張碧勇, 許洋鋮， 張 磊， 秦 偉

(中煤科工集團(tuán) 重慶研究院有限公司，重慶 400037)

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高靈敏度低頻感應(yīng)式磁傳感器的研制

張碧勇, 許洋鋮， 張 磊， 秦 偉

(中煤科工集團(tuán) 重慶研究院有限公司，重慶 400037)

設(shè)計(jì)了一種高靈敏度低頻感應(yīng)式磁傳感器，介紹了其具體結(jié)構(gòu)和工作原理。通過分析影響靈敏度的主要因素，提出了高靈敏度傳感器的研制方法。介紹了傳感器的結(jié)構(gòu)、線圈的等效電路、線圈的繞制方式、阻尼匹配技術(shù)、條狀屏蔽技術(shù)以及低噪聲前置放大技術(shù)。同時，通過對比實(shí)驗(yàn)論證了傳感器的高靈敏度；通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和礦井實(shí)驗(yàn)，論證了傳感器在實(shí)際測量中的優(yōu)良性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，研制的感應(yīng)式磁傳感器可以滿足多種測量環(huán)境要求。

高靈敏度； 線圈繞制； 阻抗匹配； 條狀屏蔽； 低噪聲

0 引 言

電磁波探測技術(shù)是一種較成熟的地質(zhì)探測方法，近年來，國內(nèi)多家企事業(yè)單位研制出了一系列相關(guān)產(chǎn)品，如大地電磁測深儀、瞬變電磁儀等。低頻電磁波可用于地質(zhì)測量、地殼通信、磁場測量、地震電磁前兆觀測以及地球物理觀測。在礦井中常用鋪設(shè)線圈的方式接收信號，但由于受地理空間的限制，鋪設(shè)較大的線圈會給工作帶來很多不便，而感應(yīng)式磁傳感器可以在大大縮小體積的同時達(dá)到相同甚至更高的精度，在電磁波應(yīng)用中占有越來越重要的位置[1]。

利用電磁波的礦用儀器主要分兩種，一種是發(fā)射線圈和接收線圈在同一平面，如瞬變電磁儀；另一種方式是發(fā)射線圈和接收線圈平行，如坑透儀，透地通信儀。電磁波在大地巖層中衰減極快，測量的信號非常微弱，這就對傳感器提出了較高的要求[2-3]。同時，傳感器的感應(yīng)電壓跟磁場信號的強(qiáng)度、頻率成正比，但由于高頻信號的趨膚效應(yīng)，電磁波傳播距離受限，故選擇低頻電磁波作為信號場源[4-5]。本文主要研究了影響傳感器靈敏度的決定因素以及傳感器研制方法，包括磁性材料的選擇，線圈纏繞方式，傳感器結(jié)構(gòu)，阻尼匹配技術(shù)和前置放大電路設(shè)計(jì)。

1 磁傳感器原理和靈敏度分析

1.1 感應(yīng)式磁傳感器原理

感應(yīng)式磁傳感器起主要作用的是線圈和磁芯，繞制的線圈用來感應(yīng)穿過它內(nèi)部磁通量的變化，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢；而加入高磁導(dǎo)率的磁芯，可以將信號增大幾十甚至幾百倍。磁傳感器基于法拉第電磁感應(yīng)定律，結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)外磁場發(fā)生變化時，在線圈軸線與磁場平行的方向產(chǎn)生感應(yīng)電壓：

(1)

式中：S為繞制線圈的有效面積，B為外磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度；負(fù)號表示感應(yīng)電壓的方向是阻礙磁通量的變化，即跟外磁場變化方向相反[6]。若變化的外磁場為正弦信號，

B=B0sinwt

(2)

后級放大器的放大倍數(shù)為A，線圈匝數(shù)為n，磁芯有效導(dǎo)磁率為μa，則有：

S=ns0μaA

(3)

其感應(yīng)電動勢的絕對值[7]

|E|=2πfns0μaAB0coswt

(4)

圖1 磁傳感器示意圖

由式(4)知，感應(yīng)電壓與信號頻率f、線圈匝數(shù)n、骨架的截面積s0、磁芯的有效導(dǎo)磁率μa、前置電路的放大倍數(shù)A以及通過線圈的磁場強(qiáng)度B0成正比。故增大感應(yīng)電動勢應(yīng)從這幾個參數(shù)著手以提高傳感器的性能[8]。

