楊理踐，涂傳賓，高松巍

(沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽　110870)

0　引言

磁通門磁強計是一種基于鐵磁性材料在磁化飽和時，其磁導(dǎo)率非線性變化特性而工作的弱磁檢測設(shè)備，磁通門技術(shù)開始于20世紀(jì)30年代，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)在地球物理學(xué)、航天工程、生物醫(yī)學(xué)、軍事領(lǐng)域、材料無損探傷等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。緣于磁通門傳感器高分辨率、高穩(wěn)定性等優(yōu)點，使得其在弱磁檢測領(lǐng)域具有很大優(yōu)勢，是目前測量微弱磁場較為理想的設(shè)備。

為實現(xiàn)對弱磁場的檢測，采用高磁導(dǎo)率材料鈷基非晶合金VITROVAC 6025Z作為磁芯材料設(shè)計制作了磁通門傳感器，采用DDS信號發(fā)生器作激勵源，虛擬儀器開發(fā)平臺LABVIEW結(jié)合PCI-1716數(shù)據(jù)采集卡完成對磁通門傳感器微弱磁場信號的采集、處理和顯示。零點補償實時可調(diào)增加了系統(tǒng)的靈活性和不同磁場環(huán)境下的適用性，該系統(tǒng)操作簡單、維護方便，具有很好的實用價值。

1　磁通門傳感器原理

磁通門現(xiàn)象其實是變壓器效應(yīng)的衍生現(xiàn)象，同樣符合法拉第電磁感應(yīng)定律。當(dāng)磁芯處于非飽和磁場中，其磁導(dǎo)率變化緩慢，而當(dāng)磁芯達到飽和時，其磁導(dǎo)率變化明顯，此時被測磁場被調(diào)制進感應(yīng)電勢中，可以通過測量磁通門傳感器感應(yīng)電勢中能夠反映被測磁場的量來度量磁場。磁通門傳感器的工作過程中，磁芯的飽和點就貌似一道“門”，通過這道“門”，被測磁場被調(diào)制[2]。

1．1磁通門磁強計構(gòu)成

磁通門磁強計由激勵電路、磁通門傳感器、檢測部分構(gòu)成。如圖1所示。

圖1磁通門磁強計構(gòu)成

磁通門傳感器是磁強計的重要組成部分，完成對被測磁場的調(diào)制，激勵電路提供交變信號，使磁芯往復(fù)飽和，檢測部分的功能是提取磁通門信號中能夠反映被測磁場大小的信號成分進行處理，測量其幅值，從而得出相應(yīng)的被測磁場的大小。

1．2單芯磁通門傳感器模型建立

選擇正弦信號作為磁通門傳感器激勵信號，激勵磁場與被測磁場共同作用于磁芯，在半周期內(nèi)激勵磁場與被測磁場同向，使磁芯提前飽和；在另半周期內(nèi)激勵磁場與被測磁場反向，使磁芯滯后飽和，因被測磁場的存在，在正負(fù)半周期間出現(xiàn)磁通門變化的速率差，產(chǎn)生偶次諧波[3]。

以單芯磁通門傳感器模型作為研究對象，在一根磁芯上纏繞激勵線圈和感應(yīng)線圈，磁芯為高磁導(dǎo)率的鐵磁性材料，磁導(dǎo)率為μ，橫截面積為S，感應(yīng)線圈匝數(shù)為N．模型如圖2所示：

圖2　單芯磁通門傳感器模型

設(shè)激勵電流頻率為ω，幅值為Hm，通過激勵線圈產(chǎn)生磁場H1為：

H1=Hmsinωt

(1)

磁芯軸向上環(huán)境磁場強度為H0，則磁芯內(nèi)部磁場強度H為：

H=H0+H1

(2)

磁芯內(nèi)部磁感應(yīng)強度B為：

B=μ·H=μ·(H0+H1)

(3)

當(dāng)Hm小于磁芯磁飽和強度Hs時，磁芯的磁化曲線(BH曲線)處于線性區(qū)域，磁導(dǎo)率μ為定值。磁通門傳感器感應(yīng)線圈中電壓U為：

(4)

將式(1)、式(3)代入得：

U=-μωNSHmcosωt

(5)

