基于磁通門和磁阻傳感器的混合寬帶磁傳感器的研究與設(shè)計

許朋博，王鮮然，歐陽君，楊曉非

(華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院，湖北武漢 430070)

0 引言

頻域電磁法是實現(xiàn)大地電磁探測的重要手段和方法。這種方法在鐵路隧道勘查、工程地質(zhì)問題勘查、淺層巖溶勘查、地下水勘查、煤田水文地質(zhì)勘查、稀有礦床勘查、礦山采空區(qū)探測、深部礦產(chǎn)勘查、金屬探傷、海纜定位、探潛、海底打撈等多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[1-5]，并取得了很好的效果。一般而言，頻域電磁法中被測磁場頻率范圍從mHz量級到kHz量級不等，被測磁信號幅值范圍從pT量級到μT量級不等，跨越的動態(tài)范圍和頻率范圍非常廣[6-7]。對于磁傳感器而言，通常動態(tài)范圍和頻響范圍有限，不同的磁傳感器適用于不同應(yīng)用場景。例如：常用的光泵磁力儀、質(zhì)子磁力儀只能測量準(zhǔn)直流或低頻磁場。磁通門傳感器低頻噪聲較小，但響應(yīng)頻率一般在1 kHz以內(nèi)。磁阻傳感器頻響范圍寬，最高可到MHz量級，但低頻噪聲較大。

本文根據(jù)磁通門傳感器和磁阻傳感器各自的特點，提出一種拓寬傳感器工作頻率范圍的方法。文章通過分析數(shù)據(jù)融合算法，并在FPGA平臺上通過數(shù)字信號處理加數(shù)據(jù)融合的方式設(shè)計實現(xiàn)了一種低噪聲寬頻帶的混合磁傳感器。通過制作混合寬帶磁傳感器樣機(jī)，并搭建磁傳感器測試平臺，驗證了設(shè)計方法的可行性，最后評估了混合寬帶傳感器的性能。

1 混合磁傳感器的基本原理分析

1.1 多傳感器數(shù)據(jù)融合

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，多傳感器信息數(shù)據(jù)融合技術(shù)逐漸成為傳感器探測和信息處理領(lǐng)域的重要組成部分[8-9]。多傳感器數(shù)據(jù)融合測量系統(tǒng)一般主要由傳感器(2個及以上)，數(shù)據(jù)預(yù)處理，特征提取，融合計算和結(jié)果輸出等部分構(gòu)成,其系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。信號預(yù)處理用于信號傳輸前對信號進(jìn)行調(diào)理，包括放大、濾波等，A/D轉(zhuǎn)換器用于將傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，特征提取用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，融合中心一般為計算機(jī)或者微處理器。

圖1 多傳感器數(shù)據(jù)融合過程

1.2 互補(bǔ)濾波數(shù)據(jù)融合

在多旋翼飛行器的控制中，常常需要控制器實時采集陀螺儀和加速度計的數(shù)據(jù)，并在微處理器上進(jìn)行數(shù)字濾波和姿態(tài)解算。陀螺儀動態(tài)性能好，工作頻率高，但存在嚴(yán)重的低頻噪聲。加速度計對加速敏感，存在低頻噪聲小，而高頻噪聲大的問題。在實際應(yīng)用中，根據(jù)加速度計和陀螺儀這兩種傳感器在噪聲頻帶上的互補(bǔ)特性，常使用融合算法將2種傳感器數(shù)據(jù)融合在一起，降低了低頻和高頻噪聲對飛行器姿態(tài)測量的影響[10-11]。

針對上述陀螺儀和加速計來講，當(dāng)多個傳感器針對同一待測信號(角度)互相獨立測量時，且噪聲互不影響的情況下，互補(bǔ)濾波器提供了一種行之有效的數(shù)據(jù)融合方式。當(dāng)有2個測量值

y1=x+n1
y2=x+n2

式中：n1為高頻噪聲；n2為低頻噪聲。

假如現(xiàn)有2個互補(bǔ)的傳遞函數(shù)：

F1(s)+F2(s)=1

式中：F1(s)為低通濾波器；F2(s)為高通濾波器。

則系統(tǒng)狀態(tài)輸出x的估計傳遞函數(shù)為

X′(s)=F1(s)Y1+F2(s)Y2
=X(s)+F1(s)n1(s)+F2(s)n2(s)

