基于電/磁轉換的海洋電場檢測方法

于 洋，潘孟春，陳棣湘，潘 龍，胡靖華，胡佳飛

（國防科學技術大學機電工程與自動化學院，湖南 長沙 410073）

基于電/磁轉換的海洋電場檢測方法

于 洋，潘孟春，陳棣湘，潘 龍，胡靖華，胡佳飛

（國防科學技術大學機電工程與自動化學院，湖南 長沙 410073）

傳統的直接電測量方法受1/f噪聲限制，在低頻處信號與噪聲發生混疊，難以實現高水平低噪聲測量。該文提出一種基于電/磁轉換的海洋電場低噪聲檢測方法，將電信號轉化為磁信號，通過微機械的方法將磁信號調制到高頻，有效避開低頻1/f噪聲影響。設計一種實現電/磁轉換功能的微機械結構，利用TMR電阻構成惠斯通電橋測量磁信號，實現海洋電場的高水平低噪聲檢測。仿真與實驗結果在1Hz處噪聲分別達到，優于傳統電測量方案的噪聲水平，驗證該方法的有效性。

海洋電場；低噪聲；1/f噪聲；電/磁轉換；微機械調制

0 引 言

海洋環境監測技術利用各種傳感器和數據采集處理系統連續對海洋環境要素進行測量，對我國海洋安全和國防發展具有重要意義，已列入國家中長期科技發展綱要[1]。

海洋電場測量是海洋環境監測的重要手段，而被測材料自身的介電常數與海水不同，將會引起一定海域內電場的變化。因此，可通過研究不同目標進入該海域導致的電場變化，對目標進行探測，這一方法被稱為海洋電磁探測法[2]。該方法已得到廣泛關注與發展，英國甚至已將其廣泛地應用于海洋勘探中。在海洋電場勘探中，信號放大、去噪過程對于真實信號的還原起著至關重要的作用，因此設計并實現信號的低噪聲放大對于電場傳感器的整體設計來說至關重要。

傳統的電測量方法檢測海洋電場，是通過電極的電化學反應將海洋電場信息轉變成電信號，輸入到低噪聲放大電路進行信號放大、去噪，最終結果通過檢測電路進行測量[3]，其示意圖如圖1所示。

圖1 傳統電測量方法測量海洋電場示意圖

海洋電場頻率較低，一般只有幾赫茲[4-5]，目前國外低噪聲放大器（LNA）在低頻段的噪聲性能不佳，主要體現在放大器器件的本底低頻1/f噪聲嚴重，因此低頻信號能量較低難以直接實現放大。國內在低頻LNA領域的研究則更為局限。尹亞蘭等[6]結合超低頻的噪聲特點和抗干擾原則，提出超低頻LNA的實現方案，實測75 Hz處噪聲電壓劉勇等[7]進行了低頻LNA的設計和性能分析，所制備樣機在30～300Hz范圍內，噪聲系數為1.08dB，30Hz處噪聲電壓為國內關于低頻LNA領域的噪聲研究多局限于幾十赫茲以上，在1Hz處的噪聲更大。目前，普通低噪聲放大電路在1Hz處的噪聲大于Texas Instruments公司在低頻低噪聲放大領域技術領先，該公司的opa211前置放大器在1Hz處的噪聲電壓可達到

由此可見，受制于噪聲匹配以及1/f噪聲等因素，傳統的電測量方法很難對低頻海洋電場信號進行測量。本文采取電/磁轉換的方法，將電信號轉換為磁信號進行測量，可以避開低頻電噪聲干擾等因素的影響，再通過微機械方法將磁信號調制到高頻，所設計出的電/磁轉換結構在1 Hz處的噪聲達到可有效解決1/f噪聲的限制。

1 電/磁轉換的方法與模型

磁隧穿電阻（tunnelling magneto resistance，TMR）[8]，具有磁阻變化率大，飽和磁場較低、單位磁場靈敏度高及溫度特性較穩定等優點。本文提出了一種基于TMR的電/磁轉換測量方法，其基本原理是通過線圈將微弱的低頻電場信號轉換為磁場信號，經由磁聚集器將磁場放大，采用垂動調制的方法將外磁場調制至高頻，最后利用TMR進行敏感測量。該方法能夠避免在信號和噪聲在低頻處的混疊，從而能夠大大降低1/f噪聲的影響。圖2為海洋電場信號的處理過程。其中，微機械調制的工作原理如圖3所示。

