楊志成， 車(chē)　振

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七一○研究所，湖北 宜昌 443003)

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數(shù)字補(bǔ)償式巨磁阻抗傳感器設(shè)計(jì)

楊志成， 車(chē)振

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七一○研究所，湖北 宜昌 443003)

摘要:地磁環(huán)境下弱磁信號(hào)的檢測(cè)要求地磁傳感器具有靈敏度高、工作范圍寬的特點(diǎn)，非晶絲在高頻交流激勵(lì)下具有阻抗變化率高的特點(diǎn)，宜于用來(lái)作地磁傳感器。但非晶絲線性工作區(qū)較短，不能完全覆蓋地磁場(chǎng)范圍，通過(guò)采用數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)可以補(bǔ)償大部分地磁場(chǎng)，使傳感器工作于非晶絲的線性區(qū)，提高了傳感器的靈敏度，擴(kuò)展了傳感器的工作范圍。通過(guò)測(cè)試，采用數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)的巨磁阻傳感器靈敏度為71.133 μV/nT，工作于-61 750.8～73 774.8 nT，與被測(cè)磁場(chǎng)的最大誤差為2.45 nT。

關(guān)鍵詞：數(shù)字補(bǔ)償； 巨磁阻抗； 地磁傳感器； 非晶絲；靈敏度；模塊

0引言

1992年，Mohri K教授等人發(fā)現(xiàn)了非晶態(tài)合金的交流磁阻抗隨外加磁場(chǎng)的變化而顯著變化的現(xiàn)象[1]，即巨磁阻抗(giant magneto impedance,GMI)效應(yīng)。依據(jù)巨磁阻抗效應(yīng)研制的傳感器具有靈敏度高、線性度好等優(yōu)點(diǎn)[2,3]，我國(guó)也開(kāi)展了相應(yīng)的研究[4～7]，由于非晶絲在交流激勵(lì)下阻抗變化靈敏度高，線性工作區(qū)較短，在地磁環(huán)境下使用時(shí)很容易飽和，為改善傳感器性能，可以采用負(fù)反饋擴(kuò)展傳感器的工作范圍，但負(fù)反饋會(huì)導(dǎo)致傳感器靈敏度的降低，同時(shí)深度負(fù)反饋會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定[8,9]。

本文提出了采用數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)，在不降低傳感器靈敏度的基礎(chǔ)上擴(kuò)展巨磁阻抗傳感器的工作范圍，使其能夠較好地在地磁場(chǎng)環(huán)境中使用。

1傳感器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)字補(bǔ)償式巨磁阻抗傳感器整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，該測(cè)量系統(tǒng)主要包括巨磁阻抗傳感器、AD采樣模塊、補(bǔ)償模塊、供電系統(tǒng)、上位機(jī)5個(gè)部分。其中，巨磁阻抗傳感器用于將磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。AD采樣模塊主要用于將巨磁傳感器的模擬電壓輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，AD采樣模塊一方面將該數(shù)字傳輸量給上位機(jī)，用于上位機(jī)數(shù)據(jù)的解算和顯示；另一方面，存儲(chǔ)巨磁阻抗傳感器的外加磁場(chǎng)和輸出電壓的特性曲線，用于補(bǔ)償模塊查詢(xún)使用。

2補(bǔ)償模塊工作原理與裝置實(shí)現(xiàn)

DA補(bǔ)償模塊主要用于補(bǔ)償?shù)卮艌?chǎng)，在未加補(bǔ)償模塊時(shí)測(cè)得的傳感器輸出與外加磁場(chǎng)的關(guān)系如圖2所示，傳感器輸出在磁場(chǎng)范圍為BC段時(shí)變化靈敏，且線性度較好，但其工作范圍約為-5 000～3 000 nT，在地磁場(chǎng)中容易飽和，在地磁環(huán)境中使用時(shí)需通過(guò)補(bǔ)償裝置進(jìn)行補(bǔ)償，使補(bǔ)償后的磁場(chǎng)位于-5 000～3 000 nT范圍內(nèi)。補(bǔ)償模塊可以通過(guò)控制輸出到傳感器補(bǔ)償線圈電流的大小控制補(bǔ)償磁場(chǎng)的大小，所需補(bǔ)償磁場(chǎng)值的大小由傳感器在被測(cè)磁場(chǎng)中所處的工作區(qū)間決定。

圖1　測(cè)量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1　Overall structure of measuring system