(1)

通過式(1)可以看出信號X(s)不受濾波器的影響，完全通過。但是對于噪聲n1(s)卻只有低頻部分可以通過，而對于噪聲n2(s)只有高頻部分可以通過，因為信號X(s)不受濾波器的影響，所以這樣的濾波器也稱為無損濾波器?；パa(bǔ)濾波器常用于融合一階動態(tài)系統(tǒng)的低帶寬的位置數(shù)據(jù)和高帶寬的速度數(shù)據(jù)。

1.3 混合磁傳感器的數(shù)據(jù)融合方案分析

由于穿隧磁阻效應(yīng)(TMR)傳感器較其他磁阻傳感器優(yōu)越的性能，文中用到的磁阻傳感器以TMR為例。磁通門具有低頻噪聲小、頻響范圍小的特點，而TMR具有低頻噪聲大、高頻噪聲小，頻響范圍大的特點，磁通門和TMR在整個測量頻帶內(nèi)兩傳感器的噪聲和工作頻帶也具有互補(bǔ)的特點。

圖2為磁通門和TMR混合傳感器的噪聲譜分析示意圖，圖2(a)是磁通門傳感器的噪聲譜，磁通門的低頻噪聲相對TMR而言較小，但磁通門的工作頻率低。圖2(c)是TMR傳感器的噪聲譜，其噪聲主要集中在低頻段且比磁通門噪聲大，在高頻段噪聲比磁通門小。如果對磁通門傳感器和TMR傳感器的輸出分別加上低通濾波器和高通濾波器，就分別得到圖2(b)和圖2(d)對應(yīng)的噪聲分布圖，可見磁通門的輸出噪聲進(jìn)一步減小，濾除了高頻噪聲，而TMR的低頻噪聲被濾除。如果將經(jīng)過濾波后的磁通門傳感器和TMR傳感器的輸出信號在頻帶上進(jìn)行“拼接”，即數(shù)據(jù)融合，就可以得到如圖2(e)中所示兩傳感器數(shù)據(jù)融合后的噪聲譜曲線，可以看出融合后的輸出噪聲具備磁通門在低頻處噪聲低的特點，TMR在高頻處噪聲低的特點，達(dá)到了兩傳感器的性能上揚長避短的效果。

圖2 磁通門和TMR數(shù)據(jù)融合的噪聲分析

目前對于數(shù)據(jù)融合的處理的方式通常是先將傳感器的輸出信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后通過計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。由于待測磁場信號頻率范圍較寬，為保證混合磁傳感器對待測信號的實時處理以及輸出有較好的噪聲性能，本文在互補(bǔ)濾波數(shù)據(jù)融合算法的基礎(chǔ)上提出了一種行之有效的數(shù)據(jù)融合方式，其算法原理如圖3所示。圖3中GC為磁通門傳感器的輸出增益，GT為TMR傳感器的輸出增益，fp1為磁通門傳感器經(jīng)過低通濾波器后的通帶截至頻率，通帶范圍0～fp1，fp2為TMR傳感器的經(jīng)過高通濾波后的通帶截至頻率，通帶范圍fp1～fn，VC為磁通門輸出電壓，VT為TMR輸出電壓，VO為融合后混合傳感器的輸出電壓。

如圖3(c)所示，現(xiàn)假設(shè)磁通門的通帶截至頻率fp1大于TMR的通帶截至頻率fp2，即fp2

圖3 數(shù)據(jù)融合算法分析

2 混合磁傳感器的設(shè)計實現(xiàn)

上一小節(jié)分析了磁通門和TMR的融合原理，但其原理分析是簡化的分析方法，忽略了一些條件限制，經(jīng)過仿真實驗分析，數(shù)據(jù)融合前還存在以下問題：

(1)磁通門和TMR輸出的信號本身都是模擬信號，對噪聲敏感，且同一磁場輸出電壓大小不同。

(2)由于磁通門傳感器內(nèi)部有多處慣性環(huán)節(jié)，使得輸出相對于輸入有延時，進(jìn)而使得磁通門和TMR在測量同一磁場時輸出存在相位差。

