葛麗麗，任瓊英，趙華,2

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面向空間應(yīng)用的高精度磁阻磁強計設(shè)計及性能測試

葛麗麗1，任瓊英1，趙華1,2

（1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；2. 三峽大學(xué)理學(xué)院，宜昌 443002）

文章基于磁阻磁強計的工作原理，提出了高精度磁阻磁強計三分量探頭和電子電路設(shè)計方案：改進磁強計三分量探頭結(jié)構(gòu)，以消除三分量磁疇間的相互干擾所引起的測量誤差；采用交流耦合和閉環(huán)控制工作模式，以消除磁疇排列紊亂帶來的影響，穩(wěn)定磁強計的工作狀態(tài)。關(guān)鍵性能指標的測試結(jié)果表明，磁阻磁強計在1Hz點處的頻譜噪聲達到38 pT/，其噪聲性能顯著提高。另外，該磁阻磁強計采用微型化結(jié)構(gòu)設(shè)計，便于安裝，滿足微小衛(wèi)星的空間磁場探測的需求。

磁阻磁強計；探頭設(shè)計；電路設(shè)計；閉環(huán)測量；FPGA；A/D轉(zhuǎn)換

0 引言

用于空間磁場探測的磁強計主要有光泵磁強計、質(zhì)子旋進磁強計、磁通門磁強計和磁阻磁強計[1-6]。其中，磁阻磁強計廣泛應(yīng)用于地磁探測、地磁導(dǎo)航、車輛檢測和井探等領(lǐng)域，而若用于空間磁場探測則需要更高的磁場測量精度。

磁阻磁強計因其結(jié)構(gòu)小巧而更適合微小衛(wèi)星的搭載。2012年，倫敦帝國理工學(xué)院的布萊克特實驗室研發(fā)的磁阻磁強計搭載在質(zhì)量小于3kg的TRIO-CINEMA微小衛(wèi)星上[7]。但國內(nèi)到目前為止還沒有搭載磁阻磁強計進行空間磁場探測的報道。

一般情況下，磁阻磁強計的設(shè)計大多采用開環(huán)工作模式，而且沒有考慮外界強磁場對磁強計三分量探頭帶來的磁疇排列紊亂的影響[8-10]，這不利于其工作狀態(tài)的穩(wěn)定和測量精度的提高；對于構(gòu)建磁強計三分量探頭的3個磁阻型傳感器因近距離排列而引起磁疇之間的相互影響更是未被給予充分關(guān)注[11-12]。

本文提出高精度磁阻磁強計的三分量探頭及電路設(shè)計方案，包括：改進磁強計三分量探頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以消除三分量磁疇間相互干擾所引起的測量誤差；利用激勵電路消除磁疇排列紊亂帶來的影響，并采用閉環(huán)工作模式，穩(wěn)定磁強計的工作狀態(tài)。最后對該磁阻磁強計的關(guān)鍵指標進行測試。

1 磁阻磁強計設(shè)計

磁阻磁強計主要由磁強計三分量探頭和電子電路組成（如圖1所示）。

圖1 磁阻磁強計總體框圖

電子電路包含激勵電路、模擬信號處理電路以及數(shù)控電路。其中激勵電路的作用是持續(xù)置位/復(fù)位磁阻型傳感器的磁疇排列狀態(tài)；模擬信號處理電路對磁強計三分量探頭輸出的感應(yīng)電壓信號進行放大、濾波等處理；數(shù)控電路實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換以及磁場數(shù)據(jù)的傳輸?shù)?。磁強計三分量探頭和電子電路之間相互獨立，通過雙層屏蔽電纜實現(xiàn)通信連接。

1.1 磁強計三分量探頭

磁阻型傳感器的工作原理是利用各向異性磁電阻效應(yīng)，即：外界磁場的作用使磁性材料的磁化方向和電流方向的夾角發(fā)生改變，導(dǎo)致其電阻值以及兩端的輸出電壓發(fā)生變化。因此，通過測量電壓大小即可得到外界磁場的大小[13-14]。為了測量磁場矢量信號，設(shè)計了磁強計三分量探頭，它由3個磁阻型傳感器組成。磁強計三分量探頭的實際尺寸約為45mm×20mm×10mm，質(zhì)量小于20g。

