張 憶 望 翔齊侃侃 郭 濤

（1.宜昌測試技術(shù)研究所 宜昌 443000）（2.北京宇航系統(tǒng)工程研究院 北京 100076）

1 引言

磁通門磁強計是利用軟磁材料磁化飽和時的非線性特性工作的一種弱磁場測量傳感器，具有測量范圍寬、分辨率高、結(jié)構(gòu)簡單、可靠、經(jīng)濟(jì)、能夠直接測量磁場的分量和適于在速運動系統(tǒng)中使用等特點，可廣泛應(yīng)用于地磁探測、地磁導(dǎo)航、地質(zhì)探礦、無損探傷以及空間環(huán)境探測等領(lǐng)域［1～2］。

本文設(shè)計了一種寬頻響低噪聲磁通門磁強計，首先對磁探頭的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行研究，通過Maxwell與Simplorer的電磁聯(lián)合仿真功能對磁探頭進(jìn)行了優(yōu)化，確定了磁探頭的參數(shù)；然后對磁強計的磁通門電路設(shè)計、主控制器電路設(shè)計、軟件功能和軟件流程進(jìn)行了介紹；最后分析了影響頻率響應(yīng)范圍和磁場噪聲的因素，通過優(yōu)化參數(shù)制造出樣機，并在計量站實驗室里進(jìn)行了測試，對測試結(jié)果的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析計算，驗證了磁強計的性能指標(biāo)，滿足寬頻響和低噪聲的技術(shù)要求。

2 探頭設(shè)計

2.1 探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

磁通門磁強計的磁探頭采用分離式的形式，使磁探頭與含有電路和顯示屏的機箱分開，減少其對磁探頭的影響。磁探頭采用立方體結(jié)構(gòu)，是由三個小探頭組成的一個三軸探頭，其布置的位置影響正交度的大小。單個磁探頭由磁芯材料、激勵線圈、感應(yīng)線圈、骨架組成［3］。圖1所示的雙磁芯磁探頭結(jié)構(gòu)中，1、2號端口用來接入激勵信號。3、4號端口為感應(yīng)信號輸出。上下兩磁芯分別饒有匝數(shù)為N1的激勵線圈，感應(yīng)線圈的匝數(shù)為N2。磁芯材料水平置于骨架材料上。在交變激勵信號f1的磁化作用下，磁芯的導(dǎo)磁特性發(fā)生周期性飽和與非飽和的變化，從而使圍繞在磁芯上的感應(yīng)線圈感應(yīng)出反映外界磁場的信號［4～7］。

圖1 磁探頭的原理圖

2.2 探頭參數(shù)設(shè)計

磁探頭組成的物理參數(shù)首先是通過理論計算推導(dǎo)，然后利用Maxwell與Simplorer的電磁聯(lián)合仿真功能，分析了磁通門探頭在外部磁場環(huán)境中的瞬態(tài)響應(yīng)過程，最后確定了探頭的參數(shù)［8～9］。磁芯采用2mm寬，30um厚，18mm長的帶狀（長方體）坡莫合金，間隔1mm；激勵線圈螺線管長18mm，采用漆包線繞制3層；感應(yīng)線圈螺線管長18mm，采用漆包線繞制10層，磁芯內(nèi)部磁感應(yīng)強度分布仿真結(jié)果如圖2所示［10］。

圖2 磁芯內(nèi)部磁感應(yīng)強度分布云圖

3 電路設(shè)計

3.1 磁通門電路設(shè)計

磁通門傳感器的處理電路一般分為兩個部分，包括激勵電路和信號調(diào)理電路，如圖3所示。激勵電路中，晶振產(chǎn)生的方波信號通過分頻器得到激勵信號源，但此時信號不能直接用以激勵探頭，需要經(jīng)過功率放大模塊激勵磁通門激勵線圈，使磁通門探頭輸出感應(yīng)信號。信號調(diào)理電路中，磁通門探頭的輸出信號十分微弱，需要經(jīng)過前置放大；經(jīng)放大后的信號噪聲也相應(yīng)被放大，此時需要進(jìn)行濾波，剔除輸出信號中的噪聲。用激勵信號的倍頻作為相敏檢波參考信號，對濾波之后的磁通門探頭感應(yīng)信號檢波。檢波后的信號經(jīng)積分電路和反饋電路構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，得到磁通門輸出信號，該信號與磁場的大小呈正相關(guān)［11～12］。

圖3 磁通門電路示意圖

3.2 主控制器電路設(shè)計

主控制器的電路包括電源模塊、控制處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)碼管驅(qū)動模塊、數(shù)碼管顯示模塊、通信模塊和端子接口等，電路組成和原理如下圖4和5所示［13～14］。電源模塊主要是把輸入的12V電壓轉(zhuǎn)換為需要的2.5V、3.3V和5V電壓，供電給各個不同的模塊；控制處理模塊采用STM32F103RBT6芯片，主要功能包括采集AC模式下的三軸磁通門數(shù)據(jù)、采集數(shù)據(jù)計算處理、磁通門數(shù)據(jù)輸出、數(shù)碼管驅(qū)動與更新、傳感器參數(shù)數(shù)據(jù)輸入和與上位機通信等功能；數(shù)據(jù)采集模塊采用AD7734芯片，主要功能是采集DC模式下的三軸磁通門數(shù)據(jù)；數(shù)碼管驅(qū)動模塊主要功能為動態(tài)驅(qū)動LED數(shù)碼管顯示器發(fā)光；數(shù)碼管顯示模塊采用直插式四位LED數(shù)碼顯示器，主要是對磁通門磁強計的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示；通信模塊是控制處理模塊與上位機之間數(shù)據(jù)交互的中間轉(zhuǎn)換站；端子接口主要包括電源輸入接口、與磁通門電路數(shù)據(jù)輸出的接口、與上位機通信接口、按鍵輸入接口以及程序仿真下載接口。

