葛翰林,張一鳴,張晨浩,周佳琦
(北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部,北京 100124)
傳感器一般用于檢測(cè)來(lái)自環(huán)境中的某種信息并將其按照一定規(guī)律變換成電信號(hào)或者其他形式的信號(hào)輸出[1]。磁通門傳感器因測(cè)量精度高、體積小、測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在低頻微弱磁場(chǎng)測(cè)量[2]。
高溫磁通門傳感器作為地下幾何導(dǎo)向高溫傳感器的重要組成部分[3],主要用來(lái)測(cè)量方向,通過(guò)與地磁場(chǎng)模型匹配,進(jìn)行地理方位的轉(zhuǎn)換,從而獲得鉆頭方位角的傾角,是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向測(cè)井的主要傳感器之一[4]。
磁通門處理電路通常可分為模擬式和數(shù)字式兩類,傳統(tǒng)的模擬式磁通門傳感器存在易受電磁和溫度等其他方面的影響,且電路難以集成等缺點(diǎn)[5]。因此磁通門處理電路多采用數(shù)字類型[6],目前應(yīng)用較為廣泛的數(shù)字電路核心處理器為ARM、DSP、FPGA等[7]。
高溫磁通門在設(shè)計(jì)時(shí)存在高溫器件性能損失、磁芯磁導(dǎo)率調(diào)制困難、電路尺寸與選型受限等技術(shù)難點(diǎn)。本文根據(jù)環(huán)形磁芯結(jié)構(gòu)探頭進(jìn)行建模分析,描述了基于SM320F28335GBS芯片作為主控單元的磁通門數(shù)字化電子學(xué)單元的實(shí)現(xiàn),并配合磁通門探頭完成了175 ℃高溫環(huán)境下的磁場(chǎng)測(cè)量。
磁通門探頭的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)模型有單磁芯型、雙磁芯型、跑道型、環(huán)形等[8],其中環(huán)形磁芯結(jié)構(gòu)如圖1所示[9]。它主要由磁芯、激勵(lì)線圈、感應(yīng)線圈、反饋線圈、骨架等組成[10]。
圖1 環(huán)形磁芯探頭結(jié)構(gòu)示意圖
本設(shè)計(jì)采用環(huán)形磁芯結(jié)構(gòu)使激勵(lì)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互抵消,從而在感應(yīng)線圈中僅存在包含外界環(huán)境磁場(chǎng)的信號(hào),避免了因變壓器效應(yīng)產(chǎn)生的噪聲干擾。
磁通門傳感器是利用軟磁材料在深度飽和后磁導(dǎo)率的非線性特性實(shí)現(xiàn)外界微弱矢量磁場(chǎng)的測(cè)量[11]。地球靜磁場(chǎng)的測(cè)量需依靠磁性材料磁滯現(xiàn)象,所以需要額外增加磁芯勵(lì)磁信號(hào),使得磁芯能夠處于周期性深度飽和狀態(tài),將被測(cè)靜磁場(chǎng)調(diào)制為感應(yīng)電信號(hào),形成磁通門效應(yīng)。將環(huán)形結(jié)構(gòu)近似為雙磁芯型結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析并根據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁導(dǎo)率、磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系可知,磁芯處的磁感應(yīng)強(qiáng)度由兩磁芯上的磁感應(yīng)強(qiáng)度疊加而成,表達(dá)式為
B=B1+B2
=μ1(H0+Hmcosωt)+μ2(H0-Hmcosωt)
(1)
式中:ω為激勵(lì)信號(hào)頻率;Hmcosωt為激勵(lì)磁場(chǎng)在磁芯中產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度;H0為被測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度;μ1和μ2分別為兩等效磁芯的磁導(dǎo)率。
若磁芯的橫截面積為S,則感應(yīng)線圈中的磁通量φ為
φ=BS
=S[μ1(H0+Hmcosωt)+μ2(H0-Hmcosωt)]
(2)
再將感應(yīng)線圈中的磁通量φ進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)可得:
(3)
式中Фnm為磁導(dǎo)率的諧波分量,可表示為
(4)
利用分部積分法和三角函數(shù)進(jìn)一步推導(dǎo)后,由法拉第電磁感應(yīng)定律可知調(diào)制的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為
(5)
式中W為感應(yīng)線圈匝數(shù)。
