李 沅，胡冠華，李 凱，吳曉華

（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051；2.北方自動控制技術(shù)研究所，山西太原 030006；3.北京交通運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院，北京 100096）

人類賴以生存的地球是一個(gè)巨大的磁場，鐵磁體處于地磁場環(huán)境中會受到地磁場的磁化，同時(shí)使地磁場本身產(chǎn)生磁異信號，根據(jù)這種原理，可以實(shí)現(xiàn)對鐵磁性目標(biāo)運(yùn)動識別.磁異信號的探測可以視作對傳統(tǒng)目標(biāo)探測的補(bǔ)充，給探測魚雷或沉船等隱蔽性較強(qiáng)的目標(biāo)提供了一種新的方式［1－3］，可以用其獲取目標(biāo)的參數(shù)信息［4］，應(yīng)用于雷彈智能化引信前端設(shè)計(jì).而磁通門傳感器具有高分辨率和良好的穩(wěn)定性，是目前磁場探測中較為理想的一種測量傳感器.

本系統(tǒng)采用三軸三端式磁通門傳感器對鐵磁體產(chǎn)生的磁異信號進(jìn)行探測，通過實(shí)驗(yàn)及對鐵磁體產(chǎn)生的磁異信號進(jìn)行獲?。?－6］.

1 三端式磁通門傳感器工作原理

磁通門傳感是根據(jù)高磁導(dǎo)率鐵芯在交變磁場的飽和激勵(lì)下，外界磁場強(qiáng)度與線圈感應(yīng)電壓輸出的非線性關(guān)系而設(shè)計(jì)的.其結(jié)構(gòu)與變壓器類似，取高磁導(dǎo)率、易飽和的材料作為磁芯［7－8］，在其上面分別繞兩組線圈：一組作為激勵(lì)線圈，另一組作為感應(yīng)線圈.在交流信號的激勵(lì)下，使磁芯處于周期性飽和狀態(tài)，這樣就通過感應(yīng)線圈的偶次諧波分量得到與外界磁場變化成正比的輸出值.

圖1 三端式磁通門傳感器示意圖Fig.1 The schematic diagram of fluxgate sensor with three tips

三端式磁通門傳感器采用雙探頭結(jié)構(gòu)，即將兩個(gè)繞有相同匝數(shù)線圈的磁通門傳感器平行對稱放置，將其并聯(lián)后一端作為激勵(lì)信號的輸入端，另一端相互連接后中間引出抽頭作為信號的輸出端.主要是為了抵消由于變壓器效應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢.這種結(jié)構(gòu)相對普通磁通門傳感器具有噪聲低、基波分量小、靈敏度高和性能好等優(yōu)點(diǎn)［9－10］.

先對三端式磁通門上半軸進(jìn)行分析，上半軸上磁場強(qiáng)度總和為外界磁場強(qiáng)度H0和兩個(gè)激勵(lì)線圈在磁芯軸向上產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度H e之和.其中：H e＝＋，＝H1sinωt，H e2＝H2sinωt.根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)磁芯遠(yuǎn)未飽和狀態(tài)時(shí)，這時(shí)磁導(dǎo)率μ視為常數(shù)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為

式中：μ為鐵芯磁導(dǎo)率；S為橫截面積；N為感應(yīng)線圈匝數(shù).

當(dāng)在交流激勵(lì)的作用下，磁芯充磁達(dá)到飽和狀態(tài)，磁導(dǎo)率μ成為隨時(shí)間變化的一個(gè)變量，這時(shí)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢

同理，對于下半軸鐵心，由于下半軸激勵(lì)方向和上半軸相反，其線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢

由于三端式磁通門傳感器結(jié)構(gòu)為差分輸出，總感應(yīng)電動勢為上下半軸磁芯感應(yīng)電動勢之和，如式（4）

式中：μ（t）為時(shí)變函數(shù)，將μ（t）傅立葉展開，代入式（4）可以得出

通過式（5）得出，三端式磁通門傳感器的輸出信號為與外界磁場變化成正比的偶次諧波，奇次諧波分量得到有效抑制.

2 磁通門探頭結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)中磁通門傳感器探頭采用三端式結(jié)構(gòu)，即將一對高磁導(dǎo)率、低矯頑力的鐵芯（選取型號為1J86的坡莫合金）平行放置，其磁芯的飽和磁通為Bs＝0.6 T，最大磁導(dǎo)率為100 000.磁芯截面積約為6 mm2，假設(shè)探頭激勵(lì)電壓幅值為24 V，頻率為4 k Hz，根據(jù)文獻(xiàn)［2］中公式，利用磁芯磁通達(dá)到飽和確定線圈匝數(shù)，經(jīng)計(jì)算線圈匝數(shù)為149.實(shí)驗(yàn)中在磁芯上各繞一組匝數(shù)為150的線圈，這種結(jié)構(gòu)主要是為了相互抑制由于變壓器效應(yīng)而引起的感應(yīng)電動勢.為了使傳感器探頭具有較高的靈敏度，設(shè)計(jì)中適當(dāng)加大了磁芯探頭與橫截面直徑的比值，設(shè)計(jì)的磁芯探頭長度為20 mm，橫截面直徑為7.5 mm.

