應毓海

(1.安徽大學 電子信息工程學院,安徽 合肥230039；2.安徽廣播影視職業(yè)技術(shù)學院 信息工程系,安徽 合肥 230011)

基于磁通負反饋的低噪聲寬頻帶感應式磁傳感器設(shè)計*

應毓海1,2

(1.安徽大學 電子信息工程學院,安徽 合肥230039；2.安徽廣播影視職業(yè)技術(shù)學院 信息工程系,安徽 合肥 230011)

感應式磁傳感器(IMS)是頻率域電磁法(FEM)中使用最廣泛的磁傳感器,通常由感應線圈和前置放大器組成。為了增加IMS探測深度和微弱磁場信號的能力,基于磁通負反饋技術(shù),獲得其在低頻段平坦的靈敏度曲線,拓寬了其觀測頻帶。采用斬波前置放大技術(shù),降低了1/f噪聲對IMS的影響,對IMS的輸出噪聲進行了壓制。通過在屏蔽室內(nèi)對所研制的IMS性能進行測試,結(jié)果表明：其頻帶范圍為0.001 Hz～10 kHz,輸入噪聲為3 nV/Hz1/2,較3D—3磁傳感器等效輸入噪聲提高了10.04 dB,為其在實際項目應用提供了可靠的性能保障。

感應式磁傳感器； 磁通負反饋； 斬波前置放大； 1/f噪聲

0 引 言

感應式磁傳感器(IMS)基于法拉第電磁感應原理,能夠感知所探測磁場信號的微弱變化[1,2]。根據(jù)趨膚效應原理,它的可用頻率范圍決定了頻率域電磁法(FEM)所能探測的最大深度,是FEM的核心設(shè)備,其主要由感應線圈、磁通反饋回路和前置放大電路組成。高性能的IMS除了需要高性能的磁芯和合理的感應線圈結(jié)構(gòu)以外,也需要能夠滿足探測深度需求的頻帶盡可能寬的前置放大電路,另外,其噪聲還需要低于地磁場信號,以提取出有用地磁場信號[3,4]。

近些年,國外許多高校和科研院所不斷地對IMS性能參數(shù)進行改進,為了提高IMS探測深度和微弱磁場信號的能力。德國MFS—06磁傳感器的頻帶范圍為0.000 2 Hz～8 kHz,輸入噪聲為8 nV/Hz1/2[5,6]。加拿大MTC—50 H磁傳感器的頻率范圍為0.000 3 Hz～30 kHz,輸入噪聲為12 nV/Hz1/2[7,8]。我國在IMS方面起步較晚,中國科學院研制的CAS—10磁傳感器頻帶范圍為0.2 Hz～4 kHz,輸入噪聲為11 nV/Hz1/2。我國所研制的IMS性能指標還存在一些不足,因此,研制出與國外性能相當?shù)拇艂鞲衅饕殉蔀楸厝弧?/p>

本文提出了基于斬波前置放大技術(shù),有效地降低了1/f噪聲對IMS的影響。同時,結(jié)合磁通負反饋技術(shù),拓寬了其觀測頻帶,使其靈敏度在低頻段得到提高。研制了頻帶范圍為0.001 Hz～10 kHz,輸入噪聲為3 nV/Hz1/2的IMS。

1 IMS設(shè)計

1.1 IMS結(jié)構(gòu)

IMS作為FEM接收機的前端用來接收微弱的瞬變電磁信號,并將該信號轉(zhuǎn)換成電壓信號,由感應線圈、前置放大電路、磁通反饋回路,其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 IMS結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Structure diagram of IMS

從圖1中可以看出,感應線圈繞制在木質(zhì)或尼龍的骨架上,其直徑和匝數(shù)等參數(shù)根據(jù)實際需求而選擇。繞制在感應線圈外側(cè)的反饋線圈會產(chǎn)生出反饋磁場,對被測磁場構(gòu)成負反饋,從而建立了磁場傳感器的閉合磁通反饋回路。根據(jù)法拉第電磁感應定理,感應線圈將微弱的瞬變電磁信號轉(zhuǎn)換為電壓信號,傳遞給前置放大器進行低噪聲放大,最后輸出給采集系統(tǒng)進行處理。

1.2 IMS噪聲等效模型分析

IMS總的固有噪聲是感應線圈和前置放大電路組合的噪聲,根據(jù)IMS結(jié)構(gòu)圖,其等效電路圖如圖2所示。

圖2 IMS噪聲等效模型Fig 2 Noise equivalent model of IMS

有5種噪聲源對IMS固有噪聲有貢獻,分別為：感應線圈內(nèi)阻熱噪聲er,感應線圈匹配電阻熱噪聲iRt，前置放大電路電壓噪聲en和電流噪聲in,以及其增益調(diào)節(jié)電阻R1和R2。進一步劃分,又可以分為7種噪聲,將運放的電流噪聲分解成兩部分：一部分是電流噪聲流經(jīng)感應線圈時所產(chǎn)生的電壓噪聲,另一部分是其流入電阻R1和R2時所產(chǎn)生的電壓噪聲。因為感應線圈的噪聲受頻率的影響,因此,可以用譜密度的形式表示所有的噪聲源。將所有的噪聲等效到前置放大電路的同向輸入端,總的噪聲UN可以表示為

