基于磁通門的爆炸場(chǎng)瞬態(tài)磁場(chǎng)測(cè)量方法研究

柴棟梁，王文廉,2

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基于磁通門的爆炸場(chǎng)瞬態(tài)磁場(chǎng)測(cè)量方法研究

柴棟梁1，王文廉1,2

（1.中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院, 山西 太原，030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原，030051）

針對(duì)爆炸場(chǎng)中的電磁場(chǎng)測(cè)量需求，研究一種基于磁通門的瞬態(tài)磁場(chǎng)測(cè)量方法。將磁通門傳感器與采集存儲(chǔ)電路集成為微型的測(cè)試節(jié)點(diǎn)，通過(guò)多節(jié)點(diǎn)的測(cè)試網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁場(chǎng)分布的測(cè)量。測(cè)試節(jié)點(diǎn)以FPGA為控制核心，具有工作參數(shù)可編程功能。利用亥姆霍茲線圈標(biāo)定了測(cè)試節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)特性，并在爆炸場(chǎng)進(jìn)行了電磁場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)，結(jié)果表明該測(cè)量方法可適用于爆炸場(chǎng)中的電磁場(chǎng)測(cè)量。

爆炸；磁通門；瞬態(tài)磁場(chǎng)；存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)

爆炸場(chǎng)測(cè)量是各種彈藥及武器研制的重要實(shí)驗(yàn)手段，爆炸會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)電磁場(chǎng)，掌握電磁場(chǎng)分布可用于分析爆炸物特性以及對(duì)其他測(cè)量?jī)x器的影響。目前，對(duì)于瞬態(tài)磁場(chǎng)的研究主要集中在對(duì)變電站電磁干擾問(wèn)題的研究上[1-3]，對(duì)于爆炸場(chǎng)產(chǎn)生的瞬態(tài)磁場(chǎng)的研究較少。磁場(chǎng)測(cè)量方法包括磁力法、電磁感應(yīng)法、磁飽和法、電磁效應(yīng)法、磁共振法、超導(dǎo)效應(yīng)法[5]等。近年來(lái)隨著PCB技術(shù)、微納加工技術(shù)以及MEMS技術(shù)發(fā)展，磁傳感器實(shí)現(xiàn)了微型化[5]，大小不到0.1mm2的微型磁通門傳感器[6]已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。磁通門調(diào)理部分包含多個(gè)電路，造成了常規(guī)的磁通門應(yīng)用電路體積較大。本文采用磁通門傳感器設(shè)計(jì)了用于爆炸場(chǎng)的瞬態(tài)磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定和爆炸場(chǎng)試驗(yàn)。

1 瞬態(tài)磁場(chǎng)測(cè)量原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 瞬態(tài)磁場(chǎng)測(cè)量原理

爆炸場(chǎng)內(nèi)瞬態(tài)電磁場(chǎng)分布測(cè)量原理如圖1所示。通過(guò)磁通門與測(cè)量電路集成為單個(gè)的測(cè)試節(jié)點(diǎn)，多個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)分布在爆炸場(chǎng)內(nèi)，自動(dòng)記錄瞬態(tài)的電磁場(chǎng)變化。通過(guò)爆炸后的數(shù)據(jù)回讀和處理獲得爆炸場(chǎng)內(nèi)的各點(diǎn)電磁場(chǎng)分布情況。每個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)將瞬態(tài)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并根據(jù)信號(hào)觸發(fā)采集存儲(chǔ)。

圖1 瞬態(tài)磁場(chǎng)測(cè)量原理

1.2 磁通門工作原理

磁通門傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示，當(dāng)激勵(lì)線圈受到交變電流激勵(lì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的交變激勵(lì)信號(hào)，磁芯的磁導(dǎo)率對(duì)激勵(lì)信號(hào)的變化比較敏感。

圖 2 磁通門傳感器結(jié)構(gòu)

當(dāng)磁導(dǎo)率發(fā)生周期性飽和與非飽和變化時(shí)，感應(yīng)線圈能夠感應(yīng)出這種變化并且產(chǎn)生能夠反映被測(cè)磁場(chǎng)大小的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)[7]。圖2中1是激勵(lì)線圈（初級(jí)線圈）；2是次級(jí)線圈。初級(jí)線圈產(chǎn)生激勵(lì)磁場(chǎng)1，0為待測(cè)磁場(chǎng)，為次級(jí)線圈的感應(yīng)電壓。

假設(shè)激勵(lì)磁場(chǎng)為：

1=Hsin（1）

式（1）中：1為激勵(lì)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度；為激勵(lì)磁場(chǎng)角頻率。根據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系可知磁芯內(nèi)部總磁感應(yīng)強(qiáng)度為

=×=×(1+0) （2）

式（2）中：為磁導(dǎo)率；為總磁場(chǎng)強(qiáng)度；為總磁感應(yīng)強(qiáng)度。當(dāng)激勵(lì)磁場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)不足以使磁芯達(dá)到飽和時(shí)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，次級(jí)線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為

