寬頻響低噪聲磁通門磁強(qiáng)計(jì)設(shè)計(jì)研究*

張 憶 望 翔齊侃侃 郭 濤

（1.宜昌測(cè)試技術(shù)研究所 宜昌 443000）（2.北京宇航系統(tǒng)工程研究院 北京 100076）

1 引言

磁通門磁強(qiáng)計(jì)是利用軟磁材料磁化飽和時(shí)的非線性特性工作的一種弱磁場(chǎng)測(cè)量傳感器，具有測(cè)量范圍寬、分辨率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)、能夠直接測(cè)量磁場(chǎng)的分量和適于在速運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中使用等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于地磁探測(cè)、地磁導(dǎo)航、地質(zhì)探礦、無(wú)損探傷以及空間環(huán)境探測(cè)等領(lǐng)域［1～2］。

本文設(shè)計(jì)了一種寬頻響低噪聲磁通門磁強(qiáng)計(jì)，首先對(duì)磁探頭的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行研究，通過Maxwell與Simplorer的電磁聯(lián)合仿真功能對(duì)磁探頭進(jìn)行了優(yōu)化，確定了磁探頭的參數(shù)；然后對(duì)磁強(qiáng)計(jì)的磁通門電路設(shè)計(jì)、主控制器電路設(shè)計(jì)、軟件功能和軟件流程進(jìn)行了介紹；最后分析了影響頻率響應(yīng)范圍和磁場(chǎng)噪聲的因素，通過優(yōu)化參數(shù)制造出樣機(jī)，并在計(jì)量站實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)測(cè)試結(jié)果的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析計(jì)算，驗(yàn)證了磁強(qiáng)計(jì)的性能指標(biāo)，滿足寬頻響和低噪聲的技術(shù)要求。

2 探頭設(shè)計(jì)

2.1 探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

磁通門磁強(qiáng)計(jì)的磁探頭采用分離式的形式，使磁探頭與含有電路和顯示屏的機(jī)箱分開，減少其對(duì)磁探頭的影響。磁探頭采用立方體結(jié)構(gòu)，是由三個(gè)小探頭組成的一個(gè)三軸探頭，其布置的位置影響正交度的大小。單個(gè)磁探頭由磁芯材料、激勵(lì)線圈、感應(yīng)線圈、骨架組成［3］。圖1所示的雙磁芯磁探頭結(jié)構(gòu)中，1、2號(hào)端口用來(lái)接入激勵(lì)信號(hào)。3、4號(hào)端口為感應(yīng)信號(hào)輸出。上下兩磁芯分別饒有匝數(shù)為N1的激勵(lì)線圈，感應(yīng)線圈的匝數(shù)為N2。磁芯材料水平置于骨架材料上。在交變激勵(lì)信號(hào)f1的磁化作用下，磁芯的導(dǎo)磁特性發(fā)生周期性飽和與非飽和的變化，從而使圍繞在磁芯上的感應(yīng)線圈感應(yīng)出反映外界磁場(chǎng)的信號(hào)［4～7］。

圖1 磁探頭的原理圖

2.2 探頭參數(shù)設(shè)計(jì)

磁探頭組成的物理參數(shù)首先是通過理論計(jì)算推導(dǎo)，然后利用Maxwell與Simplorer的電磁聯(lián)合仿真功能，分析了磁通門探頭在外部磁場(chǎng)環(huán)境中的瞬態(tài)響應(yīng)過程，最后確定了探頭的參數(shù)［8～9］。磁芯采用2mm寬，30um厚，18mm長(zhǎng)的帶狀（長(zhǎng)方體）坡莫合金，間隔1mm；激勵(lì)線圈螺線管長(zhǎng)18mm，采用漆包線繞制3層；感應(yīng)線圈螺線管長(zhǎng)18mm，采用漆包線繞制10層，磁芯內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度分布仿真結(jié)果如圖2所示［10］。

圖2 磁芯內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖

3 電路設(shè)計(jì)

3.1 磁通門電路設(shè)計(jì)