1.2 靈敏度分析

電磁波在泥土巖層中傳播有很大的損耗且低頻干擾信號較強(qiáng) ，對于低頻弱信號，如何提高靈敏度是儀器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。假設(shè)磁場信號為正弦波信號，傳感器帶有增益為A的前置放大器，感應(yīng)線圈的靈敏度為線圈在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度變化中所感應(yīng)出的感應(yīng)電動勢[9]，靈敏度，

(5)

由式(5)知，在同一頻率下，靈敏度與S成正比，故提升有效面積S是提高靈敏度的有效途徑 。對于骨架已定的傳感器S0已定，放大電路倍數(shù)A折中，為幾十，匝數(shù)n一般為幾千上萬匝，有效導(dǎo)磁率主要由磁芯材料和磁芯的長徑比決定[10-11]。有效導(dǎo)磁率：

(6)

(7)

式中，長徑比m=L/d，則：

(8)

式中：μr為相對磁導(dǎo)率；Nd為退磁因子；無量綱；L為磁芯的長度；d為磁芯直徑；m一般取20～80之間。若μr>3 000，且m<50時，有效導(dǎo)磁率跟相對導(dǎo)磁率無關(guān)，只取決于材料的形狀[12]。文中所述傳感器的磁芯采用坡莫合金1J85材料，其相對導(dǎo)磁率為幾萬，長和寬分別為25 mm和650 mm，將各參數(shù)代入式(3)可得S≈27 746 m2，a=173.3 μV/(nT·Hz)。

2 磁傳感器的研制

2.1 傳感器結(jié)構(gòu)和線圈的等效電路

磁傳感器主要由骨架、磁芯、線圈、屏蔽層組成。磁芯放置在骨架里面，線圈繞在骨架上，屏蔽層包裹在骨架外面。骨架采用線膨脹系數(shù)小、穩(wěn)定性能好的非鐵磁性材料，如酚醛樹脂，磁芯應(yīng)根據(jù)頻帶范圍選擇導(dǎo)磁率相對較高的材料[13]。線圈可以等效成如圖2所示的電路，圖中：C為分布電容；L為線圈電感；Ri為線圈內(nèi)阻，感應(yīng)電動勢即分布電容兩端的電壓。

圖2 線圈等效電路圖

2.2 線圈繞制方法

感應(yīng)線圈采用紗包線繞制，線徑可根據(jù)需要的匝數(shù)以及傳感器的體積決定，線徑太細(xì)，電阻較大，Q值較小；而線徑太粗，相同匝數(shù)的體積較大，故需按實(shí)際需求選擇。磁芯中間位置磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，往兩頭逐漸減弱，為了避免邊緣效應(yīng)，線圈長度應(yīng)小于磁芯長度，推薦50%～80%，由式(9)知，諧振頻率跟分布電容成反比，為了減少分布電容，線圈采用多層分格、亂繞串聯(lián)方式繞制，

(9)

如圖3所示，在相同匝數(shù)下可以減小分布電容，提高傳感器的諧振頻率。對于繞制好的線圈，可用RLC儀測得C和L，從而計(jì)算出諧振頻率。

圖3 分段繞制示意圖

2.3 阻抗匹配和低噪聲前置放大電路

振蕩系統(tǒng)中，若負(fù)載阻抗小于線圈的特性阻抗，那么負(fù)載就要消耗比前端源提供得更多的能量，這就工作在過阻尼狀態(tài)；相反，負(fù)載大于傳輸線圈的特性阻抗，能量消耗不完有剩余則處于欠阻尼態(tài)，如果負(fù)載阻抗跟前端阻抗相匹配，則系統(tǒng)工作在臨界阻尼模式，這時信號更加穩(wěn)定，波形趨于理想[14]。不加阻尼電阻的線圈頻帶較窄且線性度差，同時在間斷信號中，信號在起始和結(jié)束段振蕩很嚴(yán)重。 在感應(yīng)式磁傳感器中一般采用電阻阻尼方式，將兩個等值電阻分別并聯(lián)在線圈一端和抽頭之間，如圖4所示。