故線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值為
(6)
式中Hs為磁芯材料的飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度。
由于感應(yīng)信號(hào)中二次諧波分量的幅值最大且靈敏度較高,因此本設(shè)計(jì)采用提取二次諧波信號(hào)的方法來(lái)進(jìn)行算法設(shè)計(jì)。此時(shí),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的二次諧波分量可表示為
(7)
根據(jù)式(6)可得,環(huán)形磁芯型探頭結(jié)構(gòu)輸出的信號(hào)中僅包含被測(cè)磁場(chǎng)H0的偶次諧波分量,但由于磁芯的形狀及尺寸無(wú)法做到完全對(duì)稱以及巴克豪森效應(yīng)等其他因素的干擾,仍會(huì)給探頭的輸出信號(hào)帶來(lái)噪聲[12]。其中,感應(yīng)信號(hào)中基波和三次諧波分量是探頭輸出信號(hào)噪聲的主要來(lái)源,本設(shè)計(jì)采用數(shù)字相敏整流算法濾除感應(yīng)信號(hào)中除二次諧波分量外的其他諧波分量,并提取二次諧波分量表征此時(shí)的磁場(chǎng)信息。
相敏整流即依據(jù)相位基準(zhǔn)信號(hào)對(duì)感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行正負(fù)變換。具體實(shí)現(xiàn)方法為選取二次諧波分量的頻率f作為相敏信號(hào)的頻率,且該相敏信號(hào)在前半個(gè)周期內(nèi)的幅值為1,在后半個(gè)周期內(nèi)的幅值為-1,通過(guò)相敏信號(hào)與感應(yīng)信號(hào)的點(diǎn)乘操作,從而使得感應(yīng)信號(hào)中的二次諧波在前半個(gè)周期波形保持不變,而在后半個(gè)周期對(duì)其進(jìn)行反向,然后將處理后的采樣信號(hào)送入積分器進(jìn)行累加,再經(jīng)平滑濾波后得到此時(shí)被測(cè)磁場(chǎng)的信息。同理,相敏信號(hào)也會(huì)對(duì)其他諧波分量進(jìn)行正負(fù)變換,但由于其他分量與相敏信號(hào)的頻率不同,經(jīng)數(shù)字相敏整流算法處理后皆可被完全濾除。
經(jīng)過(guò)相敏整流和平滑濾波后的數(shù)字信號(hào)即可代表探頭所處環(huán)境磁場(chǎng)的信息,但由于存在零偏誤差和刻度因子的影響,使用反饋值表示的磁感應(yīng)強(qiáng)度需經(jīng)標(biāo)定才能解析為此時(shí)真實(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。
在高溫傳感器電路設(shè)計(jì)中,主控芯片采用SM320F28335GBS數(shù)字信號(hào)處理器,其最高工作溫度為+210 ℃,最大時(shí)鐘頻率為150 MHz,片上資源包括SPI、HRPWM、UART、I2C等,滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。磁通門傳感器系統(tǒng)包括環(huán)形磁通門探頭、DSP主控電路、激勵(lì)驅(qū)動(dòng)電路、感應(yīng)采樣電路、反饋電路以及通訊與接口電路等,具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 高溫磁通門傳感器結(jié)構(gòu)框圖
在硬件選型上均采用耐溫值大于175 ℃且滿足性能需求的芯片,包括DSP主控芯片、運(yùn)算放大器、ADC、DAC芯片等,對(duì)整個(gè)電路的耐高溫優(yōu)化設(shè)計(jì)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的磁通門傳感器無(wú)法工作在高溫環(huán)境下的缺陷。主控電路的主要功能是協(xié)調(diào)控制其他部分的電路,并負(fù)責(zé)產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)、芯片驅(qū)動(dòng)、對(duì)感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行處理分析、輸出反饋信號(hào)并與上位機(jī)通信等。整個(gè)系統(tǒng)采用數(shù)字化的處理方式可以提高系統(tǒng)整體抗干擾的能力,從而實(shí)現(xiàn)磁通門傳感器的更優(yōu)性能。
