計算精確角位置的二維金屬玻璃／壓電陶瓷磁電式地磁儀器

N.H.Duc B.D.Tu N.T.Ngoc V.D.Lap D.T.Huong Giang

0 引言

人類需要利用地磁儀器檢測并測量地磁場的強(qiáng)度和方向。這些在本地定向和定位中得到應(yīng)用。地磁儀器特別靈敏，因此對于確定空間方位角和傾斜角非常有用。因此，基于傳統(tǒng)的探測方法，研制出了不同的二維和三維磁傳感器，如磁通門、霍爾效應(yīng)和巨磁阻自旋閥［1－5］。近幾年，磁電（ME）效應(yīng)傳感器引起了許多關(guān)注［6－10］。之前，我們研制了簡單、低成本但具有潛力的一維磁電式地磁場傳感器，它采用了具有最佳細(xì)長形狀和面積的以鎳為基底的金屬玻璃／壓電復(fù)合材料［9］。這種傳感器能完美地測量地磁場的強(qiáng)度和方向，精度可分別達(dá)到10－4Oe和10－1度。然而，僅在實(shí)驗(yàn)室中研究了一維傳感器的特性。

本文的目的是提供一臺完全可以使用的二維磁電式地磁儀器，其可與移動的無線電收發(fā)機(jī)結(jié)合使用，自動確定和控制相對于地球同步衛(wèi)星位置的無線電收發(fā)機(jī)天線和方向。這臺儀器由傳感器模塊和硬件構(gòu)成。磁傳感器模塊由兩個正交排列的一維金屬玻璃／壓電陶瓷磁電式傳感器構(gòu)成。該二維傳感器同時測量兩個正交的磁場分量H1和H2，提供有關(guān)磁場強(qiáng)度H和相對于參考磁場方向的角度值的完整信息。傳感器的信號通過自制的數(shù)字鎖定放大器激發(fā)并檢測。通過旋轉(zhuǎn)和／或擺動傳感器模塊，可以自動計算出空間（方位和傾斜）角的位置。

1 傳感器模塊的研制和工作原理

磁電式磁場傳感器是通過在壓電陶瓷板兩面黏結(jié)具有磁致伸縮性的金屬玻璃疊層研制而成，其具有金屬玻璃／壓電陶瓷／金屬玻璃疊層結(jié)構(gòu)［9］，細(xì)節(jié)見圖1（a）。在這種結(jié)構(gòu)中，500μm厚的壓電陶瓷板由美國壓電陶瓷有限公司（Mackeyville，PA，USA）提供，型號為 APCC－855。18μm 厚、面積為15mm×1mm的磁致伸縮性疊層由自制的Fe76.8Ni1.2B13.2Si8.8（鎳基金屬玻璃）熔紡帶切割而成。將線圈密度為10.5匝／毫米的螺線管包裹在整個疊層磁電式層狀復(fù)合材料外，制作了一維傳感器（圖1b）。然后，將兩個準(zhǔn)備好的一維傳感器S1和S2沿兩個正交軸組裝在一起，制作出一個二維地磁場傳感器（圖1c）。

圖1 （a）金屬玻璃／壓電陶瓷（PZT）／金屬玻璃疊層復(fù)合材料的掃描電鏡（SEM）圖。向量hac和P分別表示使用的交流電（ac）磁場和電極化方向（見正文）。用金屬玻璃／壓電陶瓷／金屬玻璃15mm×1mm疊層復(fù)合材料裝配的（b）一維和（c）二維磁電式傳感器原型

眾所周知，已經(jīng)在多鐵性材料和／或鐵磁－鐵電復(fù)合材料觀測到了磁電效應(yīng)。在磁電疊層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中（見圖1），由于組件之間的力學(xué)耦合，壓電陶瓷板會經(jīng)受強(qiáng)制應(yīng)變，該強(qiáng)制應(yīng)變是在面內(nèi)外加直流（dc）磁場H0下由磁致伸縮層感應(yīng)的。隨后穿過壓電板厚度（tPZT）感應(yīng)到對強(qiáng)制應(yīng)變的磁電電壓響應(yīng)（VME）。