圖2 海洋電場信號的處理過程

圖3 微機械調制工作示意圖

當調制膜工作在狀態1時，磁力線從磁聚集器穿過氣隙，此時氣隙的磁場較大；當調制膜為狀態2時，磁力線從磁聚集器經由調制膜到磁聚集器，而基本不會穿過氣隙，此時氣隙的磁場較小。調制膜隨振動結構以固定頻率f上下振動，氣隙中的磁場則被調制，調制頻率為f[9]。

1.1 電/磁轉換微機械結構模型

基于TMR電阻電/磁轉換方法的微機械系統結構，如圖4所示。

圖4 電/磁轉換微機械結構前視圖和俯視圖

如圖4（a）所示，在硅基底上生長18μm厚的高導磁材料薄膜作為磁聚集器，兩薄膜中氣隙寬30μm。高導磁材料的磁力線聚集效果使得氣隙中磁感應強度倍增。

圖4（b）中的磁敏感單元為4個TMR電阻，并構成惠斯通電橋。其中，氣隙中兩個TMR電阻用于敏感外磁場，另外兩個TMR電阻置于高導磁材料薄膜下，不敏感外磁場，起補償的作用。

采用圖4所示的C型結構相比常用的長條形結構，磁力線可以經C型臂更好地聚集而非發散，更高地聚集放大倍數。被測電流通過線圈在氣隙處產生磁場，經磁聚集器后磁場進一步放大，垂動調制膜以固定頻率f上下振動將氣隙處低頻磁場調制到高頻處，最終利用MTJ惠斯通電橋對高頻磁場進行測量，從而實現海洋電場的低噪聲檢測。

1.2 電/磁轉換微機械結構的測量原理

磁場測量采用圖5所示惠斯通電橋，電/磁轉換微機械結構主要通過TMR電阻測量通電線圈產生的磁場。該TMR電阻的工作原理可簡化如圖6所示，Ui為線圈的輸入電壓，Uo為TMR電阻的輸出電壓，Ii為線圈的電流。Uo與Ii存在關系式：

圖5 磁場測量橋式電路

圖6 TMR電阻測量原理圖

式中m為電/磁轉換微機械結構的轉移電阻，Ω。

圖6所示原理圖可看作輸入電壓為Ui，輸出電壓為Uo，源內阻為R，輸入電阻為線圈電阻Ri的二端口網絡，則有：

可知其放大倍數：

電/磁轉換的方法通過測量在待測電流產生的外磁場影響下TMR電阻的變化，測得外磁場的強度，利用待測電流與外磁場之間的關系，實現電流測量。

在沒有外磁場影響的情況下，R′=R，輸出電壓Uo=0V。當施加外磁場時，設TMR電阻的靈敏度為K（單位為 Ω/T），此時 R′=R+K·B，B 為磁感應強度，輸出電壓為

上式可以得到輸出電壓與磁場之間的關系，則通過測量輸出電壓可以得到外磁場。

設通電圓環導線中心產生磁場[10]為

式中：μ——磁導率；

b——圓環半徑；

I——通電導線的電流。

聯系式（4）和式（5），最終可以得到線圈電流與磁場測量橋式電路輸出電壓的關系，輸出電壓Vo可以看成是輸入信號經過一個放大電路后所得到的信號。

1.3 電/磁轉換微機械結構的噪聲模型

通過上述分析，可以得到如圖7所示的噪聲模型，et為信號源內阻的熱噪聲；eni為電/磁轉換微機械結構的等效輸入噪聲電壓。

圖7 電/磁轉換微機械結構噪聲模型

此時，電/磁轉換微機械結構總等效輸入噪聲為

2 電/磁轉換微機械結構模型的仿真分析

通過Comsol軟件對電/磁轉換微機械結構進行仿真計算，硅基底的相對磁導率定義為1，高導磁材料的相對磁導率定義為500，共繞制300匝線圈，線圈電流為1mA，惠斯通電橋電源電壓為12V。沿圖8中中心線（即圖中虛線）測量磁通密度模強度，結果如圖9所示。