系統(tǒng)選用方波信號(hào)作為激勵(lì)源,激勵(lì)電路的主要作用是提供勵(lì)磁信號(hào),激勵(lì)線圈產(chǎn)生周期性變化磁場(chǎng),從而使得磁芯進(jìn)入周期性深度飽和狀態(tài)。由于DSP芯片的I/O接口驅(qū)動(dòng)功率較低,直接輸入到激勵(lì)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)磁芯進(jìn)入飽和狀態(tài),所以本設(shè)計(jì)將DSP主控輸出的2路互補(bǔ)方波信號(hào)經(jīng)一級(jí)CHT-SNMOS80耐高溫MOS管功率放大器提高輸出功率。激勵(lì)電路的工作流程是由DSP主控芯片通過(guò)GPIO端口輸出頻率相同、占空比為50%且相位相差180°的方波信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)的頻率源,再將經(jīng)過(guò)MOS管放大后的信號(hào)施加至激勵(lì)線圈。激勵(lì)電路與激勵(lì)線圈的良好匹配可以顯著提高激勵(lì)效率,降低電路功耗。設(shè)計(jì)采用對(duì)稱式激勵(lì)電路,可降低激勵(lì)電信號(hào)噪聲干擾,驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖3所示。
圖3 驅(qū)動(dòng)電路示意圖
高溫磁通門傳感器的感應(yīng)電路主要由諧振選頻、差分放大、信號(hào)轉(zhuǎn)換、ADC采樣等組成。感應(yīng)電路的主要作用是將感應(yīng)線圈輸出的信號(hào)進(jìn)行處理,流程如圖4所示。
圖4 感應(yīng)電路示意圖
由于磁通門傳感器探頭的感應(yīng)線圈實(shí)質(zhì)上仍是電感,輸出阻抗主要表現(xiàn)為感性,所以設(shè)置與感應(yīng)線圈并聯(lián)的電容以組成諧振網(wǎng)絡(luò),提取感應(yīng)信號(hào)中的二次諧波分量。此外,在諧振選頻網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中增加了R1、R2兩個(gè)匹配電阻,用以減小輸出信號(hào)的振蕩并保證二次諧波的穩(wěn)定,也能在一定程度上減小因不同探頭感應(yīng)線圈存在的差異對(duì)信號(hào)采集帶來(lái)的影響。
差分放大電路的主要作用是利用很高的共模抑制比分離感應(yīng)信號(hào)中的二次諧波分量,提高感應(yīng)信號(hào)的精度。在信號(hào)的放大過(guò)程中需要調(diào)整電路增益在合適的范圍內(nèi),保證感應(yīng)信號(hào)中二次諧波分量的有效放大,避免由于放大倍數(shù)太大導(dǎo)致波形失真的情況,最終通過(guò)ADC實(shí)現(xiàn)高分辨率采樣。綜上,開(kāi)環(huán)狀態(tài)下感應(yīng)信號(hào)的采集處理過(guò)程如圖5所示。
圖5 感應(yīng)信號(hào)處理流程圖
為了改善開(kāi)環(huán)狀態(tài)下磁通門的線性度及整體性能水平,設(shè)計(jì)反饋電路將磁芯位置磁場(chǎng)反饋至零場(chǎng),此時(shí)被測(cè)磁場(chǎng)與反饋線圈產(chǎn)生的補(bǔ)償磁場(chǎng)大小相等、方向相反,從而可以使用反饋值表征被測(cè)磁場(chǎng),實(shí)現(xiàn)被測(cè)磁場(chǎng)的線性測(cè)量。反饋電路由反饋信號(hào)產(chǎn)生、反饋電壓產(chǎn)生、壓控電流源3部分組成。其中,反饋信號(hào)由DAC芯片產(chǎn)生,負(fù)責(zé)對(duì)被測(cè)磁場(chǎng)整體的反饋調(diào)節(jié);反饋電壓產(chǎn)生是將DAC輸出的反饋信號(hào)進(jìn)行調(diào)理,從而實(shí)現(xiàn)在正負(fù)磁場(chǎng)及全量程內(nèi)的精確反饋;最后,壓控電流源將反饋電壓轉(zhuǎn)換為補(bǔ)償電流,驅(qū)動(dòng)反饋線圈工作,最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)反饋電路的功能。
本設(shè)計(jì)使用壓控電流源實(shí)現(xiàn)電壓到電流的動(dòng)態(tài)調(diào)整,通過(guò)調(diào)整反饋電路D/A的參考電壓以及比例放大器的放大倍數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)符合在傳感器全量程內(nèi)進(jìn)行反饋要求的電壓動(dòng)態(tài)調(diào)整范圍,反饋電路的工作流程如圖6所示。
圖6 反饋電路示意圖
在磁通門開(kāi)環(huán)采集的基礎(chǔ)上加入閉環(huán)反饋,使得磁通門探頭處于零場(chǎng)狀態(tài),保證探頭在全量程范圍內(nèi)一直處于線性區(qū)域,采用深度負(fù)反饋的磁通門閉環(huán)系統(tǒng)可以有效提高傳感器的穩(wěn)定度、靈敏度。綜上,閉環(huán)磁通門傳感器系統(tǒng)框圖如圖7所示。
圖7 閉環(huán)磁通門系統(tǒng)框圖
