胡含凱，曹 霧

（西安機電信息技術(shù)研究所 陜西 西安 710065）

近炸引信系統(tǒng)大都是借助于探測器獲取目標(biāo)信息，從而實現(xiàn)對目標(biāo)的探測、識別、定位和毀傷。探測器因探測機理的不同形成了不同的探測體制，常用的探測器有無線電、激光、紅外、磁、聲等多種類型，其中磁探測由于可抵抗電子干擾且對鐵磁目標(biāo)具有天然的探測優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用。目前，大多數(shù)磁傳感器的探測機理多是以磁膜探測、霍爾效應(yīng)、巨磁阻抗（CMI）效應(yīng)以及金屬渦流效應(yīng)等為主[1]。發(fā)展和應(yīng)用得比較成熟的如磁通門、霍爾元件和磁阻元件都不能完全滿足引信小型化、高靈敏度和低功耗的要求。盡管巨磁阻抗效應(yīng)可以使磁靈敏度提高10倍左右，但必須在較高外磁場（1 MA/m）下才具有巨磁阻抗（GMI）效應(yīng)，并且存在磁滯和溫度不穩(wěn)定性等問題[2]。針對磁探測引信系統(tǒng)中體積小、靈敏度高和功耗低的要求，提出了基于非晶絲巨磁阻抗效應(yīng)的微磁場探測系統(tǒng)。

1 非晶絲的巨磁阻抗效應(yīng)

提高了非晶絲的微磁探測靈敏度[3]。為改善傳統(tǒng)磁探測系統(tǒng)的固有缺陷，這種新型材料可以在磁探測體制中進(jìn)行應(yīng)用。

非晶絲的巨磁阻抗（GMI）效應(yīng)是由日本學(xué)者M(jìn)ohri九十年代初在具有零或負(fù)磁致伸縮系數(shù)的Co（鈷）基非晶軟磁材料中發(fā)現(xiàn)的[4]，目前對它的研究已擴大到Co基非晶絲和納米晶軟磁合金薄帶和薄膜[5]。由于非晶絲材料克服了以往磁性元件要依賴較高磁場的缺點；在附加簡單的脈沖勵磁電路時，非晶絲在微磁場下就能發(fā)生強烈的巨磁阻抗（GMI）效應(yīng)，且具有靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好、無磁滯等優(yōu)點，因此在微磁探測領(lǐng)域中作為磁敏傳感器的敏感材料顯示出重要的應(yīng)用價值。

巨磁阻抗效應(yīng)表現(xiàn)在Co基非晶絲、非晶態(tài)薄膜或納米晶合金薄帶等材料中通入較高頻率電流時，材料兩端的阻抗會強烈地依賴于外加于材料軸向上的磁場[6]。通常用外磁場作用下的阻抗變化率來反映巨磁阻抗效應(yīng)的強弱。若材料是非常好的軟磁材料，并且導(dǎo)電性能比較好，那么一個很小的外加磁場就能導(dǎo)致阻抗發(fā)生較大的變化，這就是巨磁阻抗效應(yīng)。

非晶絲是一種新型磁性材料，其顯著特點在于：非晶絲的軟磁特性好，體積很小，非常有利于引信系統(tǒng)的微小型化；并在微磁場中非晶絲巨磁阻抗效應(yīng)有一線性變化范圍，從而

2 基于非晶絲巨磁阻抗效應(yīng)的微磁場探測系統(tǒng)

2.1 非晶絲巨磁阻抗效應(yīng)微磁場探測系統(tǒng)的探測靈敏度

在非晶絲巨磁阻抗效應(yīng)微磁場探測系統(tǒng)中，非晶絲微磁傳感器是系統(tǒng)獲取目標(biāo)信息的主要組件，它的靈敏度高低將直接決定探測系統(tǒng)性能。在依靠非晶絲材料靈敏度的基礎(chǔ)上，對后續(xù)信號處理電路靈敏度的提高決定了能否有效提高系統(tǒng)的靈敏度。