=-Hcos（3）

式（3）中：為次級(jí)線圈匝數(shù)；為線圈橫截面積，此時(shí)感應(yīng)電壓不含待測(cè)磁場(chǎng)項(xiàng)。當(dāng)激勵(lì)磁場(chǎng)能使磁芯達(dá)到周期性飽和時(shí)，不再是一個(gè)常數(shù)而是時(shí)間的周期函數(shù)，并且是偶函數(shù)。此時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)經(jīng)整理后為：

式（4）中：為磁導(dǎo)率的直流部分；為磁導(dǎo)傅里葉級(jí)數(shù)系數(shù)。從式（4）可以看出感應(yīng)電壓中反映待測(cè)磁場(chǎng)的電壓分量，都是的偶次諧波，因此檢測(cè)的偶次諧波就能得到待測(cè)磁場(chǎng)的大小。

1.3 傳感器應(yīng)用設(shè)計(jì)

磁通門傳感器的應(yīng)用需要通過(guò)信號(hào)調(diào)理將磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，常規(guī)的磁通門需要比較復(fù)雜的調(diào)理儀器。微型磁通門器件內(nèi)部集成了傳感器、積分器、差分驅(qū)動(dòng)器、分流電阻、補(bǔ)償線圈等組成的閉環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)簡(jiǎn)單的外部電路可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)理。圖3是根據(jù)TI公司的磁通門傳感器研制的應(yīng)用電路。傳感器的輸出電壓out可簡(jiǎn)化為：

out=±12.2×××4+ V（5）

式（5）中：為外部的電阻，可用于調(diào)節(jié)輸出電壓的大??；V為輸出提供偏置電壓。為了降低噪聲，在應(yīng)用電路中增加了濾波電路。

圖3 傳感器應(yīng)用電路

1.4 基于FPGA的測(cè)試節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

測(cè)試節(jié)點(diǎn)將磁通門、調(diào)理電路、采集電路、存儲(chǔ)電路以及電源設(shè)計(jì)在一起，形成微型的安裝結(jié)構(gòu)，可用于爆炸試驗(yàn)場(chǎng)的多點(diǎn)安裝。以FPGA為控制核心，設(shè)計(jì)測(cè)試節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)可編程功能，減小控制電路，提高可靠性。測(cè)試節(jié)點(diǎn)的功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。

磁場(chǎng)信號(hào)通過(guò)磁通門轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，在FPGA的控制下，A/D轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)器協(xié)同工作，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并寫入存儲(chǔ)器。FPGA作為控制的核心，負(fù)責(zé)幾乎所有的功能和參數(shù)。在器件內(nèi)部實(shí)現(xiàn)觸發(fā)判斷、數(shù)據(jù)緩存、負(fù)延遲控制和存儲(chǔ)地址控制；對(duì)外負(fù)責(zé)AD變換和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，以及增益放大的控制。基于FPGA的可編程特性，對(duì)于測(cè)試節(jié)點(diǎn)的工作參數(shù)可以通過(guò)編程的方式來(lái)改變?？删幊虆?shù)包括觸發(fā)閾值、負(fù)延遲長(zhǎng)度、AD變換速率、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)長(zhǎng)度以及增益放大的倍數(shù)等。

圖4 測(cè)試節(jié)點(diǎn)功能結(jié)構(gòu)

測(cè)試節(jié)點(diǎn)的工作流程如圖5所示。系統(tǒng)上電后ADC在FPGA控制下采樣轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，并寫入當(dāng)前地址指向的存儲(chǔ)單元。數(shù)據(jù)與觸發(fā)閾值進(jìn)行比較，當(dāng)大于該觸發(fā)閾值時(shí)，系統(tǒng)觸發(fā)負(fù)延遲開始。負(fù)延遲結(jié)束時(shí)采集存儲(chǔ)功能結(jié)束，測(cè)試數(shù)據(jù)被記錄在測(cè)試節(jié)點(diǎn)內(nèi)，等待數(shù)據(jù)回收。

圖5 測(cè)試節(jié)點(diǎn)工作流程

2 節(jié)點(diǎn)靜態(tài)特性測(cè)試

2.1 測(cè)試方法

通過(guò)亥姆霍茲線圈產(chǎn)生靜態(tài)磁場(chǎng)，根據(jù)測(cè)試節(jié)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果分析靜態(tài)特性。通過(guò)調(diào)節(jié)通過(guò)線圈的電流大小和方向，可改變產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小和方向。亥姆霍茲線圈由底座及固定在轉(zhuǎn)盤上的線圈組成，轉(zhuǎn)盤可以相對(duì)底座360°轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖6所示。設(shè)傳感器敏感軸與磁場(chǎng)方向夾角為。當(dāng)=0時(shí)，調(diào)節(jié)線圈電流大小，記錄測(cè)試節(jié)點(diǎn)的輸出，分析線性度；在保持線圈電流恒定的情況下，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤改變線圈磁場(chǎng)與敏感軸夾角，分析輸出特性。

