中國(guó)人民解放軍第五七一五工廠，河南洛陽(yáng) 471000

一、引言

弱磁傳感器是磁場(chǎng)探測(cè)的核心元件，可應(yīng)用于磁開(kāi)關(guān)、微電流檢測(cè)和無(wú)損探傷等領(lǐng)域，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣泛。

現(xiàn)有弱磁傳感器雖然靈敏度高，但存在動(dòng)態(tài)范圍小、容易飽和等缺點(diǎn)。鑒于此現(xiàn)狀，以軟磁材料[1]為電感磁芯，應(yīng)用其高磁導(dǎo)率特點(diǎn)，輔之自動(dòng)積分式反饋補(bǔ)償電路，開(kāi)發(fā)出高靈敏度、大動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍磁場(chǎng)傳感器，測(cè)試靈敏度可達(dá)40mV/Gs以上，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍能夠大至250Gs以上，使其在磁傳感器領(lǐng)域獨(dú)樹(shù)一幟。

二、總體設(shè)計(jì)

弱磁傳感器由磁感應(yīng)探頭、振蕩器、鑒頻器、積分器和驅(qū)動(dòng)器組成，如圖1所示。

磁感應(yīng)探頭由雙電感構(gòu)成，分別接入LC振蕩器和驅(qū)動(dòng)器。傳感器上電后，積分器開(kāi)始正向積分驅(qū)動(dòng)磁化電感并促使磁感應(yīng)電感進(jìn)入敏感區(qū)域，此時(shí)，振蕩器開(kāi)始工作，隨著振蕩器頻率穩(wěn)步升高，鑒頻電壓也不斷上升，當(dāng)積分運(yùn)放正反相端電壓相等時(shí)，傳感器進(jìn)入動(dòng)態(tài)平衡，當(dāng)外部磁場(chǎng)變化時(shí)，傳感器會(huì)進(jìn)入新的平衡狀態(tài)，而積分器輸出的電壓差值ΔU就是變化磁場(chǎng)差值ΔH。

1、磁感應(yīng)探頭設(shè)計(jì)

磁感應(yīng)探頭中的雙電感分別稱(chēng)為磁感應(yīng)電感和磁化電感[2]，磁感應(yīng)電感能夠感應(yīng)外部磁場(chǎng)變化，其電感值隨外部磁場(chǎng)變化而變化，探頭依靠其材料的特性及相關(guān)結(jié)構(gòu)來(lái)保證其對(duì)外部磁場(chǎng)的感應(yīng)特性。

磁感應(yīng)電感和磁化電感為同型結(jié)構(gòu)，均由內(nèi)部軟磁材料磁芯和外部漆包線(xiàn)圈組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中，磁感應(yīng)電感與磁化電感軸心平行，軸心間距4mm±0.5mm，軟磁材料比重為1:70，漆包線(xiàn)徑為0.15mm，單位體積內(nèi)漆包線(xiàn)圈匝數(shù)比為1:5。此種結(jié)構(gòu)既能保證磁感應(yīng)電感磁芯均勻磁化，又能保證磁感應(yīng)電感對(duì)磁化電感的互感影響降到可控范圍之內(nèi)。

軟磁材料具有以下特點(diǎn)：高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、高磁導(dǎo)率、低矯頑力、低損耗、良好的溫度穩(wěn)定性和時(shí)效穩(wěn)定性，將其制作成電感后，其電感值為：

式中，μ—軟磁材料磁導(dǎo)率；

n—漆包線(xiàn)圈單位長(zhǎng)度匝數(shù)；

τ—電感體積。

對(duì)于一個(gè)n和τ值已經(jīng)確定的電感，磁導(dǎo)率μ則是影響其電感值的唯一參數(shù)。而μ作為一個(gè)變化量，它將受到與軸向方向一致的磁場(chǎng)強(qiáng)度控制，所以改變電感值可以通過(guò)改變軟磁材料磁導(dǎo)率μ值獲得，磁導(dǎo)率μ為軟磁材料磁感應(yīng)強(qiáng)度B和外部磁場(chǎng)強(qiáng)度H的比值，即：

磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場(chǎng)強(qiáng)度H關(guān)系圖[1]如圖3所示。

