāo)以微磁傳感器為中心，以15m為半徑進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)（順時(shí)針轉(zhuǎn)180°），從示波器觀察到的輸出信號(hào)如圖2所示。

圖2 磁感信號(hào)示意圖Fig.2 Diagram ofmagnetic signals

當(dāng)探測(cè)器的敏感軸與目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向角由0°～45°時(shí)，因?yàn)橛懈嗟拇帕€彎向迎面而來的目標(biāo)，所以從初始值開始的第一個(gè)畸變是曲線偏向正向，磁場(chǎng)變化量達(dá)到峰值；當(dāng)目標(biāo)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)到90°時(shí)，磁力線將沿著敏感軸的反方向偏向目標(biāo)，因此輸出曲線將會(huì)逐漸減小到初始值附近，因磁場(chǎng)磁通量不成線性變化，所以曲線呈內(nèi)凹趨勢(shì)。當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向與探測(cè)器的敏感軸的方向角為90°～135°時(shí)，曲線偏向負(fù)向達(dá)到最大值，呈外凹曲勢(shì)；當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)到180°時(shí)，磁力線遠(yuǎn)離迎面而來的目標(biāo)，磁場(chǎng)逐漸反向減小，逐漸恢復(fù)至起始值。參照曲線特征，利用采樣點(diǎn)值的大小進(jìn)行三角函數(shù)轉(zhuǎn)成距離/電壓信號(hào)，可以用此電平作為引信系統(tǒng)的工作信號(hào)。在室外對(duì)樣機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

表1 裝甲車室外測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test result outdoor of arm ored car

由測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)在不同環(huán)境下，均能有效覆蓋近場(chǎng)目標(biāo)，在各個(gè)角度下均產(chǎn)生有效輸出，適合于近炸引信的探測(cè)使用；即使對(duì)于較遠(yuǎn)距離，也具備一定的探測(cè)能力，相對(duì)傳統(tǒng)磁場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)具備良好可靠的近場(chǎng)探測(cè)性能。證明了基于非晶絲巨磁阻抗的微磁場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)的性能優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié) 論

文中提出了基于非晶絲巨磁阻抗效應(yīng)的微磁場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)，是設(shè)計(jì)勵(lì)磁電流信號(hào)產(chǎn)生電路具備極低的靜態(tài)功耗，引入負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)非晶絲磁滯特性進(jìn)行了抑制補(bǔ)償，提高了探測(cè)傳感器的性能；采用兩級(jí)放大單元組合方案實(shí)現(xiàn)高性能的信號(hào)處理電路，完成了整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的微磁場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)具備了非晶絲巨磁阻抗效應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，基于非晶絲巨磁阻抗效應(yīng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的微磁場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)，具備良好探測(cè)性能，可應(yīng)用于近炸引信進(jìn)行微磁場(chǎng)探測(cè)。

[1]鄧甲昊.基于巨磁阻抗效應(yīng)的非晶絲微磁物理場(chǎng)探測(cè)新體制[J].科技導(dǎo)報(bào)，2009，27（6）:38-41.DENG Jia-hao.Based on the giantmagneto-impedance effect ofwhiskersmicromagnetic physics field detection of the new system[J].Science and Technology Leader，2009，27（6）:38-41.

[2]孫驥，鄧甲昊，高珍，等.基于巨磁阻抗效應(yīng)的非晶絲微磁傳感器[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009（4）:93-96.SUN Ji，DENG Jia-hao，GAO Zhen，et al.Based on the giant magneto-impedanceeffectofwhiskersmicromagnetic sensor[J].Instrument Technique and Sensor，2009（4）:93-96.

[3]安康，胡季帆，秦宏偉，等.Co-Fe-Si-B非晶絲的巨磁阻抗效應(yīng)研究[J].金屬功能材料，2004（4）:22-25.AN Kang，HU ji-fan，QIN Hong-wei，et al.Co-Fe-Si-B of the giant magneto-impedance effect of whiskers study[J].Metal FunctionalMaterials，2004（4）:2004-25.

[4]Mohri K，Kohzawa，Kawashima K，et al Magneto-Inductive Effect（MIeffect） in AmorphousWires[J].IEEE TransMagn，1992，28（5）：3150-3152.

[5]楊燮龍.Fe基軟磁納米微晶磁致電阻抗效應(yīng)的研究[J].科學(xué)通報(bào)，1997（3）:28-31.YANG Xie-long.Fe based softmagnetic nanometer crystallite magnetic contactimpedanceeffect research[J].Chinese Science Bulletin，1997（3）:28-31.

[6]蘇達(dá)義.高頻電子線路的理論與設(shè)計(jì)[M].北京：航空工業(yè)出版社，1989.

[7]楊介信.一種新型的縱向驅(qū)動(dòng)巨磁致阻抗效應(yīng)[J].科學(xué)通報(bào)，1998，43（10）:1051-1053.YANG Jie-xin.Anew type of vertical drive the giantmagneto impedance effect[J].Chinese Science Bulletin，1998，43（10）:1051-1053.

[8]程引會(huì)，馬良，李進(jìn)璽，等.確定高空電磁脈沖標(biāo)準(zhǔn)波形參數(shù)的頻域方法[J].現(xiàn)代應(yīng)用物理，2014（2）：135-139.CHENG Yin-hui，MA Liang，LIJin-xi，etal.Frequency domain method for determining the parameters of high altitude electromagnetic pulse[J].Modern Applied Physics，2014（2）：135-139.