同傳統(tǒng)磁探測系統(tǒng)比較，基于非晶絲巨磁阻抗效應(yīng)的微磁場探測系統(tǒng)需要附加脈沖勵磁電路。為了提高系統(tǒng)的靈敏度和線性度。

為此，系統(tǒng)采用了如圖1所示的設(shè)計方案。

圖1 非晶絲微磁傳感器探測電路原理框圖Fig.1 Block diagram of the GMR detecting circuit

系統(tǒng)探測主電路部分采用單磁芯雙繞組多諧振蕩橋式電路，同單磁芯單線圈電路、雙磁芯雙線圈電路相比，橋式電路具有響應(yīng)快、靈敏度高、定距定位精度好、噪聲小等優(yōu)點。同時，也彌補了雙磁芯多諧振蕩探測器線性度及線性范圍差的缺陷，使得系統(tǒng)探測靈敏度得到提高的同時也保證了其線性度。單磁芯雙繞組多諧橋式電路的輸出電壓值與參考電壓值進(jìn)入差動放大，經(jīng)帶通濾波電路，將多諧信號的基波和次諧波分量濾除，并進(jìn)行再次信號放大，經(jīng)微處理器采樣變換處理后，通過檢波電路將其轉(zhuǎn)變?yōu)閱螛O性信號，最終獲得反映目標(biāo)信息的電信號。

2.2 非晶絲磁滯特性及其抑制補償方法

磁性材料有著不同的磁滯特性，不同的磁滯特性具有不同的磁滯回歸曲線。磁元件的磁滯特性對系統(tǒng)的探測性能有著很大的負(fù)面影響。非晶絲作為一種新型磁性材料具有很小的磁滯特性。在實際應(yīng)用過程中，磁元件的磁滯現(xiàn)象的存在是不可避免的，但系統(tǒng)對探測目標(biāo)識別、判斷的算法相當(dāng)復(fù)雜；應(yīng)對磁滯抑制和電路補償技術(shù)采取相應(yīng)措施。

系統(tǒng)中采用兩級反饋的反向電流激勵技術(shù)設(shè)計磁滯抑制補償電路，即：一級反饋是把激勵電路輸出的電壓信號經(jīng)電壓/電壓轉(zhuǎn)換后，作為激勵電路差動放大器的參考值，調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的輸入差量，減小系統(tǒng)的波動；二級反饋是將激勵電路差分放大器的輸出電壓，采用PID的控制方法，進(jìn)行電壓電流負(fù)反饋電路的設(shè)計。使其輸出成為隨外磁場變化的電流信號，并在反饋線圈中產(chǎn)生與待測磁場相反的磁場，即可彌補非晶絲的磁滯現(xiàn)象。如果一級反饋的電壓轉(zhuǎn)化系數(shù)小、線性度好，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使系統(tǒng)的功耗得以降低；如二級反饋的電壓/電流轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化系數(shù)足夠大，就可以使非晶絲工作在零磁場附近的線性區(qū)域。當(dāng)系統(tǒng)的兩級閉環(huán)增益選擇適合時，傳感器的輸出電壓與外磁場的場強變化成一一對應(yīng)關(guān)系。因此，通過兩級的閉環(huán)系統(tǒng)可以顯著提高微磁傳感器的性能。

2.3 非晶絲磁阻抗效應(yīng)微磁場探測系統(tǒng)信號處理

非晶絲磁阻抗效應(yīng)微磁場探測系統(tǒng)的信號處理采用兩級放大單元組合方案。為了減小噪聲的干擾，一級差分放大單元增益要足夠大，便于對微弱信號及噪聲的識別、處理。同時，采用帶通濾波器和低通濾波器進(jìn)行濾波，消除直流擾動以及信號中的高頻成分，有效抑制噪聲、消除基波、次諧波分量等，使其具有較高的共模抑制比和截止頻率。