通過式(5)可以看出，感應(yīng)電壓大小與軸向環(huán)境磁場H0無關(guān)，無法實現(xiàn)對磁場的測量。

當(dāng)Hm大于磁芯磁飽和強度Hs時，磁導(dǎo)率μ隨激勵磁場大小變化顯著，是時間的函數(shù)，設(shè)磁導(dǎo)率為μ(t)。激勵磁場H1有正負(fù)之分，頻率為ω，而μ(t)為標(biāo)量，沒有正負(fù)之分，變化頻率為激勵磁場頻率ω的2倍。μ(t)為偶函數(shù)，用傅里葉展開為：

(6)

式中：μd為磁導(dǎo)率中直流成分；μi為各2i次諧波分量幅值。

代入式(3)、式(4)中，則感應(yīng)電壓U(t)為：

-NSHmμ(t)cosωt

(7)

(8)

代入三角函數(shù)的積化和差公式：

(9)

由上式可以看出，磁通門輸出的電壓信號由含H0和Hm的項組成。當(dāng)環(huán)境磁場H0為零時，磁通門輸出電壓均為含Hm的項，其中只含有激勵信號頻率的奇次諧波，為變壓器效應(yīng)產(chǎn)生的感生電動勢；當(dāng)環(huán)境磁場H0不為零時，磁通門輸出電壓中含H0的項為激勵信號頻率的偶次諧波，其幅值與H0成正比，同時與感應(yīng)線圈匝數(shù)N、ω激勵頻率、磁芯橫截面積S成比例關(guān)系。

進行弱磁測量時，只需提取含有激勵頻率偶次諧波的量，濾除雜波信號，所以通常通過檢測偶次諧波的大小得到待測H0的強度。

1．3環(huán)形差分磁通門傳感器模型建立

為了消除磁通門信號中因變壓器效應(yīng)而產(chǎn)生的電勢，采用環(huán)形差分結(jié)構(gòu)，激勵線圈同向串聯(lián)，使變壓器效應(yīng)感應(yīng)電勢相抵消，而能夠體現(xiàn)被測磁場大小的偶次諧波信號疊加得到增強[4]。

磁通門傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

(a)傳感器結(jié)構(gòu)圖

(b)傳感器實物圖

如圖3(a)差分結(jié)構(gòu)中，激勵線圈上下兩半在尺寸和電磁參數(shù)上對稱，產(chǎn)生的磁場方向相反，在公共感應(yīng)線圈上的感應(yīng)電勢互相抵消，而待測磁場H0產(chǎn)生的感應(yīng)信號相疊加，式(9)可寫為：

(10)

由上式可以看出，由于差分式傳感器結(jié)構(gòu)，由變壓器效應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢相抵消后為零，傳感器輸出的感應(yīng)電勢與被測磁場大小成正比，而變壓器效應(yīng)僅起到了調(diào)制磁芯磁導(dǎo)率的作用。差分式磁通門靈敏度G可以表示為：

(11)

由上式可以看出，靈敏度與N、S、ω、μi成正比例關(guān)系，可以通過改變相關(guān)參數(shù)來調(diào)節(jié)傳感器的靈敏度，式(11)對研究磁通門傳感器的靈敏度意義重大。

2　磁通門傳感器及激勵電路

磁通門傳感器選用差分式結(jié)構(gòu)可以很好的抵消激勵信號因變壓器效應(yīng)產(chǎn)生的電勢，激勵電路采用DDS信號源。

2．1磁通門傳感器

磁通門傳感器由磁芯、繞線骨架、激勵線圈和感應(yīng)線圈組成。磁芯是傳感器的核心部件，決定著傳感器的性能好壞，為了保證磁通門傳感器具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，要求磁芯具有高磁導(dǎo)率、低矯頑力和容易達到飽和等。商品型號為VITROVAC 6025Z的鈷基非晶合金滿足以上要求，制作中選用厚0.025 mm，寬3 mm的帶材，在激勵線圈骨架上沿周向繞制成磁芯。激勵線圈和感應(yīng)線圈采用直徑0.27 mm的漆包線繞制，感應(yīng)線圈沿周向繞在感應(yīng)骨架上，線圈總體相連，中間隔開增大線距減小寄生電感，實物如圖3(b)所示。

2．2激勵電路

激勵電路的作用是為磁通門傳感器提供交變的激勵信號，使磁芯能夠處于周期性過飽和狀態(tài)。實驗時使用FG708S函數(shù)信號發(fā)生器提供激勵，可以方便的選擇激勵信號的各項參數(shù)，經(jīng)對比實驗后選用頻率為10 kHz，幅值為5V的正弦信號作為磁通門傳感器的激勵信號。