圖4 主控制器的電路組成框圖

4 軟件設(shè)計

4.1 軟件功能

磁通門磁強計軟件的功能單元包括系統(tǒng)初始化單元、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)顯示單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和按鍵處理單元，功能如圖6所示。系統(tǒng)初始化單元對單片機、外設(shè)和磁通門初始參數(shù)進(jìn)行初始化，數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行磁通門的磁傳感數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理單元對磁通門的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)顯示單元對磁通門的處理數(shù)據(jù)進(jìn)行LED顯示，數(shù)據(jù)傳輸單元對磁通門的處理數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出以及磁通門的初始參數(shù)進(jìn)行輸入，按鍵處理單元對磁強計的按鍵進(jìn)行處理。

圖5 主控制器電路原理圖

圖6 磁通門磁強計軟件功能框圖

4.2 軟件流程

磁通門磁強計的軟件流程如圖7所示［15］。軟件分為DC與AC兩種模式，DC模式采用AD7734進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，AC模式采用單片機自帶的ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。軟件在DC模式下運行時，每10ms采集一次數(shù)據(jù)，采集10次后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理后的數(shù)據(jù)每100ms進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出，每500ms在LED數(shù)碼顯示器上進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示；軟件在AC模式下運行時，每次采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和計算，每10ms把計算后的90次數(shù)據(jù)進(jìn)行打包輸出，可以達(dá)到9K的采樣率，每500ms在LED數(shù)碼顯示器上進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。

圖7 磁通門磁強計軟件流程圖

5 實驗分析與測試結(jié)果

在磁通門磁強計系統(tǒng)中，為了找到影響磁強計頻率響應(yīng)范圍的主要來源，通過對不同影響因素的磁探頭物理參數(shù)與激勵電路參數(shù)進(jìn)行對比測試分析，分析得到反饋時間常數(shù)是影響頻率響應(yīng)范圍的最主要因素。從式（1）可以看到，影響反饋時間常數(shù)的主要因素是磁芯材料磁導(dǎo)率、磁芯橫截面積、反饋線圈匝數(shù)及反饋系數(shù)。

式中：TF為反饋時間常數(shù)；μ為磁芯材料磁導(dǎo)率；S為磁芯材料橫截面積；Wf為反饋線圈匝數(shù)；l為探頭有效長度；R為感應(yīng)線圈的電阻；Rf為反饋電阻；F為反饋系數(shù)。

在磁通門磁強計系統(tǒng)中，影響磁通門磁強計磁場噪聲的因素可以概括為以下三個方面：一是由于雙磁芯探頭結(jié)構(gòu)中上下兩磁芯結(jié)構(gòu)參數(shù)和電磁參數(shù)的不一致，引起了檢測線圈輸出信號中的差動變壓器效應(yīng)，導(dǎo)致了基次和三次諧波噪聲；二是由于磁芯材料本身巴克豪森效應(yīng)帶來的噪聲；三是來源于激勵信號源和電路本身的二次諧波噪聲信號。

本文主要從反饋系數(shù)出發(fā)，通過優(yōu)化反饋電阻與積分電容，微調(diào)磁通門磁強計帶寬；以及通過對磁探頭參數(shù)、匹配電路設(shè)計和芯片噪聲進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到了寬頻響和低噪聲的指標(biāo)要求，設(shè)計的磁通門磁強計在國防科技工業(yè)弱磁一級計量站實驗室里進(jìn)行了測試，如圖8所示。

圖8 磁通門磁強計測試圖

磁通門磁強計的頻率響應(yīng)范圍和噪聲測試結(jié)果如表1和2所示，分析表1數(shù)據(jù)可以得到，X軸頻率響應(yīng)3kHz處輸出電壓值衰減為2.810dB，Y軸頻率響應(yīng)3kHz處輸出電壓值衰減為2.839dB，Z軸頻率響應(yīng)3kHz處輸出電壓值衰減為2.815dB；分析表2數(shù)據(jù)可以得到，X軸磁場噪聲為8.5pT/Hz1/2@1Hz，Y軸磁場噪聲為8.2pT/Hz1/2@1Hz，Z軸磁場噪聲為8.2pT/Hz1/2@1Hz。

表1 頻率響應(yīng)范圍測試結(jié)果

表2 磁場噪聲測試結(jié)果

6 結(jié)語

本文設(shè)計了一種寬頻響低噪聲磁通門磁強計，對磁探頭進(jìn)行仿真優(yōu)化，得出了最優(yōu)的參數(shù)和結(jié)構(gòu)，以及對電路設(shè)計和軟件設(shè)計進(jìn)行了介紹，并分析了影響頻率響應(yīng)范圍和磁場噪聲的因素，通過優(yōu)化相應(yīng)影響因素的參數(shù)制造出樣機，最后在計量站實驗室里進(jìn)行了測試。實驗室測試數(shù)據(jù)表明，磁通門磁強計頻率響應(yīng)可以達(dá)到DC～3kHz（3dB），磁場噪聲不大于10pT/Hz1/2@1Hz，滿足了頻率響應(yīng)范圍寬和磁場噪聲低的技術(shù)要求，為后續(xù)的磁通門磁強計設(shè)計提供了參考。