在溫度采集電路的設(shè)計(jì)中,采用NTCLG100E2溫度傳感器,此傳感器具有體積小、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),可測(cè)量的溫度范圍為-40~200 ℃,通過(guò)DSP內(nèi)部的ADC采集并進(jìn)行電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)高溫環(huán)境的溫度精確監(jiān)測(cè)。最終,根據(jù)采集的溫度信息對(duì)傳感器系統(tǒng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償,提高在高溫環(huán)境下的工作性能。
磁通門軟件設(shè)計(jì)包括用戶接口、功能模塊、硬件驅(qū)動(dòng)等模塊。用戶接口主要實(shí)現(xiàn)接收處理后的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)并與上位機(jī)軟件通信、接收上位機(jī)發(fā)出的控制命令等;功能模塊實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘分頻、系統(tǒng)初始化及溫度采集、感應(yīng)信號(hào)采樣、PID反饋調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置、配置DAC輸入以及對(duì)感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行相敏整流、平滑濾波等;硬件驅(qū)動(dòng)主要負(fù)責(zé)定時(shí)器管理、中斷管理、GPIO驅(qū)動(dòng)、SPI驅(qū)動(dòng)、UART驅(qū)動(dòng)等。
主控系統(tǒng)根據(jù)采集的溫度值對(duì)感應(yīng)信號(hào)采集及磁場(chǎng)標(biāo)定過(guò)程進(jìn)行溫度補(bǔ)償,修正高溫環(huán)境下的測(cè)量誤差,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁通門傳感器的高溫改進(jìn)和優(yōu)化,并通過(guò)串口通信將磁場(chǎng)等相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)進(jìn)行觀測(cè)和存儲(chǔ),軟件設(shè)計(jì)架構(gòu)具體如圖8所示。
圖8 磁通門軟件架構(gòu)示意圖
為保證磁芯能周期性地在飽和與非飽和狀態(tài)之間交替,實(shí)驗(yàn)首先測(cè)試了激勵(lì)信號(hào)與激勵(lì)飽和電壓信號(hào)。在確保磁芯能夠被正常激勵(lì)后,測(cè)試經(jīng)傳感器探頭輸出的感應(yīng)電壓信號(hào)并做FFT頻譜分析,在使用高精度加場(chǎng)設(shè)備通過(guò)對(duì)探頭的多次加場(chǎng)后分析可得,在系統(tǒng)開(kāi)環(huán)狀態(tài)下,感應(yīng)信號(hào)的二次諧波的幅度與被測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度正相關(guān)。
高溫磁通門傳感器系統(tǒng)加入反饋控制后,再次加場(chǎng)測(cè)試并觀察感應(yīng)波形可得,在量程內(nèi)的任意穩(wěn)定磁場(chǎng)環(huán)境下,感應(yīng)波形均能夠保持穩(wěn)定,對(duì)此時(shí)的感應(yīng)信號(hào)做FFT頻譜分析可得,偶次諧波分量趨近于零,表明反饋環(huán)節(jié)能夠正常工作,采用閉環(huán)控制后的高溫磁通門傳感器系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率的磁場(chǎng)測(cè)量,信號(hào)波形及FFT頻譜如圖9所示。
(a)激勵(lì)信號(hào)與激勵(lì)飽和電壓信號(hào)
(b)反饋后感應(yīng)波形
(c)反饋后感應(yīng)信號(hào)FFT頻譜分析圖9 信號(hào)波形及FFT頻譜
為了驗(yàn)證高溫磁通門傳感器系統(tǒng)的性能,分別從量程、線性度以及與高性能磁通門磁強(qiáng)計(jì)外場(chǎng)對(duì)比測(cè)試3個(gè)方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,最后驗(yàn)證該系統(tǒng)是否能夠在高溫環(huán)境下工作并對(duì)外界環(huán)境磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。
