高溫磁通門傳感器設(shè)計與實現(xiàn)

葛翰林,張一鳴,張晨浩,周佳琦

(北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部,北京 100124)

0 引言

傳感器一般用于檢測來自環(huán)境中的某種信息并將其按照一定規(guī)律變換成電信號或者其他形式的信號輸出[1]。磁通門傳感器因測量精度高、體積小、測量范圍廣等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用在低頻微弱磁場測量[2]。

高溫磁通門傳感器作為地下幾何導(dǎo)向高溫傳感器的重要組成部分[3],主要用來測量方向,通過與地磁場模型匹配,進行地理方位的轉(zhuǎn)換,從而獲得鉆頭方位角的傾角,是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向測井的主要傳感器之一[4]。

磁通門處理電路通?？煞譃槟M式和數(shù)字式兩類,傳統(tǒng)的模擬式磁通門傳感器存在易受電磁和溫度等其他方面的影響,且電路難以集成等缺點[5]。因此磁通門處理電路多采用數(shù)字類型[6],目前應(yīng)用較為廣泛的數(shù)字電路核心處理器為ARM、DSP、FPGA等[7]。

高溫磁通門在設(shè)計時存在高溫器件性能損失、磁芯磁導(dǎo)率調(diào)制困難、電路尺寸與選型受限等技術(shù)難點。本文根據(jù)環(huán)形磁芯結(jié)構(gòu)探頭進行建模分析,描述了基于SM320F28335GBS芯片作為主控單元的磁通門數(shù)字化電子學(xué)單元的實現(xiàn),并配合磁通門探頭完成了175 ℃高溫環(huán)境下的磁場測量。

1 磁通門傳感器信號提取與分析

1.1 環(huán)形磁芯探頭數(shù)學(xué)模型

磁通門探頭的常見結(jié)構(gòu)模型有單磁芯型、雙磁芯型、跑道型、環(huán)形等[8],其中環(huán)形磁芯結(jié)構(gòu)如圖1所示[9]。它主要由磁芯、激勵線圈、感應(yīng)線圈、反饋線圈、骨架等組成[10]。

圖1 環(huán)形磁芯探頭結(jié)構(gòu)示意圖

本設(shè)計采用環(huán)形磁芯結(jié)構(gòu)使激勵線圈產(chǎn)生的磁場相互抵消,從而在感應(yīng)線圈中僅存在包含外界環(huán)境磁場的信號,避免了因變壓器效應(yīng)產(chǎn)生的噪聲干擾。

磁通門傳感器是利用軟磁材料在深度飽和后磁導(dǎo)率的非線性特性實現(xiàn)外界微弱矢量磁場的測量[11]。地球靜磁場的測量需依靠磁性材料磁滯現(xiàn)象,所以需要額外增加磁芯勵磁信號,使得磁芯能夠處于周期性深度飽和狀態(tài),將被測靜磁場調(diào)制為感應(yīng)電信號,形成磁通門效應(yīng)。將環(huán)形結(jié)構(gòu)近似為雙磁芯型結(jié)構(gòu)進行分析并根據(jù)磁場強度、磁導(dǎo)率、磁感應(yīng)強度的關(guān)系可知,磁芯處的磁感應(yīng)強度由兩磁芯上的磁感應(yīng)強度疊加而成,表達(dá)式為

B=B1+B2
=μ1(H0+Hmcosωt)+μ2(H0-Hmcosωt)

(1)

式中:ω為激勵信號頻率;Hmcosωt為激勵磁場在磁芯中產(chǎn)生的磁場強度;H0為被測磁場強度;μ1和μ2分別為兩等效磁芯的磁導(dǎo)率。

若磁芯的橫截面積為S,則感應(yīng)線圈中的磁通量φ為

φ=BS
=S[μ1(H0+Hmcosωt)+μ2(H0-Hmcosωt)]

(2)

再將感應(yīng)線圈中的磁通量φ進行傅里葉級數(shù)展開可得:

(3)

式中Фnm為磁導(dǎo)率的諧波分量,可表示為

(4)

利用分部積分法和三角函數(shù)進一步推導(dǎo)后,由法拉第電磁感應(yīng)定律可知調(diào)制的感應(yīng)電動勢為

(5)

式中W為感應(yīng)線圈匝數(shù)。

故線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢幅值為

(6)

式中Hs為磁芯材料的飽和磁場強度。

由于感應(yīng)信號中二次諧波分量的幅值最大且靈敏度較高,因此本設(shè)計采用提取二次諧波信號的方法來進行算法設(shè)計。此時,感應(yīng)電動勢的二次諧波分量可表示為

(7)

1.2 磁場信號提取

根據(jù)式(6)可得,環(huán)形磁芯型探頭結(jié)構(gòu)輸出的信號中僅包含被測磁場H0的偶次諧波分量,但由于磁芯的形狀及尺寸無法做到完全對稱以及巴克豪森效應(yīng)等其他因素的干擾,仍會給探頭的輸出信號帶來噪聲[12]。其中,感應(yīng)信號中基波和三次諧波分量是探頭輸出信號噪聲的主要來源,本設(shè)計采用數(shù)字相敏整流算法濾除感應(yīng)信號中除二次諧波分量外的其他諧波分量,并提取二次諧波分量表征此時的磁場信息。

相敏整流即依據(jù)相位基準(zhǔn)信號對感應(yīng)信號進行正負(fù)變換。具體實現(xiàn)方法為選取二次諧波分量的頻率f作為相敏信號的頻率,且該相敏信號在前半個周期內(nèi)的幅值為1,在后半個周期內(nèi)的幅值為-1,通過相敏信號與感應(yīng)信號的點乘操作,從而使得感應(yīng)信號中的二次諧波在前半個周期波形保持不變,而在后半個周期對其進行反向,然后將處理后的采樣信號送入積分器進行累加,再經(jīng)平滑濾波后得到此時被測磁場的信息。同理,相敏信號也會對其他諧波分量進行正負(fù)變換,但由于其他分量與相敏信號的頻率不同,經(jīng)數(shù)字相敏整流算法處理后皆可被完全濾除。

經(jīng)過相敏整流和平滑濾波后的數(shù)字信號即可代表探頭所處環(huán)境磁場的信息,但由于存在零偏誤差和刻度因子的影響,使用反饋值表示的磁感應(yīng)強度需經(jīng)標(biāo)定才能解析為此時真實的磁感應(yīng)強度。

2 高溫磁通門傳感器系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件高溫化設(shè)計

在高溫傳感器電路設(shè)計中,主控芯片采用SM320F28335GBS數(shù)字信號處理器,其最高工作溫度為+210 ℃,最大時鐘頻率為150 MHz,片上資源包括SPI、HRPWM、UART、I2C等,滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。磁通門傳感器系統(tǒng)包括環(huán)形磁通門探頭、DSP主控電路、激勵驅(qū)動電路、感應(yīng)采樣電路、反饋電路以及通訊與接口電路等,具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 高溫磁通門傳感器結(jié)構(gòu)框圖

在硬件選型上均采用耐溫值大于175 ℃且滿足性能需求的芯片,包括DSP主控芯片、運算放大器、ADC、DAC芯片等,對整個電路的耐高溫優(yōu)化設(shè)計彌補了傳統(tǒng)的磁通門傳感器無法工作在高溫環(huán)境下的缺陷。主控電路的主要功能是協(xié)調(diào)控制其他部分的電路,并負(fù)責(zé)產(chǎn)生激勵信號、芯片驅(qū)動、對感應(yīng)信號進行處理分析、輸出反饋信號并與上位機通信等。整個系統(tǒng)采用數(shù)字化的處理方式可以提高系統(tǒng)整體抗干擾的能力,從而實現(xiàn)磁通門傳感器的更優(yōu)性能。