磁通門傳感器的處理電路一般分為兩個(gè)部分，包括激勵(lì)電路和信號(hào)調(diào)理電路，如圖3所示。激勵(lì)電路中，晶振產(chǎn)生的方波信號(hào)通過分頻器得到激勵(lì)信號(hào)源，但此時(shí)信號(hào)不能直接用以激勵(lì)探頭，需要經(jīng)過功率放大模塊激勵(lì)磁通門激勵(lì)線圈，使磁通門探頭輸出感應(yīng)信號(hào)。信號(hào)調(diào)理電路中，磁通門探頭的輸出信號(hào)十分微弱，需要經(jīng)過前置放大；經(jīng)放大后的信號(hào)噪聲也相應(yīng)被放大，此時(shí)需要進(jìn)行濾波，剔除輸出信號(hào)中的噪聲。用激勵(lì)信號(hào)的倍頻作為相敏檢波參考信號(hào)，對(duì)濾波之后的磁通門探頭感應(yīng)信號(hào)檢波。檢波后的信號(hào)經(jīng)積分電路和反饋電路構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，得到磁通門輸出信號(hào)，該信號(hào)與磁場(chǎng)的大小呈正相關(guān)［11～12］。

圖3 磁通門電路示意圖

3.2 主控制器電路設(shè)計(jì)

主控制器的電路包括電源模塊、控制處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)碼管顯示模塊、通信模塊和端子接口等，電路組成和原理如下圖4和5所示［13～14］。電源模塊主要是把輸入的12V電壓轉(zhuǎn)換為需要的2.5V、3.3V和5V電壓，供電給各個(gè)不同的模塊；控制處理模塊采用STM32F103RBT6芯片，主要功能包括采集AC模式下的三軸磁通門數(shù)據(jù)、采集數(shù)據(jù)計(jì)算處理、磁通門數(shù)據(jù)輸出、數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)與更新、傳感器參數(shù)數(shù)據(jù)輸入和與上位機(jī)通信等功能；數(shù)據(jù)采集模塊采用AD7734芯片，主要功能是采集DC模式下的三軸磁通門數(shù)據(jù)；數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)模塊主要功能為動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管顯示器發(fā)光；數(shù)碼管顯示模塊采用直插式四位LED數(shù)碼顯示器，主要是對(duì)磁通門磁強(qiáng)計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示；通信模塊是控制處理模塊與上位機(jī)之間數(shù)據(jù)交互的中間轉(zhuǎn)換站；端子接口主要包括電源輸入接口、與磁通門電路數(shù)據(jù)輸出的接口、與上位機(jī)通信接口、按鍵輸入接口以及程序仿真下載接口。

圖4 主控制器的電路組成框圖

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件功能

磁通門磁強(qiáng)計(jì)軟件的功能單元包括系統(tǒng)初始化單元、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)顯示單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和按鍵處理單元，功能如圖6所示。系統(tǒng)初始化單元對(duì)單片機(jī)、外設(shè)和磁通門初始參數(shù)進(jìn)行初始化，數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行磁通門的磁傳感數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理單元對(duì)磁通門的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)顯示單元對(duì)磁通門的處理數(shù)據(jù)進(jìn)行LED顯示，數(shù)據(jù)傳輸單元對(duì)磁通門的處理數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出以及磁通門的初始參數(shù)進(jìn)行輸入，按鍵處理單元對(duì)磁強(qiáng)計(jì)的按鍵進(jìn)行處理。

圖5 主控制器電路原理圖

圖6 磁通門磁強(qiáng)計(jì)軟件功能框圖

4.2 軟件流程

磁通門磁強(qiáng)計(jì)的軟件流程如圖7所示［15］。軟件分為DC與AC兩種模式，DC模式采用AD7734進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，AC模式采用單片機(jī)自帶的ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。軟件在DC模式下運(yùn)行時(shí)，每10ms采集一次數(shù)據(jù)，采集10次后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理后的數(shù)據(jù)每100ms進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出，每500ms在LED數(shù)碼顯示器上進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示；軟件在AC模式下運(yùn)行時(shí)，每次采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和計(jì)算，每10ms把計(jì)算后的90次數(shù)據(jù)進(jìn)行打包輸出，可以達(dá)到9K的采樣率，每500ms在LED數(shù)碼顯示器上進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。

