抗傾斜小尺寸高精度地磁傳感器研究

汪雪蓮 朱旭輝 龔凱（第七一五研究所，杭州，310023）

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抗傾斜小尺寸高精度地磁傳感器研究

汪雪蓮 朱旭輝 龔凱
（第七一五研究所，杭州，310023）

摘要為提高磁通門羅盤的可靠性和測量精度、擴大其適用性，對抗傾斜小尺寸高精度地磁傳感器的磁通門羅盤探頭的電路進行了研究設計。經實際測量，探頭均能達到小于0.3°的精度，實現?20°～20°的抗傾斜，均方誤差精度也小于0.5°。

關鍵詞地磁傳感器；磁通門羅盤；探頭電路設計；高精度

目前方位測定主要有地磁傳感器（也稱地磁羅盤）和慣性導航兩種。慣性導航如陀螺儀是基于感受地球自轉角速度來定位的，雖然能實現高精度定位，但技術復雜、價格高昂、維護困難、體積大且啟動時間長，除了遠洋船艦、飛機、衛(wèi)星導航定位測地車等少數貴重載體外，其它很少選用。地磁傳感器是地球范圍內以地球自轉軸（磁北）為標定基準，大多數應用領域唯一可選的定向設備。磁通門羅盤是地磁傳感器的一種，具有簡單、高精度、高可靠性、響應時間短、小體積、低成本等卓越的綜合特性，優(yōu)于其它地磁測向設備。磁通門羅盤探頭（以下簡稱磁通門探頭）是磁通門羅盤的核心元件，它決定了磁通門羅盤的主要性能。本文介紹一種抗傾斜小尺寸高精度地磁傳感器磁通門探頭的設計方法，及相應的具體電路設計。

1　磁通門工作原理[1]

磁通門的基本工作原理是電磁感應并服從法拉第電磁感應定律，下面以簡易模型介紹磁通門的工作原理。在一根軟磁鐵芯上纏繞勵磁線圈和感應線圈，鐵芯截面積為S，磁導率為μ，勵磁線圈在鐵芯上建立的勵磁磁場為H～，感應線圈的有效匝數為W2，則感應線圈上產生的感應電動勢為：

這是變壓器理想模型，但實際由于鐵芯磁化曲線的非線性，勵磁磁場瞬時值變化難免會引起鐵芯磁導率的變化，因此實際變壓器的數學模型為：

其中勵磁磁場強度：

式中，f1為勵磁頻率。

鐵芯的外加磁場除了勵磁磁場外還有環(huán)境磁場。如果考慮到環(huán)境磁場加在鐵芯軸向的分量H0時，則感應線圈上產生的感應動勢可表示為：

因為勵磁磁場瞬時值呈周期性變化，但鐵芯磁導率μ變化無正負之分，所以μ(t)是偶函數，表達式為：

式中，μ0m是μ(t)的常值分量；μ2m、μ4m、μ6m…為μ(t)的偶次諧波分量幅值。

當H0比鐵芯飽和磁場強度Hs和勵磁磁場強度幅值Hm都小得多時，它對鐵芯磁導率μ(t)的影響可以忽略，（3）式末項就是環(huán)境磁場H0引起的感應電動勢e的增量e(H0)，則：

式（5）證明只要鐵芯磁導率μ隨勵磁磁場強度而變，感應電動勢中就會出現隨環(huán)境磁場強度而變的偶次諧波增量e(H0)，當鐵芯處于周期性過飽和工作狀態(tài)時，e(H0)將顯著增大，磁通門探頭就是利用這一原理來測試地磁場大小和方向的。

2　磁通門探頭的設計

測量地磁方位的磁通門羅盤一般采用二維磁通門探頭，本設計的磁通門探頭由軟磁材料鐵芯、鐵芯固定支架、繞線骨架、勵磁線圈、感應線圈等組成，結構示意圖如圖1。

圖1　磁通門探頭結構示意圖

勵磁線圈每隔90°分匝數相等的四部分均勻繞在圓環(huán)形鐵芯心上，在圓環(huán)鐵芯心外圍正交的繞制兩路感應線圈。

從磁通門工作原理可以看到磁通門探頭是一種變壓器式的器件。只不過有用信號是變壓器不希望出現的磁通門信號，變壓器效應感應電動勢卻成了對磁通門探頭有害的探頭噪躁聲，在設計中要盡量減小。

2.1探頭鐵芯設計

2.1.1形狀選擇

對單鐵芯探頭來說，感應線圈輸出的磁通門信號相比變壓器效應信號非常微弱。為實現精確測量，必須設法減小磁通門探頭變壓器效應的感應電動勢，最好的辦法是設計出雙鐵芯差分探頭。通常的辦法是采用兩個平行的單鐵芯探頭，它們的勵磁線圈反向串聯，感應線圈同向組成，才能使變壓器效應的感應電動勢相抵消，而磁通門信號疊加。這種方法存在鐵芯匹配、安裝困難，由于鐵芯和繞線很難一致，精度不會太高。同時兩路需要四個匹配的單鐵芯，體積和調試難度也會加大。