(1)

其中,G為前置放大電路的增益,Z=r+jωL,Req=R1∥R2。

以上幾種噪聲源的分布如圖3所示。

圖3 IMS噪聲源分布圖Fig 3 Noise source distribution diagram of IMS

其中,eRgf和eiRgf分別為電流噪聲流經(jīng)感應線圈產(chǎn)生的電壓噪聲和電流噪聲流入R1和R2產(chǎn)生的電壓噪聲,運放總的等效輸入噪聲為UN。

從圖3中可以看出：低于200 Hz時,占噪聲主導地位的是前置放大電路的輸入電壓噪聲；200 Hz～40 kHz區(qū)間,占噪聲主導地位的是IMS的匹配電阻熱噪聲；高于40 kHz時,占噪聲主導地位的又變成電壓噪聲,并且,在高于1 kHz時,感應線圈內(nèi)阻的噪聲開始降低,其對輸出噪聲貢獻很小。相對于匹配電阻的噪聲,以下幾種噪聲可以忽略：前置放大電路的電流噪聲流入線圈網(wǎng)絡(luò)時產(chǎn)生的電壓噪聲,流入增益電阻而產(chǎn)生的電壓噪聲以及增益電阻的熱噪聲。在IMS的有效頻帶內(nèi),前置放大電路的電壓噪聲和匹配電阻的熱噪聲是噪聲的主要組成部分。為了降低前置放大電路的電壓噪聲,可以通過選擇低噪聲器件來實現(xiàn),但是感應線圈在確定了工作狀態(tài)后,匹配電阻的熱噪聲便不可降低。

2 IMS制作

感應線圈被繞制在一個直徑為0.5 m的木制骨架上,分2段繞制,每段有14層,每層10匝,總數(shù)為280匝,主要參數(shù)由表1所示。

表1 感應線圈主要參數(shù)Tab 1 Main parameters of inductive coil

由于研制的IMS頻帶范圍為0.001 Hz～10 kHz,輸入噪聲為2 nV/Hz1/2,并且商業(yè)級的集成運算放大器的1/f轉(zhuǎn)折頻率一般是幾赫茲到幾百赫茲不等,目前性能最好的集成斬波放大器為ADA4528,其輸入噪聲也高達5.6 nV/Hz1/2,均不能滿足設(shè)計指標要求。本文IMS采用分立器件設(shè)計了低頻斬波前置放大電路,以降低前置放大電路的1/f轉(zhuǎn)折頻率,同時抑制輸入噪聲,其電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 低噪聲斬波前置放大電路結(jié)構(gòu)圖Fig 4 Structure diagram of low noise chopper pre-amplifier circuit

圖4所示,前置放大電路由低頻和高頻放大回路組成,通過多路模擬開關(guān)MAX333對其進行切換。如輸入為高頻信號時,上位機的控制信號CTRL控制多路模擬開關(guān)MAX333,從而切換成高頻放大模式。當輸入為低頻信號時,原理相同。

前置放大電路的噪聲源由以下二部分組成：感應線圈的等效內(nèi)阻熱噪聲,MAX333的導通電阻熱噪聲。由于多路模擬開關(guān)MAX333導通電阻為200Ω,可以有效地減少前置放大電路的輸入噪聲。同時,前置放大電路還采用低噪聲運算放大器OPA827,進一步減少了其總體噪聲水平。

3 IMS性能測試

IMS對輸入噪聲要求較高,外界的干擾信號應非常微弱。因此,需要在電磁屏蔽室內(nèi)進行測試,以去除市區(qū)內(nèi)較強的工頻干擾和其他干擾的影響。

3.1 低噪聲前置放大器增益測試

在IMS預設(shè)頻帶范圍內(nèi)選取適當數(shù)量的頻率點,使用動態(tài)信號分析儀對IMS的幅頻特性進行測量,結(jié)果如圖5所示。

圖5 IMS增益測試Fig 5 Gain test of IMS

由圖5可以看出：斬波開關(guān)對IMS響應增益沒有影響,高低頻放大電路在幅頻特性方面銜接性非常好,f<1 kHz頻段時,IMS響應增益大約在4 700左右,由于受到低通濾波器影響,f>2 kHz時,響應特性曲線會呈下降趨勢。