圖7 磁通門磁強(qiáng)計(jì)軟件流程圖

5 實(shí)驗(yàn)分析與測(cè)試結(jié)果

在磁通門磁強(qiáng)計(jì)系統(tǒng)中，為了找到影響磁強(qiáng)計(jì)頻率響應(yīng)范圍的主要來(lái)源，通過對(duì)不同影響因素的磁探頭物理參數(shù)與激勵(lì)電路參數(shù)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試分析，分析得到反饋時(shí)間常數(shù)是影響頻率響應(yīng)范圍的最主要因素。從式（1）可以看到，影響反饋時(shí)間常數(shù)的主要因素是磁芯材料磁導(dǎo)率、磁芯橫截面積、反饋線圈匝數(shù)及反饋系數(shù)。

式中：TF為反饋時(shí)間常數(shù)；μ為磁芯材料磁導(dǎo)率；S為磁芯材料橫截面積；Wf為反饋線圈匝數(shù)；l為探頭有效長(zhǎng)度；R為感應(yīng)線圈的電阻；Rf為反饋電阻；F為反饋系數(shù)。

在磁通門磁強(qiáng)計(jì)系統(tǒng)中，影響磁通門磁強(qiáng)計(jì)磁場(chǎng)噪聲的因素可以概括為以下三個(gè)方面：一是由于雙磁芯探頭結(jié)構(gòu)中上下兩磁芯結(jié)構(gòu)參數(shù)和電磁參數(shù)的不一致，引起了檢測(cè)線圈輸出信號(hào)中的差動(dòng)變壓器效應(yīng)，導(dǎo)致了基次和三次諧波噪聲；二是由于磁芯材料本身巴克豪森效應(yīng)帶來(lái)的噪聲；三是來(lái)源于激勵(lì)信號(hào)源和電路本身的二次諧波噪聲信號(hào)。

本文主要從反饋系數(shù)出發(fā)，通過優(yōu)化反饋電阻與積分電容，微調(diào)磁通門磁強(qiáng)計(jì)帶寬；以及通過對(duì)磁探頭參數(shù)、匹配電路設(shè)計(jì)和芯片噪聲進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到了寬頻響和低噪聲的指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)的磁通門磁強(qiáng)計(jì)在國(guó)防科技工業(yè)弱磁一級(jí)計(jì)量站實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行了測(cè)試，如圖8所示。

圖8 磁通門磁強(qiáng)計(jì)測(cè)試圖

磁通門磁強(qiáng)計(jì)的頻率響應(yīng)范圍和噪聲測(cè)試結(jié)果如表1和2所示，分析表1數(shù)據(jù)可以得到，X軸頻率響應(yīng)3kHz處輸出電壓值衰減為2.810dB，Y軸頻率響應(yīng)3kHz處輸出電壓值衰減為2.839dB，Z軸頻率響應(yīng)3kHz處輸出電壓值衰減為2.815dB；分析表2數(shù)據(jù)可以得到，X軸磁場(chǎng)噪聲為8.5pT/Hz1/2@1Hz，Y軸磁場(chǎng)噪聲為8.2pT/Hz1/2@1Hz，Z軸磁場(chǎng)噪聲為8.2pT/Hz1/2@1Hz。

表1 頻率響應(yīng)范圍測(cè)試結(jié)果

表2 磁場(chǎng)噪聲測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種寬頻響低噪聲磁通門磁強(qiáng)計(jì)，對(duì)磁探頭進(jìn)行仿真優(yōu)化，得出了最優(yōu)的參數(shù)和結(jié)構(gòu)，以及對(duì)電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，并分析了影響頻率響應(yīng)范圍和磁場(chǎng)噪聲的因素，通過優(yōu)化相應(yīng)影響因素的參數(shù)制造出樣機(jī)，最后在計(jì)量站實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)表明，磁通門磁強(qiáng)計(jì)頻率響應(yīng)可以達(dá)到DC～3kHz（3dB），磁場(chǎng)噪聲不大于10pT/Hz1/2@1Hz，滿足了頻率響應(yīng)范圍寬和磁場(chǎng)噪聲低的技術(shù)要求，為后續(xù)的磁通門磁強(qiáng)計(jì)設(shè)計(jì)提供了參考。