磁電電壓產(chǎn)生的原理，也就是H0信號檢測的原理歸納如下。1）首先，通過附加線圈，用共振頻率的弱恒定交流磁場hac（＝h0sin（2πf0t））振蕩激發(fā)疊層沿其長軸方向的振動；2）然后，檢測作為磁電電壓微弱變化的H0的微弱變化。用鎖定方法可測量由H0變化感應(yīng)的磁電電壓值。本文中，鎖定放大器同時給螺線管供交流電流，激發(fā)前文提到的振幅約h0≥10－2Oe的振蕩場。

在全部的外加磁場H＝H0＋hac中，極化過程產(chǎn)生了形式為E＝αE·H的電場，其中αE（＝dE／d H＝VME／hac·tPZT）為磁電電壓系數(shù)。這個表達(dá)式僅在滿足以下兩個條件時有效：1）H0恒定；2）VME與hac具有線性關(guān)系。因此，導(dǎo)出如下磁電電壓VME值［6］：

式中α是比例因子，其通常取決于材料性能和外加磁場；Voffset是依賴于h0的常量。有趣的是，VME（H0）的線性變化經(jīng)常發(fā)生在低磁場域。

2 傳感器特性

在磁電式地磁傳感器的工作模式中，所有一維磁電式傳感器的螺線管在自有諧振頻率（101kHz附近）總是作為交流磁場信號發(fā)生器，并且它們（螺線管）全部由商用的數(shù)字信號處理（DSP）鎖定放大器（Model 7265，Signal Recovery，Oak Ridge，TN，USA）的交流電源供電。地磁場充當(dāng)了直流磁場H0的角色。但是，為了對組裝的傳感器進(jìn)行磁場靈敏度測試，采用了由吉時利230電源供電的商用亥姆霍斯線圈來產(chǎn)生強(qiáng)度可達(dá)1.5Oe、精度為10－5Oe的類地磁場。后面的測試模式中，圖2顯示了觀測到的S1和S2傳感器的VME隨直流磁場的變化曲線。雖然信號伴有較高的非零偏移值（46.7mV），但圖2清楚地表明，在研究的磁場范圍內(nèi)，磁電電壓與外加磁場具有線性變化關(guān)系。根據(jù)這個結(jié)果，可以獲得式（1）中定義的傳感器斜率α。對于傳感器S1和S2，當(dāng)磁場分辨率為3×10－4Oe時，它們的斜率分別為α1＝310.2mV／Oe和α2＝312.7mV／Oe。顯然，傳感器靈敏度偏差小于1%。

圖2 兩個一維磁電式傳感器S1和S2的磁電電壓隨外加磁場的變化曲線

圖3 磁電電壓輸出值與地磁場中磁電傳感器方位角的關(guān)系

對于傳感器的角度依賴性測試，直流磁場H0直接感應(yīng)地磁場。圖3顯示了當(dāng)傳感器S1在水平面繞垂直z軸旋轉(zhuǎn)時，其輸出的VME與方位角φ的關(guān)系圖。由圖可清楚看出記錄到的傳感器信號與旋轉(zhuǎn)角φ的余弦變化具有很好的一致性。另外，在此還觀測到了前面提到的高非零偏移量。輸出的VME在－66.7mV和163mV之間，分別對應(yīng)于圖2中的－0.399和0.399Oe的偏置場，同時很好地揭示了我們本地實(shí)驗(yàn)室環(huán)境（越南河內(nèi)）的水平地磁場強(qiáng)度。

在信號處理和角度位置計算過程中，不僅要解決這個偏移的變化，而且還必須解決傳感器靈敏度偏差的問題。在這種情況下，繪制傳感器信號曲線的歸一化處理如下［2］：

式中，Vi，norm、Vi，raw、Vi，offset和Vi，scale（其中i＝1，2）分別代表磁電傳感器S1和S2的歸一化值、數(shù)字輸出信號值、信號偏移量和標(biāo)度值。

信號偏移量和標(biāo)度值作為歸一化因子，可由下列公式確定［2］：

式中，Vi，max和Vi，min（其中i＝1，2）分別為磁電式傳感器S1和S2的原始值Vi，raw的最大值和最小值。

3 硬件研制

地磁儀器的信號處理模塊是在數(shù)字鎖定放大器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計和研制的。圖4顯示的是當(dāng)前研制的電路板圖。硬件由4個主要部分構(gòu)成：參考信號、輸入信號、數(shù)字信號控制器和低通濾波器，它們由ARM Cortex－M4 32位處理器（型號STM32F407）來控制。