系統(tǒng)選用方波信號作為激勵源,激勵電路的主要作用是提供勵磁信號,激勵線圈產(chǎn)生周期性變化磁場,從而使得磁芯進入周期性深度飽和狀態(tài)。由于DSP芯片的I/O接口驅(qū)動功率較低,直接輸入到激勵線圈產(chǎn)生的磁場無法直接驅(qū)動磁芯進入飽和狀態(tài),所以本設(shè)計將DSP主控輸出的2路互補方波信號經(jīng)一級CHT-SNMOS80耐高溫MOS管功率放大器提高輸出功率。激勵電路的工作流程是由DSP主控芯片通過GPIO端口輸出頻率相同、占空比為50%且相位相差180°的方波信號作為激勵信號的頻率源,再將經(jīng)過MOS管放大后的信號施加至激勵線圈。激勵電路與激勵線圈的良好匹配可以顯著提高激勵效率,降低電路功耗。設(shè)計采用對稱式激勵電路,可降低激勵電信號噪聲干擾,驅(qū)動電路設(shè)計如圖3所示。

圖3 驅(qū)動電路示意圖

高溫磁通門傳感器的感應(yīng)電路主要由諧振選頻、差分放大、信號轉(zhuǎn)換、ADC采樣等組成。感應(yīng)電路的主要作用是將感應(yīng)線圈輸出的信號進行處理,流程如圖4所示。

圖4 感應(yīng)電路示意圖

由于磁通門傳感器探頭的感應(yīng)線圈實質(zhì)上仍是電感,輸出阻抗主要表現(xiàn)為感性,所以設(shè)置與感應(yīng)線圈并聯(lián)的電容以組成諧振網(wǎng)絡(luò),提取感應(yīng)信號中的二次諧波分量。此外,在諧振選頻網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計中增加了R1、R2兩個匹配電阻,用以減小輸出信號的振蕩并保證二次諧波的穩(wěn)定,也能在一定程度上減小因不同探頭感應(yīng)線圈存在的差異對信號采集帶來的影響。

差分放大電路的主要作用是利用很高的共模抑制比分離感應(yīng)信號中的二次諧波分量,提高感應(yīng)信號的精度。在信號的放大過程中需要調(diào)整電路增益在合適的范圍內(nèi),保證感應(yīng)信號中二次諧波分量的有效放大,避免由于放大倍數(shù)太大導(dǎo)致波形失真的情況,最終通過ADC實現(xiàn)高分辨率采樣。綜上,開環(huán)狀態(tài)下感應(yīng)信號的采集處理過程如圖5所示。

圖5 感應(yīng)信號處理流程圖

為了改善開環(huán)狀態(tài)下磁通門的線性度及整體性能水平,設(shè)計反饋電路將磁芯位置磁場反饋至零場,此時被測磁場與反饋線圈產(chǎn)生的補償磁場大小相等、方向相反,從而可以使用反饋值表征被測磁場,實現(xiàn)被測磁場的線性測量。反饋電路由反饋信號產(chǎn)生、反饋電壓產(chǎn)生、壓控電流源3部分組成。其中,反饋信號由DAC芯片產(chǎn)生,負(fù)責(zé)對被測磁場整體的反饋調(diào)節(jié);反饋電壓產(chǎn)生是將DAC輸出的反饋信號進行調(diào)理,從而實現(xiàn)在正負(fù)磁場及全量程內(nèi)的精確反饋;最后,壓控電流源將反饋電壓轉(zhuǎn)換為補償電流,驅(qū)動反饋線圈工作,最終實現(xiàn)整個反饋電路的功能。

本設(shè)計使用壓控電流源實現(xiàn)電壓到電流的動態(tài)調(diào)整,通過調(diào)整反饋電路D/A的參考電壓以及比例放大器的放大倍數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)符合在傳感器全量程內(nèi)進行反饋要求的電壓動態(tài)調(diào)整范圍,反饋電路的工作流程如圖6所示。