在系統(tǒng)量程和線性度的測(cè)試過(guò)程中,將磁通門探頭放于磁場(chǎng)屏蔽筒內(nèi),通過(guò)高精度加場(chǎng)設(shè)備產(chǎn)生穩(wěn)定且已知的磁場(chǎng),實(shí)驗(yàn)中從-60 000 nT至60 000 nT每隔10 000 nT進(jìn)行加場(chǎng)并通過(guò)上位機(jī)記錄測(cè)量均值,如表1所示。通過(guò)對(duì)比高性能磁通門的測(cè)量結(jié)果和上位機(jī)記錄的測(cè)量值可知,該磁通門傳感器系統(tǒng)的磁場(chǎng)測(cè)量范圍能夠達(dá)到-60 000~60 000 nT。通過(guò)對(duì)比測(cè)量值與給定加場(chǎng)值可得到測(cè)量中的絕對(duì)磁場(chǎng)誤差,由量程內(nèi)的最大絕對(duì)磁場(chǎng)誤差計(jì)算可得,此磁通門傳感器系統(tǒng)的線性度為0.03%。
表1 不同加場(chǎng)下磁場(chǎng)測(cè)量值與誤差 nT
相關(guān)系數(shù)反映兩個(gè)變量之間相互關(guān)系的密切程度,相關(guān)系數(shù)越高則證明兩個(gè)變量的變化趨勢(shì)越相近。為了驗(yàn)證該系統(tǒng)在環(huán)境磁場(chǎng)下的磁測(cè)的性能,使用Magson磁通門傳感器作為對(duì)照樣機(jī)進(jìn)行環(huán)境磁場(chǎng)下的探測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比,該設(shè)備分辨率為0.01 nT,量程為±65 000 nT。實(shí)驗(yàn)中將2套設(shè)備的磁通門探頭水平放置并調(diào)整Magson磁通門探頭的X軸方向與此傳感器的單軸探頭方向保持一致,2套設(shè)備熱機(jī)完成后同時(shí)開(kāi)始記錄并保存約40 min的磁測(cè)數(shù)據(jù),各自減去測(cè)量平均值得到在外界磁場(chǎng)環(huán)境下的磁場(chǎng)測(cè)量趨勢(shì)對(duì)比,如圖10所示。
(a)高溫磁通門磁測(cè)趨勢(shì)
(b)Magson磁通門磁測(cè)趨勢(shì)圖10 磁測(cè)趨勢(shì)對(duì)比
由磁測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比以及相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式可知,所設(shè)計(jì)的高溫磁通門系統(tǒng)與高性能磁通門磁強(qiáng)計(jì)的相關(guān)系數(shù)約為0.927,可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確獲取環(huán)境磁場(chǎng)變化。
為了驗(yàn)證該磁通門樣機(jī)在高溫環(huán)境下的磁測(cè)表現(xiàn),實(shí)驗(yàn)中將磁通門傳感器放置在可升溫的設(shè)備中,因目前沒(méi)有高溫零磁環(huán)境,所以選擇對(duì)外界環(huán)境磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。系統(tǒng)開(kāi)機(jī)正常工作保持一段時(shí)間后,使用加熱設(shè)備開(kāi)始連續(xù)升溫,分別長(zhǎng)時(shí)間記錄并觀測(cè)升溫至80、140、175 ℃溫度下的磁場(chǎng)值,如圖11所示。
(a)環(huán)境磁場(chǎng)變化
(b)升溫曲線圖11 升溫磁測(cè)曲線
由高溫環(huán)境下的磁場(chǎng)測(cè)量趨勢(shì)圖可得,在升溫過(guò)程中,磁場(chǎng)數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)一定程度的漂移,但當(dāng)環(huán)境溫度保持穩(wěn)定后,磁場(chǎng)數(shù)據(jù)變化量呈現(xiàn)出穩(wěn)定的趨勢(shì),表明該磁通門傳感器具備在高溫環(huán)境下磁場(chǎng)測(cè)量的能力。
本文針對(duì)傳統(tǒng)數(shù)字式磁通門電路進(jìn)行了耐高溫優(yōu)化,設(shè)計(jì)了能夠在高溫下進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量的磁通門電子學(xué)單元,通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)的量程、線性度與高性能磁通門磁強(qiáng)計(jì)對(duì)比等實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其磁測(cè)性能;通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了該系統(tǒng)能夠正常工作在175 ℃高溫環(huán)境下并完成高性能磁場(chǎng)測(cè)量。該耐溫化設(shè)計(jì)為磁通門傳感器在高溫環(huán)境下的磁場(chǎng)測(cè)量奠定了基礎(chǔ)。