圖4 阻尼匹配方式

前置放大主要由兩級放大電路、低通濾波器以及信號轉(zhuǎn)換電路組成(見圖5)。為了抑制共模噪聲和提高輸入阻抗， 第一級采用差分輸入 ，多級電路的噪聲是具有累加性的，但主要由第1級電路決定，因此第1級要選用低噪聲的器件。為降低高頻噪聲對信號的影響，加入了低通濾波器，再經(jīng)二級放大電路，信號通過單端轉(zhuǎn)差分電路輸出，如圖5所示。

圖5 前置放大電路示意圖

2.4 條狀屏蔽層技術(shù)

低噪聲設(shè)計(jì)不僅要求前端調(diào)理電路有極低的噪聲，同時還需要抑制外部干擾信號對電路的影響。采用柔性電路板制作的條狀屏蔽層，包裹在骨架外面，將銅箔單端跟大地相連，由此可以有效抑制外部干擾對傳感器性能的影響[15]。

3 傳感器測試實(shí)驗(yàn)

3.1 靈敏度對比實(shí)驗(yàn)

將感應(yīng)式磁傳感器放入通電螺線管中，其中間區(qū)域?yàn)閯驈?qiáng)磁場,通過已知的電流可計(jì)算出當(dāng)前的磁場強(qiáng)度，實(shí)際測得傳感器靈敏度為168 μV/(nT·Hz)。表1為自制傳感器跟國內(nèi)外傳感器的對比，自制傳感器靈敏度高于國內(nèi)成熟傳感器，略低于國外水平。

3.2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

瞬變電磁儀發(fā)射線圈采用重疊回線方式，用自制傳感器測量得到的衰減曲線符合瞬變電磁衰減規(guī)律，曲線光滑，如圖6所示。測得的二次場衰減曲線在10-5～106μV級， 滿足瞬變電磁儀的探測精度。同時將自制傳感器和國內(nèi)某成熟傳感器進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，測得瞬變電磁衰減曲線基本一致，證明了自制傳感器的優(yōu)良性能。

圖6 衰減曲線對比圖

3.3 礦井實(shí)驗(yàn)

在國內(nèi)某礦區(qū)，距井下800 m的地面發(fā)射幾百A的編碼信號，用自制的傳感器探頭在井下成功接收到清晰的編碼信號。如圖7所示，原始信號為毫伏級，論證了傳感器的高靈敏度。

4 結(jié) 語

采用分層分格亂繞方式繞制線圈，接收端采用電阻阻尼匹配技術(shù)，條狀屏蔽技術(shù)以及低噪聲前置放大技術(shù)成功研制出了礦用高靈敏度感應(yīng)式磁傳感器。通過對比實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)，論證了磁傳感器的高靈敏度，傳感器性能達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。

圖7 井下接收的弱信號圖

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Development of High Sensitivity Low-frequency Magnetic Field Sensor

ZHANGBi-yong，XUYang-cheng，ZHANGLei，QINWei

(China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing 400037, China)

This paper designs a high-sensitivity low frequency inductive magnetic sensor and introduces its specific structure and working principle. Through analyzing the main factors which affect the sensitivity, the paper proposed research methods of high sensitivity magnetic sensor. The structure of the sensor, the equivalent circuit of the coil, the coil winding manner, damping matching technology, strip shielding technology are introduced in details as well as a low-noise preamplifier technology. Meanwhile, comparative experiments demonstrated the high sensitivity of the sensor. Laboratory experiments and mine experiments all demonstrated excellent performance in actual sensor measurements. The developed inductive magnetic sensor meets the requirements of a variety of measurement environment, and the sensitivity reaches the advanced level.

high sensitivity; coil winding; impedance matching; shielding strip; low noise

2014-10-10

十二五國家重大專項(xiàng)(2011zx05040-002)

張碧勇(1988-)，男，重慶萬州人，助理工程師，主要從事地球物理勘探儀器研究。

Tel.:18875136123;E-mail:zby18402010@163.com

許洋鋮(1983-)，男，重慶南川人，高級工程師，主要從事地球探測技術(shù)及儀器研究。

Tel.：023-68683314;E-mail:xuyangcheng1983@163.com

TP 212

A

1006-7167(2015)08-0061-03