如圖1的磁通門探頭設計采用一片圓形鐵芯，勵磁線圈由4組互相正交、大小相等、方向相同串聯的線圈組成；感應線圈由兩組正交的大小相等的線圈組成。勵磁磁場在同一組感應線圈上產生的感應電流相互抵消，而由于地磁場方向在同一地點是穩(wěn)定不變的，所以它在感應線圈上產生的感應電流是相互疊加的。對同一片小軟磁圓片材料來說，達到磁性能相近相對來說是很容易實現的，這樣設計對線圈的一致性要求也降低了很多，從結構上保證了高精度測量。

2.1.2材料選擇

鐵芯是磁通門探頭的核心器件，決定著磁通門探頭的所有性能。磁通門探頭要求軟磁材料具有高磁導率、低矯頑力和損耗、磁性能穩(wěn)定等特點。比較適合磁通門的軟磁材料有坡莫合金和鈷基非晶合金等，坡莫合金對應力比較敏感、加工和熱處理復雜，鈷基非晶合金具有接近于零的飽和磁致伸縮系數，對應力不敏感，但價格昂貴。

2.2勵磁線圈和感應線圈設計

勵磁線圈根據鐵芯材料的特點和磁化曲線設計，線圈產生的勵磁磁場使鐵芯工作在飽和區(qū)附近，這樣地磁場產生的感應信號就能達到最大，最佳圈數和勵磁電壓可根據實際調整。

感應線圈一般根據最大體積盡可能多的圈數，以增加探頭靈敏度。但是如果層數太多，漏磁增加也會帶來噪躁聲，所以最后也是通過實驗進行最后調整。

2.3結構設計

2.3.1骨架設計

骨架是安裝鐵芯和繞線的支架，骨架的設計核心是定位基準精確。磁通門探頭由下腔體、上蓋以及限位擋圈等幾個零件組成，這幾個零件全部采用聚碳酸脂注塑成型，限位擋圈的作用是防止鐵芯在腔體內部旋轉，上蓋和腔體之間配合面均勻涂密封膠，保證腔體內密封。腔體和上蓋圓周方向外表面均勻分布8槽，勵磁感應線圈繞在槽內，結構外圍開小孔用于裝配焊腳，方便羅盤直接裝配在印制板上，結構示意圖如圖2。

圖2　骨架結構示意圖

2.3.2抗傾斜設計

磁通門探頭采用鐵芯漂浮在骨架內的液體內實現一定角度的抗傾斜，比起設計復雜的機械抗傾斜裝置，這種方法更簡單、可靠。由于鐵芯材料是金屬材料，比重偏大，比重大的無毒、絕緣、熔點低于?40℃的溶劑稀有，因此必須通過固定鐵芯保護殼的設計，降低鐵芯套件的比重。受體積的限制鐵芯保護殼只能超薄，但同時必須保證一定的剛度和較小的密度。本鐵芯保護殼采用特定的浮力材料設計，既具有一定的剛度又能有效地降低鐵芯套件的比重，使其能漂浮在比重為0.95的無毒硅油溶劑中。

3　電路設計

羅盤電路主要包括激勵電路和感應信號調理等電路，其中激勵信號產生激磁線圈的激勵源，感應信號調理電路接收感應線圈的信號并經處理得到兩路攜帶地磁信息的直流信號。激勵電路由信號發(fā)生器和驅動電路組成，信號發(fā)生電路產生3～6 kHz的激勵信號，通過驅動電路驅動磁傳感器探頭的勵磁線圈，其中原理電路如圖3。

圖3　驅動電路原理圖

感應信號調理電路由鑒相電路、放大濾波、電平調整等電路組成，主要實現接收并檢測感應線圈中與地磁場強度有關的信息，主要原理圖如圖4。

圖4　感應信號調理電路原理圖

4　結論

經測試坡莫合金J79和J85兩種材料的磁通門探頭均能達到小于0.3°的精度，經過?40℃～55℃溫度試驗后測試性能穩(wěn)定，能實現?20°～20°的抗傾斜，均方誤差精度也小于0.5°，具體誤差分布見圖5 J85材料磁通門誤差分布圖和圖6 J79材料磁通門誤差分布圖。

圖5　J85材料磁通門誤差分布圖

圖6　J79材料磁通門誤差分布圖

目前國內使用的磁通門探頭采用雙差分磁芯設計，匹配調試復雜、安裝困難，二維磁通門傳感器采用機械傾斜，存在加工難度大和體積巨大等問題。本磁通門探頭設計結構簡單，以此磁通門探頭為基礎元件設計的磁通門羅盤具有成本低、精度高、調試方便等優(yōu)點，能廣泛應用于航海、船舶、工程等需要測向定位的領域，具有廣闊的使用前景。

參考文獻 ：

[1]張學孚, 陸怡良. 磁通門技術[M]. 北京:國防工業(yè)出版社，1995.