為了提高磁阻磁強計的測量精度，對其三分量探頭作了兩項改進：一是設(shè)計了可篩選出噪聲性能優(yōu)良的磁阻型傳感器的篩選器；二是進行微型化設(shè)計，使3個軸向的磁阻型傳感器安裝位置盡量相互靠近。為了避免三分量探頭磁疇間相互干擾，特別設(shè)計了安裝骨架使它們的磁疇中心對齊。

1.2 激勵電路

由于磁阻型傳感器的磁疇排列極易受到外界強磁場的影響而導(dǎo)致排列紊亂，所以設(shè)計了激勵電路（如圖2所示），其作用是產(chǎn)生持續(xù)的置位/復(fù)位信號，使磁疇周期地處于整齊的正向/逆向排序，進而使磁阻型傳感器工作在交流耦合的模式下，以消除外界強磁場引起的磁疇排列紊亂。激勵電路設(shè)計原理是：首先將電壓脈沖信號經(jīng)放大電路放大，再轉(zhuǎn)換為所需要的置位/復(fù)位脈沖信號；采用串聯(lián)模式使該信號依次流經(jīng)3個磁阻型傳感器的置位/復(fù)位電流帶（S/R strap），從而對3個磁阻型傳感器進行激勵。串聯(lián)模式既簡化了電路，又降低了功耗。

1.3 模擬信號處理電路

模擬信號處理電路邏輯框圖如圖3所示。在激勵電路的作用下，磁強計三分量探頭探測的分量輸出均為與激勵信號同頻的微弱交流信號，經(jīng)過前級放大和交流耦合后，通過相敏解調(diào)電路將交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號并進行積分運算；并采用閉環(huán)控制的工作模式，將積分輸出的電壓信號通過U/I轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為電流信號反饋到磁強計三分量探頭端的offset電流帶組成反饋環(huán)路；積分電路的電壓信號通過低通濾波后輸出。模擬電路的設(shè)計作用在于：采用交流耦合和閉環(huán)控制工作模式，提高磁強計的靈敏度和分辨率，穩(wěn)定磁強計工作狀態(tài)。

1.4 數(shù)控電路

數(shù)控電路通過FPGA實現(xiàn)對ADC和RS422的控制。如圖4所示，模擬信號輸入到ADC并由ADC完成A/D轉(zhuǎn)換，一并與串行輸出數(shù)據(jù)輸出給FPGA；FPGA作為系統(tǒng)的核心控制模塊，實現(xiàn)ADC寄存器配置、串行數(shù)據(jù)接收、串/并轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲、RS422串口通信等控制；而RS422完成串口通信，輸出數(shù)字信號。

圖2 激勵電路

圖3 三分量磁阻磁強計模擬信號處理電路框圖

圖4 數(shù)控電路設(shè)計框圖

2 配套測試軟件

配套測試軟件的功能主要有：1）以數(shù)字形式實時顯示測量數(shù)據(jù)；2）以“.txt”格式存儲數(shù)據(jù)；3）實時繪制數(shù)據(jù)的動態(tài)曲線。軟件的界面如圖5所示。

圖5 測試軟件界面

3 測試實驗與結(jié)果分析

為了進行性能測試分析，對研制的磁阻磁強計樣機進行了測試實驗。

3.1 線性度測試

線性度是指輸入輸出曲線與理想直線的偏離程度[15]。圖6(a)中“×”所表示的數(shù)據(jù)點為實測數(shù)據(jù)點，藍色直線為數(shù)據(jù)擬合結(jié)果。計算線性誤差如圖6(b)所示，由圖可知，線性度誤差小于0.012%（量程為±65000nT）。

(a) 實測數(shù)據(jù)