(3)在信號的采集、轉(zhuǎn)換、輸出時都會引入一定量的噪聲。

2.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

考慮到以上問題，為保證融合方法的可行性，分析設(shè)計了混合磁傳感器的硬件電路，其硬件系統(tǒng)電路框圖如圖4所示。

圖4 混合傳感器的系統(tǒng)框圖

磁傳感器主要由磁通門和TMR組成，放大電路用于調(diào)理傳感器輸出信號。低通濾波器用于濾除磁通門的高頻噪聲，高通濾波器用于濾除TMR的低頻噪聲，全通濾波器用于調(diào)整兩信號相位差。ADC電路包括ADC轉(zhuǎn)換器、信號衰減電路、抗混疊濾波器等。數(shù)據(jù)處理電路主要由FPGA系統(tǒng)構(gòu)成，用于數(shù)字濾波，數(shù)據(jù)融合和電路控制。DAC和重構(gòu)濾波器電路用于模擬輸出，還原待測磁場信號，UART-USB電路用于和其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)字通信。

2.2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

混合傳感器的數(shù)據(jù)融合在FPGA系統(tǒng)內(nèi)部完成，采用Verilog語言對算法進(jìn)行編程，經(jīng)過編譯下載可以在FPGA內(nèi)部映射成實際的電路結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PGA強(qiáng)大的數(shù)據(jù)并行處理能力，保證了系統(tǒng)的實時性。在FPGA系統(tǒng)中，算法和控制部分由圖5所示的模塊組成。

圖5 FPGA算法與控制模塊組成框圖

ADC驅(qū)動用于控制ADC對來自磁通門和TMR的模擬信號進(jìn)行同步采樣，DAC驅(qū)動用于控制DAC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。前級FIFO用于隔離FPGA內(nèi)部前后級時鐘并緩存ADC送來的數(shù)據(jù)，后級FIFO用于緩存融合后的數(shù)據(jù)?；瑒悠骄鶠V波用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，初步濾除數(shù)據(jù)噪聲。在數(shù)據(jù)融合中絕對值電路用于對雙極性信號進(jìn)行求絕對值運算，后級滑動平均濾波模塊用于深度平滑數(shù)據(jù)波形，為數(shù)據(jù)融合中的判斷提供依據(jù)，融合與決策用于數(shù)據(jù)進(jìn)行控制和輸出。FIR濾波器用于對融合后的數(shù)據(jù)進(jìn)行多級濾波，進(jìn)一步降低系統(tǒng)輸出噪聲。UART邏輯用于對融合后的數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)控制，保證與其他設(shè)備的正常通信。

3 系統(tǒng)測試分析

根據(jù)以上分析，設(shè)計并制作了混合傳感器的樣機(jī)，其中圖6為磁通門傳感器和TMR傳感器的樣機(jī)，圖7為基于FPGA的數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)樣機(jī)。

圖6 磁通門和TMR傳感器樣機(jī)

圖7 FPGA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3.1 測試平臺介紹

傳感器在設(shè)計和制作完成后，其性能指標(biāo)需要通過測試進(jìn)行分析和評估。通過對系統(tǒng)軟件和硬件的測試，可以分析出系統(tǒng)的性能，進(jìn)而不斷的對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，使整個系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)。為了真實可靠的評估和分析混合磁傳感器的性能，根據(jù)實驗室現(xiàn)有儀器，搭建了磁傳感器測試平臺，測試平臺組成框圖如圖8所示，實物平臺如圖9所示。

圖8 磁傳感器測試平臺框圖

圖9 磁傳感器測試設(shè)備

將磁通門和TMR傳感器放入帶有螺線管的磁屏蔽筒中，并通過電纜連接至屏蔽筒外的FPGA系統(tǒng)板。磁屏蔽筒是由高導(dǎo)磁率的磁性材料內(nèi)外多層組成，可以為外界干擾磁場提供一個低磁阻的磁通路，使磁力線都通過鐵殼短路而不影響屏蔽體里面的部件，達(dá)到屏蔽目的[5]。周圍環(huán)境磁場經(jīng)過磁屏蔽筒的屏蔽，桶內(nèi)的剩磁小于5 nT，可以忽略不計，近似為零磁場環(huán)境。屏蔽筒內(nèi)有用于產(chǎn)生磁場的螺線管線圈，通過高精度交直流電流源為螺線管線圈提供電流激勵，可產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)磁場。電源采用線性可編程直流穩(wěn)壓電源，輸出電壓精度高，紋波小。計算機(jī)通過USB接口與FPGA板進(jìn)行數(shù)字通信，用于對FPGA進(jìn)行編程和獲取磁場數(shù)據(jù)，并通過計算機(jī)軟件直接進(jìn)行分析和處理。示波器用于測試傳感器的頻率響應(yīng)。電壓表采用納伏表，用于測量傳感器輸出電壓，信號發(fā)生器用于測試和調(diào)整電路各項參數(shù)。