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鐵磁體探測系統(tǒng)主要包括激勵(lì)電路、磁通門探頭、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集模塊、上位機(jī)幾部分，如圖2所示.通過這個(gè)模塊得到的信號就是與外界磁場強(qiáng)度成正比的電信號.

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The figure of system components

3.1 激勵(lì)電路

磁通門探頭激勵(lì)電路對系統(tǒng)的性能和測量結(jié)果有較大影響，為了提高測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要激勵(lì)信號在頻率、幅值、相位等方面具有較高的穩(wěn)定度.設(shè)計(jì)中采用8M晶振經(jīng)分頻器SN74HC4060分別輸出4 k Hz，8 k Hz的方波信號，使其分別作為激勵(lì)信號源和相敏檢波的基準(zhǔn)信號.將激勵(lì)信號源通過功率放大器和二階帶通濾波器，目的是為了得到波形穩(wěn)定的輸出信號，并且可以使磁芯處于周期性飽和狀態(tài).為了減小激勵(lì)信號對探頭的干擾，在探頭前端加裝隔離變壓器.

3.2 信號調(diào)理電路

磁通門信號的調(diào)理電路一般采用二次諧波法，由LC并聯(lián)諧振電路、低噪聲放大電路、帶通濾波器、積分器和反饋電路幾個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成.由于磁通門探頭阻抗特性以電感為主，通過并聯(lián)電容使二次諧波頻率達(dá)到諧振狀態(tài).探頭二次諧波信號比較微弱，在對其進(jìn)行濾波前設(shè)置前置放大電路，濾波采用二階有源帶通濾波器，中心頻率為31.25 k Hz，品質(zhì)因素Q為9.8，增益為15.把濾波后的信號與相敏檢波的基準(zhǔn)信號經(jīng)過相敏檢波電路進(jìn)行全波整流，消除基波信號和奇次諧波信號的影響，得到信號的幅度大小.

3.3 信號采集電路

探測系統(tǒng)采用可編程邏輯器件EP3C10E144型FPGA作為控制芯片來控制AD，實(shí)現(xiàn)3路信號采集，將采集后的數(shù)據(jù)先存入FPGA的RAM中，對數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波和頻譜分析.為了減少脈動的干擾，采集的信號進(jìn)行中值濾波，其方法為信號采樣N次后，對其進(jìn)行排序取中間值.本系統(tǒng)采樣5次后排序，選取中間值作為有效值.在FPGA內(nèi)部對信號進(jìn)行FFT運(yùn)算，應(yīng)用于對不同頻率的目標(biāo)進(jìn)行識別.

4 實(shí)驗(yàn)

圖3 目標(biāo)運(yùn)動時(shí)傳感器的輸出Fig.3 The output of the sensor while target movement

當(dāng)有鐵磁性目標(biāo)在一定范圍內(nèi)經(jīng)過磁通門傳感器時(shí)，系統(tǒng)就會獲取目標(biāo)的磁場信號.當(dāng)目標(biāo)移動方向和傳感器敏感軸方向一致靠近傳感器時(shí)，首先測到的磁場強(qiáng)度是減小，而后逐漸增大；當(dāng)目標(biāo)與傳感器在一條線時(shí)，寄傳感器與目標(biāo)距離最小時(shí)，系統(tǒng)測到的磁場強(qiáng)度為0；當(dāng)目標(biāo)繼續(xù)移動遠(yuǎn)離傳感器時(shí)，傳感器輸出值會先增大后減小為初值，如圖3（1）所示.當(dāng)目標(biāo)移動方向和傳感器敏感軸方向剛好相反時(shí)，信號變化方向也會變反，如圖3（2）所示.

實(shí)驗(yàn)中選體積約為1 cm3的磁鐵作為待測磁異目標(biāo)，將三軸磁通門傳感安裝于試驗(yàn)臺上，磁鐵先沿傳感器X軸敏感方向反向勻速移動，移動一段距離后改變運(yùn)動方向，而后讀取傳感器輸出信號值，結(jié)果如圖4所示.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示正向運(yùn)動與反向運(yùn)動波形對稱，與預(yù)期的變化一致.

圖4 磁通門傳感輸出信號Fig.4 Fluxgate sensor output signal

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了基于三端式磁通門傳感器的鐵磁性目標(biāo)探測系統(tǒng)，系統(tǒng)能感測到鐵磁性目標(biāo)的運(yùn)動情況，實(shí)現(xiàn)了磁性目標(biāo)的三分量測量.系統(tǒng)具有功耗低、靈敏度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn).

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