圖6 反饋電路示意圖

在磁通門開環(huán)采集的基礎(chǔ)上加入閉環(huán)反饋,使得磁通門探頭處于零場狀態(tài),保證探頭在全量程范圍內(nèi)一直處于線性區(qū)域,采用深度負(fù)反饋的磁通門閉環(huán)系統(tǒng)可以有效提高傳感器的穩(wěn)定度、靈敏度。綜上,閉環(huán)磁通門傳感器系統(tǒng)框圖如圖7所示。

圖7 閉環(huán)磁通門系統(tǒng)框圖

在溫度采集電路的設(shè)計中,采用NTCLG100E2溫度傳感器,此傳感器具有體積小、響應(yīng)速度快等優(yōu)點,可測量的溫度范圍為-40～200 ℃,通過DSP內(nèi)部的ADC采集并進行電壓信號的轉(zhuǎn)換,實現(xiàn)高溫環(huán)境的溫度精確監(jiān)測。最終,根據(jù)采集的溫度信息對傳感器系統(tǒng)進行溫度補償,提高在高溫環(huán)境下的工作性能。

2.2 軟件設(shè)計及溫度補償

磁通門軟件設(shè)計包括用戶接口、功能模塊、硬件驅(qū)動等模塊。用戶接口主要實現(xiàn)接收處理后的磁場數(shù)據(jù)并與上位機軟件通信、接收上位機發(fā)出的控制命令等;功能模塊實現(xiàn)時鐘分頻、系統(tǒng)初始化及溫度采集、感應(yīng)信號采樣、PID反饋調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置、配置DAC輸入以及對感應(yīng)信號進行相敏整流、平滑濾波等;硬件驅(qū)動主要負(fù)責(zé)定時器管理、中斷管理、GPIO驅(qū)動、SPI驅(qū)動、UART驅(qū)動等。

主控系統(tǒng)根據(jù)采集的溫度值對感應(yīng)信號采集及磁場標(biāo)定過程進行溫度補償,修正高溫環(huán)境下的測量誤差,從而實現(xiàn)對磁通門傳感器的高溫改進和優(yōu)化,并通過串口通信將磁場等相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至上位機進行觀測和存儲,軟件設(shè)計架構(gòu)具體如圖8所示。

圖8 磁通門軟件架構(gòu)示意圖

3 性能測試與溫升驗證試驗

3.1 信號測試與分析

為保證磁芯能周期性地在飽和與非飽和狀態(tài)之間交替,實驗首先測試了激勵信號與激勵飽和電壓信號。在確保磁芯能夠被正常激勵后,測試經(jīng)傳感器探頭輸出的感應(yīng)電壓信號并做FFT頻譜分析,在使用高精度加場設(shè)備通過對探頭的多次加場后分析可得,在系統(tǒng)開環(huán)狀態(tài)下,感應(yīng)信號的二次諧波的幅度與被測磁場強度正相關(guān)。

高溫磁通門傳感器系統(tǒng)加入反饋控制后,再次加場測試并觀察感應(yīng)波形可得,在量程內(nèi)的任意穩(wěn)定磁場環(huán)境下,感應(yīng)波形均能夠保持穩(wěn)定,對此時的感應(yīng)信號做FFT頻譜分析可得,偶次諧波分量趨近于零,表明反饋環(huán)節(jié)能夠正常工作,采用閉環(huán)控制后的高溫磁通門傳感器系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率的磁場測量,信號波形及FFT頻譜如圖9所示。

(a)激勵信號與激勵飽和電壓信號

(b)反饋后感應(yīng)波形

(c)反饋后感應(yīng)信號FFT頻譜分析圖9 信號波形及FFT頻譜

3.2 高溫磁通門性能測試

為了驗證高溫磁通門傳感器系統(tǒng)的性能,分別從量程、線性度以及與高性能磁通門磁強計外場對比測試3個方面進行實驗分析,最后驗證該系統(tǒng)是否能夠在高溫環(huán)境下工作并對外界環(huán)境磁場進行測量。