綜上，基于非晶絲微磁阻抗效應(yīng)的微磁場探測系統(tǒng)，是設(shè)計勵磁電流信號產(chǎn)生電路具備極低的靜態(tài)功耗和噪聲干擾，引入兩級反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)克制了噪聲干擾、降低了功耗，對非晶絲磁滯特性得以抑制、補償，提高了傳感器的探測性能；采用兩級放大單元組合方案實現(xiàn)高性能的信號處理電路，完成了系統(tǒng)整體的設(shè)計。

3 測 試

分別在同一距離、不同角角度下，測試探測系統(tǒng)的探測性能[8]。具體測試原理為，依某項目對近炸引信探測距離15m為列：當(dāng)沒有被測目標(biāo)（如裝甲車輛等）時，把微磁場探測系統(tǒng)輸出值作為它的初始值。當(dāng)目標(biāo)以微磁傳感器為中心，以15m為半徑進(jìn)行轉(zhuǎn)動時（順時針轉(zhuǎn)180°），從示波器觀察到的輸出信號如圖2所示。

圖2 磁感信號示意圖Fig.2 Diagram ofmagnetic signals

當(dāng)探測器的敏感軸與目標(biāo)轉(zhuǎn)動的方向角由0°～45°時，因為有更多的磁力線彎向迎面而來的目標(biāo)，所以從初始值開始的第一個畸變是曲線偏向正向，磁場變化量達(dá)到峰值；當(dāng)目標(biāo)繼續(xù)運動到90°時，磁力線將沿著敏感軸的反方向偏向目標(biāo)，因此輸出曲線將會逐漸減小到初始值附近，因磁場磁通量不成線性變化，所以曲線呈內(nèi)凹趨勢。當(dāng)目標(biāo)運動方向與探測器的敏感軸的方向角為90°～135°時，曲線偏向負(fù)向達(dá)到最大值，呈外凹曲勢；當(dāng)目標(biāo)運動到180°時，磁力線遠(yuǎn)離迎面而來的目標(biāo)，磁場逐漸反向減小，逐漸恢復(fù)至起始值。參照曲線特征，利用采樣點值的大小進(jìn)行三角函數(shù)轉(zhuǎn)成距離/電壓信號，可以用此電平作為引信系統(tǒng)的工作信號。在室外對樣機進(jìn)行簡單測試，結(jié)果如表1所示。

表1 裝甲車室外測試結(jié)果Tab.2 Test result outdoor of arm ored car

由測試結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)在不同環(huán)境下，均能有效覆蓋近場目標(biāo)，在各個角度下均產(chǎn)生有效輸出，適合于近炸引信的探測使用；即使對于較遠(yuǎn)距離，也具備一定的探測能力，相對傳統(tǒng)磁場探測系統(tǒng)具備良好可靠的近場探測性能。證明了基于非晶絲巨磁阻抗的微磁場探測系統(tǒng)的性能優(yōu)勢。

4 結(jié) 論

文中提出了基于非晶絲巨磁阻抗效應(yīng)的微磁場探測系統(tǒng)，是設(shè)計勵磁電流信號產(chǎn)生電路具備極低的靜態(tài)功耗，引入負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)對非晶絲磁滯特性進(jìn)行了抑制補償，提高了探測傳感器的性能；采用兩級放大單元組合方案實現(xiàn)高性能的信號處理電路，完成了整體系統(tǒng)的設(shè)計。所設(shè)計的微磁場探測系統(tǒng)具備了非晶絲巨磁阻抗效應(yīng)的優(yōu)勢，實驗測試表明，基于非晶絲巨磁阻抗效應(yīng)設(shè)計實現(xiàn)的微磁場探測系統(tǒng)，具備良好探測性能，可應(yīng)用于近炸引信進(jìn)行微磁場探測。

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