3.2 IMS噪聲測試

為驗證研制的IMS對于低頻噪聲的抑制作用,選用集成運算放大器和模擬多路開關(guān)搭建斬波前置放大電路,模擬多路開關(guān)實現(xiàn)斬波調(diào)制/解調(diào)。測量IMS等效輸入噪聲,實驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 斬波開/關(guān)的IMS等效輸入噪聲Fig 6 Equivalent input noise of IMS when chopper signal is open and closed

由圖6可以看出：無斬波時,IMS等效輸入噪聲在低頻段存在明顯的1/f噪聲；當斬波打開時,其等效輸入噪聲比較平坦,約為3 nV/Hz1/2,證明斬波前置放大器對1/f噪聲有很好的抑制作用,較德國3D—3磁傳感器等效輸入噪聲(4.28 nV/Hz1/2)提高了10.04 dB。

3.3 IMS靈敏度測試

在磁屏蔽筒內(nèi)對磁傳感器靈敏度進行標定,標定結(jié)果如圖7所示。

圖7 IMS靈敏度標定Fig 7 Sensitivity calibration of IMS

由圖7可以看出:加入了磁通負反饋以后,IMS諧振頻率兩側(cè)具有相對平坦的幅頻、相頻特性曲線。G=5 000,反饋電阻Rf=50 kΩ時,IMS靈敏度為0.8 V/Hz1/2@1 kHz優(yōu)于德國3D—3磁傳感器靈敏度(0.5 V/Hz1/2@1 kHz)。另一方面,從圖7可以看出:自制IMS的相頻特性曲線較為平坦,沒有明顯的相位突變,能夠滿足實際的使用標準,達到了德國的3D—3磁傳感器的水平。

4 結(jié) 論

本文在研究基于磁通負反饋IMS等效模型和噪聲特性基礎(chǔ)上,采用斬波前置放大技術(shù),設(shè)計并研制了低噪聲寬頻帶IMS。通過在屏蔽室內(nèi)對所研制的IMS性能進行測試,結(jié)果表明:其頻帶范圍為0.001 Hz～10 kHz,輸入噪聲為3 nV/Hz1/2,較3D—3磁傳感器等效輸入噪聲提高了10.04 dB,拓寬了其觀測頻帶,壓制了輸出噪聲,滿足FEM大深度探測的需要。

[1] 滕吉文.第二深度空間金屬礦產(chǎn)探查與東北戰(zhàn)略后備基地的建立和可持續(xù)發(fā)展[J].吉林大學學報:地球科學版,2007,12(4):633-651.

[2] 王曉飛,李 凱,韓 焱,等.基于磁懸浮效應的振動傳感器設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng),2013,32(10):61-64.

[3] 林品榮,鄭采君,石福升,等.電磁法綜合探測系統(tǒng)研究[J].地質(zhì)學報,2006(10):1539-1548.

[4] 周勝海,郭淑紅.基于低噪聲運放的傳感器前置放大器設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器,2006,56(9):38-40.

[5] Wu R,Makinwa K A A,Huijsing J H.The design of a chopped current-feedback instrumentation amplifier[J].Circuits and Systems,2008,89(14):1744-1755.

[6] Johan F Witte,Kofi A A Makinwa,Johan H Huijsing.A CMOS chopper offset-stabilized opamp[J].Solid-State Circuits,2007,7(4):1529-1535.

[7] Dei M Bruschi P,Piotto M.Design of CMOS chopper amplifiers for thermal sensor interfacing[J].Research in Microelectronics and Electronics,2008,67(5):205-208.

[8] Bruce Carter,Ron Mancini.Op amps for everyone[M].3rd ed.Beijing:Posts & Telecom Press,2010.

Design of low noise broad band IMS based on flux negative feedback*

YING Yu-hai1,2

(1.College of Electronics and Information Engineering,Anhui University,Hefei 230039,China;2.Department of Information Engineering,Anhui Broadcasting Movie and Television College,Hefei 230011,China)

Inductive magnetic sensor(IMS)is one of the most widely utilized magnetic sensors in frequency domain electromagnetic method(FEM),which consists of inductive coil and preamplifier.In order to enhance capability of IMS to detect weak magnetic signals and depth,a flat sensitivity curve at low frequency band is achieved and observation band is broaden,which is based on flux negative feedback technology.Utilize chopper pre-amplifier technology to decrease effect of 1/fnoise on IMS,and to suppress output noise of IMS.The performance of IMS is tested in shielded room,band range is of 0.001 Hz～10 kHz,and input noise is 3 nV/Hz1/2,compared with magnetic sensor 3D—3,equivalent input noise is increased by 10.04 dB,which guarantees performance for IMS in real project application.

inductive magnetic sensor(IMS); flux negative feedback; chopper pre-amplifier; 1/fnoise

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0067—03

2014—09—17

國家高技術(shù)“863”研究發(fā)展計劃資助項目(2009AA03Z442)

O 657.3

A

1000—9787(2014)12—0067—03

應毓海(1965-),男,安徽肥東人,碩士,副教授,研究方向為弱磁傳感器技術(shù)。