3.2 混合傳感器性能測試

3.2.1 靈敏度

靈敏度(靜態(tài)靈敏度)是傳感器或檢測儀表在穩(wěn)定狀態(tài)下輸出量的變化Δy與輸入量的變化Δx之比，用k表示：

k=Δy/Δx

(2)

如果輸入輸出特性為線性的傳感器或者儀表，則有：

k=y/x

(3)

根據(jù)上述對傳感器靈敏度的定義，通過搭建的測試平臺對混合磁傳感器的靈敏度進(jìn)行標(biāo)定。將混合磁傳感器放入磁屏蔽筒中，將其敏感軸和螺線管產(chǎn)生磁場的方向?qū)?zhǔn)，將輸出與納伏表相連，電流源輸出和螺線管輸入相連。調(diào)整電流源的輸出為直流，改變電流源輸出電流的大小，即改變屏蔽筒內(nèi)螺線管產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)磁場的大小。每次調(diào)整電流源使電流每次步進(jìn)5 mA，從60 mA至-60 mA變化，記錄每次改變電流值時磁通門輸出的電壓值。根據(jù)螺線管產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)磁場值和混合傳感器對應(yīng)的輸出電壓值列出數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)表1，利用最小二乘法擬合混合磁傳感器輸入輸出數(shù)據(jù)，得到圖10所示的輸入輸出擬合曲線，并得出混合傳感器的輸出電壓對應(yīng)的磁場值大小的轉(zhuǎn)換關(guān)系，其轉(zhuǎn)換公式為

VH=0.000 113×BH-0.030 664

(4)

式中：VH為混合磁傳感器的輸出電壓，V；BH為螺線管產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)磁場值，nT。

表1 混合磁傳感器輸入輸出數(shù)據(jù)

圖10 混合磁傳感器輸入輸出曲線

由此可以得到靈敏度系數(shù)k=0.113 mV/nT，偏置為-0.030 664 V，測量范圍為±0.8 Gs(1 Gs=105nT)。

3.2.2 磁傳感器噪聲

本底噪聲是磁傳感器的一項重要指標(biāo)，噪聲的大小決定著磁傳感器能夠測量的最小磁場。本底噪聲的定義：當(dāng)外磁場不變時，磁通門傳感器的示值在短時間內(nèi)的變化，磁場噪聲的峰峰值范圍通常為0.1～100 nT。測試方法為：取測量峰峰值為噪聲指標(biāo)，將混合磁傳感器置于磁屏蔽筒內(nèi)，在一段時間內(nèi)，記錄傳感器輸出值。令測量的最大值為Bn1，最小值為Bn2，則噪聲Bn為

Bn=Bn1-Bn2

(5)

根據(jù)上述測試方法，在10 s內(nèi)對磁通門傳感器的輸出值采樣10個數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)如表2所示。

用高精度數(shù)據(jù)采集卡對混合磁傳感器、磁通門傳感器和TMR的輸出進(jìn)行連續(xù)采樣，并對采樣得到的數(shù)據(jù)在計算機(jī)中進(jìn)行噪聲譜分析，可得如圖11所示的噪聲譜曲線圖。通過圖中曲線可以看出，TMR傳感器在低頻處噪聲密度比磁通門傳感器大，在高頻處，較磁通門的噪聲密度小。而混合磁傳感器的噪聲密度在低頻處較TMR傳感器的噪聲小，和磁通門的接近，在高頻處，噪聲密度進(jìn)一步減小，主要原因是混合傳感器在數(shù)據(jù)融合的過程中采用了數(shù)字濾波器的結(jié)果。

表2 混合磁傳感器本底噪聲數(shù)據(jù)

圖11 混合磁傳感器噪聲譜

3.2.3 混合磁傳感器的頻率響應(yīng)