圖2　巨磁阻抗傳感器輸出電壓與外加磁場(chǎng)的關(guān)系Fig 2　Relationship between output voltage of giant magnetoimpedance sensor and external magnetic field

2.1傳感器工作區(qū)間的確定

傳感器的工作特性曲線分為AB,BE,EC,CD四個(gè)區(qū)間，其中,E點(diǎn)為傳感器輸出為零的點(diǎn)。判斷傳感器工作區(qū)間的流程圖如圖3所示，首先判斷AD采集模塊輸出電壓是否大于零，若傳感器輸出大于零，則傳感器處于ED段，若小于零,則位于AE段，若傳感器位于DA段，則通過(guò)補(bǔ)償模塊向傳感器施加一定的正向磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)值可以由程序設(shè)定，本文設(shè)定為5 nT，若傳感器輸出電壓增加，則傳感器位于BE段，若輸出電壓減小,則傳感器位于AB段；若第一次判斷傳感器位于AE段，則通過(guò)補(bǔ)償模塊向傳感器施加-5 nT磁場(chǎng)，若傳感器輸出電壓減少，則傳感器位于EC段，若輸出電壓增加，則傳感器位于CD段。

圖3　傳感器區(qū)間判斷流程圖Fig 3　Flow chart of sensor interval judgment

如圖2所示，傳感器工作于BC段時(shí)，其輸出電壓與外加磁場(chǎng)近似呈線性關(guān)系，可以用式(1)來(lái)表示

y=ax+b.

(1)

其中,y為傳感器輸出模擬電壓，μV;x為外加磁場(chǎng)，nT;a為傳感器靈敏度。傳感器所處的磁場(chǎng)可以由式(2)計(jì)算

(2)

其中,N為由AB段或CD段調(diào)整到BC段所需要調(diào)整的次數(shù)，C為每次調(diào)整的磁場(chǎng)值，yn為經(jīng)過(guò)n次調(diào)整后傳感器的輸出。

2.2補(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)

補(bǔ)償模塊模塊示意圖如圖4所示，補(bǔ)償模塊選用單片機(jī)STM32F103ZET6作為主控單元，通過(guò)單片機(jī)控制D/A轉(zhuǎn)換芯片，輸出幅值可調(diào)的模擬電壓，用該模擬電壓控制恒流源，輸出恒定電流驅(qū)動(dòng)巨磁阻抗傳感器偏置線圈，為巨磁阻抗傳感器提供一個(gè)偏置磁場(chǎng)。為保證恒流源輸出電流精度，在恒流源輸出端外接一個(gè)采樣電阻器，將恒流源輸出電流以電壓的形式通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換輸出到單片機(jī)，與單片機(jī)中預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，形成負(fù)反饋，提高恒流源輸出精度。同時(shí)，將單片機(jī)與上位機(jī)和AD采樣模塊相連，上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)線圈常數(shù)設(shè)定、偏置磁場(chǎng)的設(shè)定、顯示等功能，AD采樣模塊負(fù)責(zé)向反饋模塊提供傳感器輸出電壓，為傳感器工作區(qū)間確定提供依據(jù)。

圖4　補(bǔ)償模塊示意圖Fig 4　Diagram of compensation module

3測(cè)試結(jié)果與討論

3.1巨磁阻抗傳感器靈敏度測(cè)試

由式(1)可知，被測(cè)磁場(chǎng)的求取與靈敏度有關(guān)，需通過(guò)測(cè)試獲取。測(cè)試裝置如圖5所示，將巨磁阻抗傳感器置于螺線管線圈線性區(qū)內(nèi)，將傳感器探頭敏感方向與螺線管軸向平行放置，將標(biāo)準(zhǔn)電流源通過(guò)1通道與線圈相連，通過(guò)控制電流源輸出實(shí)現(xiàn)傳感器外部磁場(chǎng)的變化。為減少地磁場(chǎng)干擾，將傳感器置于屏蔽桶內(nèi)。

圖5　傳感器側(cè)裝置示意圖Fig 5　Diagram of sensor side device

通過(guò)測(cè)試，傳感器輸出電壓y與外部磁場(chǎng)x的關(guān)系如圖6所示，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

y=71.133x+809 337,

(3)

則由式(3)可知傳感器靈敏度為71.133 μV/nT。

圖6　傳感器輸出電壓與外界磁場(chǎng)關(guān)系Fig 6　Relationship between output voltage of sensorand external magnetic field