圖3中，軟磁材料磁化曲線(xiàn)包含兩個(gè)區(qū)域，分別為動(dòng)態(tài)區(qū)和飽和區(qū)。在動(dòng)態(tài)區(qū)內(nèi)，B會(huì)隨著H變化而同向變化，在飽和區(qū)內(nèi)，無(wú)論H如何變化，B基本保持不變，趨于定值。磁化曲線(xiàn)上各點(diǎn)處切線(xiàn)斜率為該點(diǎn)磁導(dǎo)率μ的變化率，μ變化顯著的區(qū)域稱(chēng)為敏感區(qū)域，我們就利用軟磁材料在該區(qū)域的特性制作磁感應(yīng)電感。

將軟磁材料磁芯磁化至敏感區(qū)域是傳感器工作的必要先決條件。為使其磁化穩(wěn)定、均勻，這就要求外界磁場(chǎng)方向必須與磁感應(yīng)電感軸向方向一致。為滿(mǎn)足上述要求，故磁感應(yīng)探頭設(shè)計(jì)有磁化電感，以保證磁感應(yīng)電感敏感特性。

2、振蕩器[3]電路設(shè)計(jì)

振蕩器電路采用LC振蕩電路，工作在高頻狀態(tài)下（＞1MHz），接入了磁感應(yīng)電感的振蕩器作為弱磁傳感器的一部分，是感應(yīng)外部磁場(chǎng)變化的接收組件，磁感應(yīng)電感和電容一同構(gòu)成LC振蕩器的反饋網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)，磁感應(yīng)電感擔(dān)負(fù)著磁場(chǎng)敏感元件的角色，在外部磁場(chǎng)的作用下，振蕩器輸出振蕩信號(hào)頻率大小與磁感應(yīng)電感軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度同步一致。振蕩器電路原理圖如圖4所示。

從圖4看到，該振蕩器為電容三點(diǎn)式LC振蕩器，也叫考爾比茲振蕩器。振蕩器反饋電壓取自C9，故振蕩器高頻諧波分量小，輸出波形較好，這也是選擇此種結(jié)構(gòu)電路的原因。

振蕩器工作在最佳狀態(tài)是保證弱磁傳感器穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一，要求振蕩器輸出振蕩信號(hào)幅度穩(wěn)定，頻帶寬，線(xiàn)性度好，所以必須合理配置硬件參數(shù)，在設(shè)計(jì)初期，設(shè)計(jì)人員通過(guò)理論計(jì)算初步確定振蕩器各元器件量值和振蕩器工作參數(shù)。在調(diào)試階段，又通過(guò)對(duì)關(guān)鍵器件量值進(jìn)行微調(diào)整使振蕩器工作在最佳狀態(tài)。

3、鑒頻電路設(shè)計(jì)

為從調(diào)頻信號(hào)中解調(diào)出與磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)有單失諧回路斜率鑒頻電路[3]，該電路采用三極管共射放大、諧振選頻、二極管包絡(luò)檢波方式實(shí)現(xiàn)。電路原理圖如圖5所示。

圖5中，“fosc”為振蕩器輸出信號(hào)，“Vout”為鑒頻輸出信號(hào)。單失諧回路斜率鑒頻器由LC諧振放大器和二極管檢波電路組成。調(diào)試時(shí)，將諧振放大電路[4]的諧振頻率調(diào)試到fc+Δfm，其中fc為振蕩器中心頻率。

4、積分電路和驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

磁化電感控制電路原理圖如圖6所示。

積分器[4]是用來(lái)平衡外部磁場(chǎng)的核心組件，運(yùn)放的正反相端電壓相等時(shí)傳感器處在動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，當(dāng)外部磁場(chǎng)增大時(shí)，積分器反向積分，通過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)器減小磁化電感電流，使積分器再次進(jìn)入平衡狀態(tài)。當(dāng)外部磁場(chǎng)減小時(shí)，積分器正向積分，通過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)器增大磁化電感電流，使積分器再次進(jìn)入平衡狀態(tài)。

三、性能驗(yàn)證

將組裝調(diào)試好的傳感器探頭水平放置，磁感應(yīng)探頭東西朝向，如圖7所示。

四、結(jié)論

應(yīng)用軟磁材料，設(shè)計(jì)出一種反饋式自平衡弱磁傳感器，該型弱磁傳感器性能可靠，線(xiàn)性度好，靈敏度高，最大優(yōu)勢(shì)是動(dòng)態(tài)范圍大，可批量生產(chǎn)應(yīng)用，為新型傳感器開(kāi)拓了一片新的技術(shù)領(lǐng)域。