將混合磁傳感器置于測試平臺中，使其敏感軸和螺線管中磁場的方向?qū)?zhǔn)，使混合磁傳感器的電壓輸出端接到數(shù)字示波器的輸入端，調(diào)整電流源的輸出電流大小，使得輸出一個固定的電流值，使得螺線管輸出一個固定峰值的磁場大小。改變電流源的信號輸出頻率，讀取數(shù)字示波器輸入信號的峰峰值，從一個較低頻率開始，逐步增加電流源輸出信號頻率，并記錄傳感器輸出電壓隨頻率變化的數(shù)據(jù)。根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)做出磁通門磁傳感器輸出的頻率響應(yīng)曲線。

通過以上方法可以測得磁通門傳感器，TMR傳感器以及混合磁傳感器的頻率響應(yīng)曲線，圖12為磁通門傳感器經(jīng)過低通濾波器后的頻響曲線，圖13為TMR傳感器經(jīng)過高通濾波器后的頻響曲線，圖14為混合磁傳感器的輸出頻響曲線。

由于磁通門傳感器外部接有低通濾波器，這就使得磁通門傳感器的工作頻率受到限制，從圖12中可以看出磁通門在100 Hz處輸出開始衰減，在500 Hz處輸出(Vo)為輸入(Vi)的0.707倍左右，符合低通濾波器的特點。TMR傳感器的工作頻帶較寬，可以從直流到很高頻率，TMR傳感器連接高通濾波器，可以濾除信號低頻噪聲，其頻率響應(yīng)曲線在圖13中可以看出，符合高通濾波器的特點，同時看出TMR的響應(yīng)頻率可以達(dá)到10 kHz。根據(jù)磁通門和TMR的頻響曲線，結(jié)合數(shù)據(jù)融合算法測得混合磁傳感器的頻率響應(yīng)曲線如圖14所示，由圖14可以看出混合傳感器的頻率響應(yīng)范圍達(dá)到了10 kHz，且曲線平坦度較高，達(dá)到了拓展單一磁傳感器頻帶的目的，使得混合傳感器可測量較寬頻帶范圍的磁場信號。

圖12 磁通門傳感器的頻響曲線

圖13 TMR傳感器通過HPF的頻響曲線

圖14 混合磁傳感器的頻響曲線

4 結(jié)束語

在地磁探測領(lǐng)域，被測磁場信號幅值范圍和頻率都較廣，但還沒有一類磁傳感器能較好的同時覆蓋如此寬的動態(tài)范圍和頻響范圍。本文的重點就是針對此問題設(shè)計并制作出一種能夠測量頻率范圍相對較寬，且量程相對較大，同時噪聲又盡可能低的磁傳感器，以滿足多領(lǐng)域磁場測量的應(yīng)用需求。在本文提出的數(shù)據(jù)融合算法的基礎(chǔ)上，根據(jù)實驗結(jié)果與分析，可得如下結(jié)論：

(1)多傳感器數(shù)據(jù)融合基于多個傳感器分別測量和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，通過信號采集和數(shù)字信號處理技術(shù)將不同傳感器的數(shù)據(jù)融合在一起。本文通過將磁通門傳感器與TMR傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和測試，證明了這種方法的可行性。

(2)互補(bǔ)濾波算法將磁通門噪聲低，工作頻帶窄和TMR高頻噪聲小，頻帶寬的特點充分結(jié)合起來，利用FPGA強(qiáng)大的并行處理數(shù)據(jù)的能力，采用比較、判斷和濾波的方式將兩傳感器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，拓展單一磁傳感器的工作頻帶，這種方式可以有效減小系統(tǒng)噪聲，為微弱磁探測和寬頻帶磁探測提供了一種行之有效的方法。

(3)通過設(shè)計和制作混合傳感器樣機(jī)，并搭建系統(tǒng)測試平臺，測試了混合磁傳感器的靈敏度、噪聲和頻率響應(yīng)等參數(shù)。通過測試和分析可以看出混合磁傳感器較單一磁傳感器優(yōu)越的性能。但混合磁傳感器在實際設(shè)計和制作中需要反復(fù)調(diào)試參數(shù)，靈活度不夠高，如何改進(jìn)數(shù)據(jù)融合算法以提高混合傳感器的自適應(yīng)能力，將是后續(xù)進(jìn)一步研究和解決的問題。