圖4 當(dāng)前研制儀器的電路板圖

圖5 所研制儀器的功能方框圖

該儀器的主要功能框圖顯示在圖5中。參考信號可從內(nèi)部由12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的STM32F407微處理器產(chǎn)生。實(shí)際上，參考正弦波的頻率范圍為90～110kHz，與傳感器的諧振頻率一致。參考信號相移也為90°。其次，參考信號和相移參考值直接乘以數(shù)字信號處理器的信號，以產(chǎn)生同相（I）和正交（Q）信號來實(shí)現(xiàn)鎖定放大器的相位敏感度檢測功能。同時，參考信號還要用于激發(fā)兩個傳感器中螺線管的振蕩磁場hac。

圖6 （a）旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的照片，（b）兩個歸一化信號V1，norm和V2，norm隨旋轉(zhuǎn)角φ變化的測試結(jié)果，（c）利用信號處理后V2，norm／V1，norm的比值的反正切函數(shù)計算的以度為單位的角度

首先，將輸入的傳感器信號傳輸?shù)角岸朔糯笃鞯亩嗦忿D(zhuǎn)換器。然后，用抗假信號濾波器消除高于半采樣頻率的所有信號分量。

在該儀器的數(shù)字信號處理模塊中，通過高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將傳感器信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，然后直接乘以I和Q參考信號。最后，這些信號通過數(shù)字低通濾波器并完成抽取而產(chǎn)生最終輸出值。每次均得到一對信號，最終的I和Q數(shù)據(jù)值直接轉(zhuǎn)變成源信號相位或角度：

本電子儀器可將輸出信號轉(zhuǎn)換為格雷碼以便與其他機(jī)電系統(tǒng)結(jié)合使用。

4 測試實(shí)驗(yàn)

當(dāng)傳感器模塊分別繞垂直或水平軸旋轉(zhuǎn)（圖6a）時，同時計算方位角和傾斜角，對地磁儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。

第一次測試，正如第2節(jié)中所述，傳感器模塊，即二維傳感器圍繞相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一圈以計算歸一化因子，例如根據(jù)磁電式傳感器S1和S2各自原始信號V1，raw和V2，raw中的最大值Vi，max和最小值Vi，min計算偏移值Vi，offset和標(biāo)度值Vi，scale（見公式3）。

每次測量，記錄一對原始輸出信號，并用公式（2）自動計算出相應(yīng)歸一化后的V1，norm和V2，norm值。圖6（b）顯示通過傳感器系統(tǒng)在水平面內(nèi)圍繞垂直軸旋轉(zhuǎn)測量的V1，norm和V2，norm隨 φ角變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖6b清楚地表明兩條曲線與旋轉(zhuǎn)角φ的余弦和正弦函數(shù)具有很好的一致性，并且歸一化后值的范圍很好的集中在＋1和－1之間。因此，將得到的結(jié)果轉(zhuǎn)換為角度，顯示在圖6c中。圖6c表明根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計算的角度與旋轉(zhuǎn)角φ角具有完美的線性關(guān)系，其斜率精確地等于1。旋轉(zhuǎn)一圈時根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計算的角度的精度為±0.5°。

在垂直平面沿水平軸旋轉(zhuǎn)傳感器系統(tǒng)時，對傾角θ的確定獲得了相似的結(jié)果。

5 結(jié)論

基于金屬玻璃／壓電疊層復(fù)合材料研制出了磁電式二維地磁傳感器。通過使用自制的數(shù)字鎖定放大器，充分激發(fā)并檢測傳感器信號。將該二維地磁傳感器模塊與硬件成功集成使繪制輸出傳感器的信號和精確計算角度有歸一化的性能。傳感器裝配后所達(dá)到的靈敏度和分辨率使得該地磁儀器有可能應(yīng)用到新穎的智能羅盤和定位裝置中。尤其是，旋轉(zhuǎn)傳感器模塊時，可以自動計算出空間方位角和傾斜角。為了自動確定和控制相對于地球同步衛(wèi)星位置的無線電收發(fā)機(jī)天線的方向，在實(shí)驗(yàn)室中這種簡單而價格低廉的地磁儀器正在與移動無線電收發(fā)機(jī)結(jié)合使用。對于未來的發(fā)展，為了增加角度靈敏度，必須避免和／或補(bǔ)償機(jī)械偏差。在這種情況下，完全集成的三維地磁傳感器可能是一個好的解決方案。

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