(b) 線性誤差

圖6 線性度測試結(jié)果及誤差分析

Fig. 6 Linearity test results and error analysis

3.2 頻率響應(yīng)測試

磁強計主要用于測量磁場的直流量和低頻交流量，因此它的頻率響應(yīng)特性也需要測試分析。計算頻率響應(yīng)帶寬時通常以信號衰減到-3dB的頻率作為信號響應(yīng)頻率范圍的邊界[15-16]。圖7為測試的頻率響應(yīng)曲線?？梢钥闯?3dB時的頻率大致為12Hz，因此該磁阻磁強計的頻率響應(yīng)帶寬為0～12Hz。

圖7 頻率響應(yīng)測試曲線

3.3 噪聲測試

噪聲水平是磁強計重要的評價指標。1Hz處頻譜噪聲表明，信號在1Hz處的頻譜密度與采樣寬度和采樣時間都無關(guān)，故可用于不同磁強計的比較[15]。利用Welch法對所研制的磁阻磁強計的采樣數(shù)據(jù)進行譜估計分析，將頻譜分析的結(jié)果歸一化處理，得到噪聲的頻譜分布如圖8(a)所示，并計算出1Hz處頻譜噪聲為38pT/。圖8(b)[7]中的黑色曲線為搭載在TRIO-CINEMA小衛(wèi)星上的磁阻磁強計的頻譜曲線，可看出其1Hz處頻譜噪聲為90pT/。對比圖8(a)和(b)紅色和黑色2條曲線可知，與TRIO-CINEMA上搭載的磁阻磁強計相比，本文設(shè)計的磁阻磁強計的頻譜噪聲性能更優(yōu)。

(a) 本文設(shè)計的磁阻磁強計

(b) TRIO-CINEMA上搭載的磁阻磁強計

圖8 磁阻磁強計的噪聲功率譜密度對比

Fig. 8 Comparison of power spectral density of two magnetoresistive magnetometers

3.4 測試結(jié)果

本文設(shè)計研制的磁阻磁強計的實際測試性能參數(shù)見表1。可見，該磁阻磁強計噪聲性能優(yōu)良，測量精度高。

表1 磁阻磁強計實際性能參數(shù)

4 結(jié)束語

本文主要介紹了磁阻磁強計的設(shè)計和原理樣機的測試實驗。測試結(jié)果表明，該磁阻磁強計在1Hz點處噪聲值優(yōu)于TRIO-CINEMA上搭載的磁阻磁強計的值。另外，本文的磁阻磁強計三分量探頭采用微型化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，更便于安裝，特別是當(dāng)采用多個磁強計三分量探頭進行梯度測量時，可以節(jié)省空間和重量，因此非常適合空間磁場探測尤其是微小衛(wèi)星磁場探測的需求。

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（編輯：許京媛）

Design and performance test of high-precision magnetoresistive magnetometer for space applications

GE Lili1, REN Qiongying1, ZHAO Hua1,2

(1. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China;2. College of Science, China Three Gorges University, Yichang 443002, China )

Based on the working principle of the magnetometer, a new magnetoresistive magnetometer is designed for improving its noise performance, with improved magnetometer probe structure and the mode of AC-coupled and closed loop to eliminate the impact of the randomly oriented magnetic domains and to stabilize circuit working state. The test results for the key performance show that the noise power spectral density at 1Hz is 38pT/. In addition, the magnetoresistive magnetometer has a small size and a light weight, so it is easy to install, and it can especially meet the requirements of small satellites.

magneto-resistive magnetometer; probe design; circuit design; closed-loop measurement; FPGA; A/D convertion

TP212.1+3 ; V419+.9

A

1673-1379(2017)02-0166-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.02.010

2016-06-01；

2017-02-23

葛麗麗（1982—），女，碩士學(xué)位，主要從事磁場探測儀器的設(shè)計與研制。E-mail: gelili_01@163.com。

http://www.bisee.ac.cn

E-mail: htqhjgc@126.com

Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544