系統(tǒng)中用單片機STC89C52RC和AD9850芯片構(gòu)成DDS信號發(fā)生器為傳感器提供激勵，經(jīng)過低通濾波器濾除高頻雜波干擾，再經(jīng)功率放大后驅(qū)動激勵線圈。

激勵電路的原理框圖如圖4所示。

圖4　激勵電路原理圖

2．2．1DDS原理

AD9850為高集成度頻率合成器，由可編程DDS系統(tǒng)、10位DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)和高速比較器組成。其原理框圖如圖5所示。

圖5　AD9850結(jié)構(gòu)原理

可編程DDS系統(tǒng)的核心是相位累加器，每來一個外部參考時鐘信號，頻率控制字就累加到相位累加器中，與相位控制字相加后產(chǎn)生實時的數(shù)字相位信息。數(shù)字相位信息輸入到正弦表查詢地址上，正弦查詢表中每一個幅度信息地址對應(yīng)正弦波0～360°范圍內(nèi)的一個相位點。正弦查詢表將輸入的數(shù)字相位信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字幅度值。然后驅(qū)動DAC把數(shù)字幅度值轉(zhuǎn)換成模擬幅度值[5]。

2．2．2單片機控制AD9850產(chǎn)生正弦波

采用STC89C52RC單片機串行方式實現(xiàn)對AD9850的控制，D7作為數(shù)據(jù)輸入端口，W_CLK每個上升沿來到時，把一個數(shù)據(jù)寫入到輸入寄存器，40位數(shù)據(jù)都寫完后，在FQ_UD上升沿更新輸出信號頻率和相位，從而實現(xiàn)波形的連續(xù)性[6]。使用了單片機4個I/O口，分別控制AD9850的WCLK、FQ_UD、RST、D7。工作時D0、D1須接高電平，D2腳接地時為選擇串行輸入方式。AD9850時鐘信號采用外部125 M有源晶振產(chǎn)生，引腳REST對地電阻取3.9 kΩ．IOUT值隨DAC寄存器的內(nèi)容線性變化，IOUT下拉電阻進行I/V轉(zhuǎn)換，輸出正弦波，IOUTB下拉電阻輸出正弦波與IOUB輸出波形相差180°。單片機與AD9850連接電路如圖6所示。

圖6　AD9850控制電路

2．2．3低通濾波電路

為使正弦激勵更純凈，采用低通濾波電路濾除外部時鐘的高頻干擾和雜散信號，考慮到有源濾波器的頻帶一般不是很高，采用過渡帶下降迅速且窄的無源7階橢圓低通濾波器，電路如圖7所示。

圖7　低通濾波電路

低通濾波電路理論截止頻率為70 MHz，濾波電路可以很好的濾除高頻雜波信號，得到純凈的正弦波信號。圖7中R1和R2的作用是對IOUT輸出電流信號進行I/V轉(zhuǎn)換。

2．2．4功放電路

輸出的正弦信號功率太小，通過激勵線圈后產(chǎn)生的磁場不足以使磁芯達到周期性的過飽和狀態(tài)，達不到磁通門效應(yīng)所需條件。必須設(shè)置功率放大電路，設(shè)計中采用TDA2030構(gòu)成功率放大電路，前級正弦信號經(jīng)過功放驅(qū)動傳感器的激勵線圈。功放電路如圖8所示。

圖8　功率放大電路圖

3　檢測部分

該部分功能是將磁通門傳感器輸出信號通過數(shù)據(jù)采集卡輸入電腦，在虛擬儀器程序中進行處理和顯示。虛擬儀器采用LABVIEW2010軟件，配合PCI-1716數(shù)據(jù)采集卡完成對傳感器感應(yīng)電勢的采集和處理。