在系統(tǒng)量程和線性度的測試過程中,將磁通門探頭放于磁場屏蔽筒內(nèi),通過高精度加場設(shè)備產(chǎn)生穩(wěn)定且已知的磁場,實驗中從-60 000 nT至60 000 nT每隔10 000 nT進行加場并通過上位機記錄測量均值,如表1所示。通過對比高性能磁通門的測量結(jié)果和上位機記錄的測量值可知,該磁通門傳感器系統(tǒng)的磁場測量范圍能夠達(dá)到-60 000～60 000 nT。通過對比測量值與給定加場值可得到測量中的絕對磁場誤差,由量程內(nèi)的最大絕對磁場誤差計算可得,此磁通門傳感器系統(tǒng)的線性度為0.03%。

表1 不同加場下磁場測量值與誤差 nT

相關(guān)系數(shù)反映兩個變量之間相互關(guān)系的密切程度,相關(guān)系數(shù)越高則證明兩個變量的變化趨勢越相近。為了驗證該系統(tǒng)在環(huán)境磁場下的磁測的性能,使用Magson磁通門傳感器作為對照樣機進行環(huán)境磁場下的探測數(shù)據(jù)對比,該設(shè)備分辨率為0.01 nT,量程為±65 000 nT。實驗中將2套設(shè)備的磁通門探頭水平放置并調(diào)整Magson磁通門探頭的X軸方向與此傳感器的單軸探頭方向保持一致,2套設(shè)備熱機完成后同時開始記錄并保存約40 min的磁測數(shù)據(jù),各自減去測量平均值得到在外界磁場環(huán)境下的磁場測量趨勢對比,如圖10所示。

(a)高溫磁通門磁測趨勢

(b)Magson磁通門磁測趨勢圖10 磁測趨勢對比

由磁測數(shù)據(jù)對比以及相關(guān)系數(shù)的計算公式可知,所設(shè)計的高溫磁通門系統(tǒng)與高性能磁通門磁強計的相關(guān)系數(shù)約為0.927,可實現(xiàn)實時準(zhǔn)確獲取環(huán)境磁場變化。

3.3 溫升驗證試驗

為了驗證該磁通門樣機在高溫環(huán)境下的磁測表現(xiàn),實驗中將磁通門傳感器放置在可升溫的設(shè)備中,因目前沒有高溫零磁環(huán)境,所以選擇對外界環(huán)境磁場進行測量。系統(tǒng)開機正常工作保持一段時間后,使用加熱設(shè)備開始連續(xù)升溫,分別長時間記錄并觀測升溫至80、140、175 ℃溫度下的磁場值,如圖11所示。

(a)環(huán)境磁場變化

(b)升溫曲線圖11 升溫磁測曲線

由高溫環(huán)境下的磁場測量趨勢圖可得,在升溫過程中,磁場數(shù)據(jù)會出現(xiàn)一定程度的漂移,但當(dāng)環(huán)境溫度保持穩(wěn)定后,磁場數(shù)據(jù)變化量呈現(xiàn)出穩(wěn)定的趨勢,表明該磁通門傳感器具備在高溫環(huán)境下磁場測量的能力。

4 結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)數(shù)字式磁通門電路進行了耐高溫優(yōu)化,設(shè)計了能夠在高溫下進行磁場測量的磁通門電子學(xué)單元,通過對該系統(tǒng)的量程、線性度與高性能磁通門磁強計對比等實驗驗證了其磁測性能;通過實驗證明了該系統(tǒng)能夠正常工作在175 ℃高溫環(huán)境下并完成高性能磁場測量。該耐溫化設(shè)計為磁通門傳感器在高溫環(huán)境下的磁場測量奠定了基礎(chǔ)。