3.2反饋線圈常數(shù)測(cè)定

如圖4所示，測(cè)量裝置通過(guò)控制恒流源輸出電流的大小來(lái)控制補(bǔ)償磁場(chǎng)的大小，所以,需獲取補(bǔ)償線圈常數(shù)，補(bǔ)償線圈常數(shù)可以通過(guò)計(jì)算法或?qū)嶒?yàn)室測(cè)試法獲取，為提高線圈常數(shù)的準(zhǔn)確性，本文采用實(shí)驗(yàn)室測(cè)試法。測(cè)試裝置如圖5所示，將電流源通過(guò)2通道與傳感器反饋線圈相連，調(diào)節(jié)電流源輸出并用數(shù)字式萬(wàn)用表Agilent34401記錄傳感器輸出電壓，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7　反饋線圈輸入電流與傳感器輸出關(guān)系圖Fig 7　Relationship between feedback coil input currentand sensor output

傳感器輸出電壓與電流源輸出近似呈線性關(guān)系

u=2.742 9i-0.405 9.

(4)

結(jié)合式(3)、式(4)可求出傳感器反饋線圈常數(shù)為38 590.2 nT/mA。

3.3傳感器工作特性測(cè)試

將傳感器通過(guò)RS—232串口與計(jì)算機(jī)相連，并通過(guò)圖5裝置向傳感器施加磁場(chǎng)，記錄下電流源輸出電流和上位機(jī)輸出電壓，其中，螺線管線圈常數(shù)為2 020 nT/mA，測(cè)試結(jié)果如圖8所示，曲線B表示外加磁場(chǎng)與傳感器輸出磁場(chǎng)的關(guān)系，曲線C表示傳感器輸出磁場(chǎng)和外加磁場(chǎng)的差值與外加磁場(chǎng)的關(guān)系。

圖8　外部磁場(chǎng)與傳感器輸出磁場(chǎng)關(guān)系Fig 8　Relationship between external magnetic fieldand output magnetic field of sensor

傳感器的工作范圍為-61 750.8～73 774.8 nT；傳感器輸出磁場(chǎng)與螺線管線圈最大差值為2.45 nT。

4結(jié)論

本文以非晶絲為敏感材料，設(shè)計(jì)了一種數(shù)字補(bǔ)償式巨磁阻抗傳感器，極大程度地?cái)U(kuò)展了巨磁阻抗傳感器的量程，解決了巨磁阻抗傳感器量程小的問(wèn)題，使其可以在地磁環(huán)境下應(yīng)用。和反饋法擴(kuò)大巨磁阻抗傳感器量程的方法相比，該方法不減小傳感器的靈敏度，不受反饋深度等因素的影響。實(shí)驗(yàn)表明：采用數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)的巨磁阻抗傳感器靈敏度為71.133 μV/nT,在61750.8～73774.8 nT范圍內(nèi)，磁場(chǎng)最大誤差為2.45 nT。該裝置工作穩(wěn)定，輸出磁場(chǎng)可靠，為磁場(chǎng)測(cè)量提供了一條新思路，有望應(yīng)用于磁探測(cè)和磁定位領(lǐng)域。

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Design of digital compensation type giant magneto impedance sensor

YANG Zhi-cheng, CHE Zhen

(710 Research Institute,China Shipbuilding Industry Corporation,Yichang 443003,China)

Abstract:To detect weak magnetic signal under geomagnetic field,geomagnetic sensor that have characteristics of high sensitivity and wide operating range should be used，amorphous wire that has characteristic of high impedance variation rate in high frequency alternating current excitation is suitably used as magnetic sensor.But region of amorphous wire is too short to completely cover range of geomagnetic field,digital compensation technology can be used to compensate most of geomagnetic field,the sensor can work in the linear region of the amorphous wire,sensitivity of the sensor can be improved and working range can be extended.Through the test,the sensitivity of the sensor that using the digital compensation technology is 71.33 μV/nT,the working range is -61 750.8 nT～73 774.8 nT and the maximum error of the detected magnetic field is 2.45 nT.

Key words:digital compensation; giant magneto impedance(GMI); geomagnetic sensor; amorphous wire;sensitivity;module

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0100—03

收稿日期：2015—04—29

中圖分類(lèi)號(hào)：TJ 02

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1000—9787(2016)02—0100—03

作者簡(jiǎn)介:

楊志成(1991-)，男，河南許昌人，碩士研究生，研究方向?yàn)榈卮艂鞲衅髋c微弱信號(hào)處理。