3．1信號的采集

磁通門傳感器置于地磁場中，采用10 kHz，5 V正弦信號激勵，用示波器觀察輸出信號，如圖9所示。

圖9　磁通門傳感器檢測信號

圖9可以看出，磁通門傳感器檢測信號是一個周期性的諧波信號，在地磁場中信號峰值達60 mV以上，選用的數(shù)據(jù)采集卡PCI-1716是一款16位的高分辨率數(shù)據(jù)采集卡，傳感器檢測信號適于該款數(shù)據(jù)采集卡的采集、處理。磁通門傳感器中采用激勵線圈和感應(yīng)線圈共地的連接方式，所以輸出端與采集卡連接采用單端數(shù)據(jù)連接方式，選用AI0端口作為檢測信號輸入端，板卡上AIGND地端與磁通門傳感器的地連接，這種連接方式可以消除檢測信號與板卡地之間的共模電壓干擾。數(shù)據(jù)采集卡為用戶提供了對應(yīng)的采集子VI- ADV AI Acquire Waveform．vi，以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集，使用該子VI需設(shè)置采樣通道、采樣頻率和采樣點數(shù)等參數(shù)，數(shù)據(jù)采集卡按照設(shè)定的采樣頻率對信號進行采樣。該VI是個多態(tài)VI，可以按要求輸出數(shù)據(jù)數(shù)組，也可以輸出數(shù)據(jù)的波形。

3．2信號的處理

LABVIEW讀取緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)并進行處理。磁通門信號處理方法采用脈沖幅值法，即通過檢測磁通門傳感器輸出電壓整個頻譜來測量磁場的大小。設(shè)計的磁場調(diào)零功能可以補償環(huán)境磁場，上位機軟件實時顯示被測磁場大小[7]并保存進excel文件。在測量磁場前，旋動磁場調(diào)零按鈕，抵消環(huán)境磁場的影響，使系統(tǒng)歸零。磁通門初始信號在LABVIEW中處理后，實現(xiàn)了實時可讀。磁通門磁強計軟件界面如圖10所示。

圖10　磁通門磁強計軟件界面

4　結(jié)果分析

用特斯拉計給磁通門傳感器進行定標(biāo)，將磁通門傳感器和特斯拉計平行置于可調(diào)磁場中，逐步增加磁場強度，同時記錄兩設(shè)備的輸出數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1　磁通門傳感器輸出數(shù)據(jù)

在坐標(biāo)圖中繪制測得的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)線性擬合，設(shè)線性方程為：y=kx+b，經(jīng)計算，k=1.783，b=0.056，即得到設(shè)計的磁通門磁強計靈敏度為1.783 mV/μT，零點漂移為0.056 V，擬合結(jié)果繪于圖11中。

圖11　磁通門傳感器標(biāo)定擬合

在線性區(qū)內(nèi)對磁通門傳感器進行噪聲采樣，得到零磁場環(huán)境下噪聲的平均值為2.758 mV，用噪聲平均值除以傳感器靈敏度得到傳感器分辨力為1.547 μT．

5　結(jié)論

基于差分結(jié)構(gòu)磁通門傳感器，設(shè)計制作了配套激勵電路，采用LABVIEW配合數(shù)據(jù)采集卡完成對信號的采集、處理和顯示。磁通門信號檢測處理采用脈沖幅值法即對信號整個頻譜進行處理，最終實現(xiàn)了對μT級磁場的檢測。

磁場調(diào)零功能使該系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同磁場環(huán)境，滿足更多場合的需求。通過定標(biāo)實驗計算得到傳感器靈敏度為1.783 mV/μT，傳感器分辨力1.547 μT．

參考文獻：

[1]KALUZA F，GRUGER A，GRUGER H．New and future aррlications of fluxgate sensors．Sensors and Actuator A，2003，106：48-51．

[2]翁孟超，楊志強，宣仲義．微型磁通門傳感器的制備與測試研究進展．儀表技術(shù)與傳感器，2008(6)：9-11：15．

[3]李大明．磁場的測量．北京：機械工業(yè)出版社，1993：58．

[4]PEREZ L，LUCAS I，AROCA C，et al．Analytical model for the sensitivi-ty of a toroidal fluxgate sensor．Sensors and Actuators A，2006，(130-131)：142-146．

[5]鄧重一．基于DDS技術(shù)的頻率合成源設(shè)計．儀表技術(shù)與傳感器，2005(10)：37-40．

[6]郭永彩，張春榮，高潮．基于DDS技術(shù)AD9850的激勵信號源設(shè)計．微計算機信息，2012，28(1)：12-14．

[7]石川，張琳娜，劉武發(fā)．基于Labview的數(shù)據(jù)采集與信號處理系統(tǒng)的設(shè)計．機械設(shè)計與制造，2009(5)：21-23．