圖6 靜態(tài)特性測(cè)試

2.2 線性度（β=0）

將測(cè)量電路敏感軸角度調(diào)節(jié)至零位輸出角度，包括地磁在內(nèi)的外界磁場(chǎng)矢量應(yīng)與敏感軸垂直。將線圈轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)至與敏感軸平行時(shí)將電源接通，調(diào)節(jié)輸入電流大小，測(cè)量不同電流下電壓的輸出情況。將測(cè)量結(jié)果按照式（5）轉(zhuǎn)換為磁感應(yīng)強(qiáng)度。測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)用matlab進(jìn)行線性擬合，擬合直線如圖7所示，擬合直線方程為：

=1.895 6×-1.013 8×10-4（6）

可得到（非線性誤差）線性度為：±0.97％。

改變流入線圈電流的方向，使激勵(lì)磁場(chǎng)方向反轉(zhuǎn)，得到的結(jié)果如圖8所示，擬合直線方程為：

=-1.969 1×+0.001 4 （7）

圖7 測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度與線圈電流關(guān)系

圖8 測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度與線圈電流關(guān)系

2.3 β與輸出的關(guān)系

為了測(cè)試線圈磁場(chǎng)（激勵(lì)）與測(cè)量電路敏感軸之間夾角改變時(shí)，測(cè)試節(jié)點(diǎn)的輸出特性。先調(diào)節(jié)電路角度至零位輸出，轉(zhuǎn)動(dòng)線圈底座至與裝置敏感軸平行的位置，將線圈電流調(diào)節(jié)至恒定的0.025A，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤，每次轉(zhuǎn)動(dòng)15°，記錄電路輸出電壓值，并換算成磁感應(yīng)強(qiáng)度。理論上單軸磁通門敏感軸投影方向磁場(chǎng)強(qiáng)度與總磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系為：

B=cos（8）

式（8）中：B為敏感軸方向磁感應(yīng)強(qiáng)度；為總磁感應(yīng)強(qiáng)度；為線圈磁場(chǎng)（激勵(lì)）與電路敏感軸夾角。根據(jù)初始電路輸出電壓值計(jì)算出對(duì)應(yīng)的初始磁感應(yīng)強(qiáng)度值，然后根據(jù)式（8）計(jì)算出不同時(shí)電路的輸出電壓值，結(jié)果轉(zhuǎn)換為磁感應(yīng)強(qiáng)度，得到一條——的理論曲線；記錄變化時(shí)，電路的輸出電壓，計(jì)算得到實(shí)際的——曲線。測(cè)試及分析結(jié)果如圖9所示。可以看出，測(cè)試節(jié)點(diǎn)輸出曲線與理論曲線吻合較好，表明該系統(tǒng)有良好的單軸特性。

圖9 β與測(cè)試結(jié)果的關(guān)系

3 爆炸場(chǎng)測(cè)試應(yīng)用

將該系統(tǒng)應(yīng)用于爆炸場(chǎng)瞬態(tài)磁場(chǎng)測(cè)量，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖10所示。

圖10 爆炸場(chǎng)測(cè)量

測(cè)試節(jié)點(diǎn)安裝在地面，并與地面保持平行。小型爆炸物離地面0.5m，與測(cè)試節(jié)點(diǎn)距離1m。測(cè)量結(jié)果如圖11所示。雖然爆炸物當(dāng)量較小，但是測(cè)量結(jié)果表現(xiàn)出明顯的瞬態(tài)特性。在爆炸時(shí)刻有瞬態(tài)磁場(chǎng)，上升時(shí)間小于200μs，幅度為0.02mT。

圖11 瞬態(tài)磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)論

研究了基于磁通門的瞬態(tài)磁場(chǎng)測(cè)量方法，并初步應(yīng)用于爆炸場(chǎng)測(cè)量中。利用FPGA的可編程特性，研制了具有參數(shù)可變的微型測(cè)試節(jié)點(diǎn)，可適用于爆炸場(chǎng)中的分布式測(cè)量系統(tǒng)。

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Study on the Measurement Method of Transient Magnetic Field in Explosion Field Based on Flux-gate

CHAI Dong-liang1，WANG Wen-lian1,2

(1.School of Instrument and Electronics, North University of China，Taiyuan，030051；2. Key Laboratory for Instrumentation Science & Dynamic Measurement, Ministry of Education，North University of China, Taiyuan，030051)

Aiming at the demand of the measurement of electromagnetic field in the explosion field, a transient magnetic field measurement method based on flux-gate was studied. The flux-gate sensor and the acquisition & storage circuit were integrated into the micro test node. The multi-node test network can realize the measurement of the electromagnetic field distribution. FPGA is the control core of the test node, which has the function of work parameters programmable. The static characteristics of the test nodes were calibrated using the Helmholtz coil, and the electromagnetic field was tested in the explosion field. The test showed that the method can be used in the measurement of electromagnetic field in the explosive field.

Explosion；Flux-gate；Transient magnetism；Memory and test technology

1003-1480（2017）05-0050-04

TJ450.6

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.05.013

2017-06-20

柴棟梁（1992 -），男，在讀碩士研究生，主要從事磁場(chǎng)測(cè)試研究。