圖8 電/磁轉換微機械結構結構俯視圖

圖9 沿中心線磁通密度模強度圖

由圖看出，在磁敏感單元中心兩側，磁通密度模強度基本對稱，這是由結構的對稱性決定的。在磁敏感單元中心處磁通密度模強度最大，約為2.9×10-3T。

所采用磁敏感單元對氣隙處磁場的靈敏度為18mV/（V·mT）。該 TMR 電阻在 1Hz處的噪聲水平為以垂動調制膜將頻率調制到1 kHz處，此時的噪聲水平只有實測的調制效率約為30%，因此轉移電阻為

其中，磁敏感體測量的磁場B=2.9 mT，供電電壓U=12V，磁敏感單元的靈敏度 S=18mV/（V·mT）。

通過仿真分析得到線圈內阻為Ri≈12 Ω，海洋電場測量電極的電阻一般為歐姆量級[12]，則可認為一對測量電極的內阻為電/磁轉換微機械結構的電源電阻，約為10 Ω，所以電/磁轉換微機械結構總的等效輸入噪聲：

通過電/磁轉換微機械結構對信號進行放大，在1 Hz處噪聲為由此可見，電/磁轉換方法在對信號進行放大的過程中能有效降低電路噪聲。

3 實驗驗證

在電/磁轉換微機械結構中，高導磁材料的相對磁導率約為500，通過MEMS工藝手段設計微型結構，在硅基底上生長電/磁轉換微機械結構。通過MEMS工藝手段直接生長在模塊單元上，降低了繞線的難度，同時使線圈與磁性材料之間足夠接近，加強聚集效果，其結構如圖10所示。

為測得電/磁轉換微機械結構的等效輸入噪聲，對該結構的電壓放大倍數A與輸出噪聲eNo進行測量，則等效輸入噪聲eni=eNo/A。測量結果如下：

圖10 線圈生長實物圖

1）電壓放大倍數A

①通過萬用表直接測量輸入電阻，測得輸入電阻Ri=13 Ω，與理論值基本一致；②采用電流源作為輸入信號，輸入電流Ii=3 μA，同時測量輸出電壓為Uo=0.5mV，轉移電阻m=Uo/Ii=167Ω。參考式（3）得到電壓放大倍數A=12.8。

2）輸出噪聲eNo

對電/磁轉換微機械結構的噪聲性能進行測量并通過前文提到的噪聲模型進行分析。為了盡量減小外界磁場的影響，在磁屏蔽室測量微機械結構的輸出噪聲（實驗溫度26℃，相對濕度45%RH）。在輸入端短接的情況下，測得電/磁轉換微機械結構的輸出噪聲密度譜，如圖11所示。

圖11 電/磁轉換微機械結構的輸出噪聲密度譜

由圖中可以看出，在1kHz處，電/磁轉換微機械結構的輸出噪聲電壓密度約為密度譜有些毛刺，是因為測試環境的屏蔽性能有限，不能完全屏蔽地磁場以及環境磁場噪聲，環境磁場噪聲會產生一定的輸出噪聲。

調制結構的諧振頻率約為1kHz，此時磁敏感單元的噪聲密度為因此可得到電/磁轉換微機械結構總的等效輸入噪聲為eni=eNo/A≈而普通前置放大電路在1 Hz以下的噪聲電壓大于可見電/磁轉換微機械結構能夠有效抑制噪聲。

4 結束語

1）本文通過理論分析，驗證了電/磁轉換方法的可行性，提供了一種微弱信號檢測的新方法。

2）通過對電/磁轉換微機械結構進行實驗驗證，在1Hz處噪聲可以達到電路噪聲得到了有效抑制。

3）通過對結構尺寸以及材料的選擇，選用更高靈敏度的TMR，可以實現對該電/磁轉換微機械結構的優化設計，為更低噪聲測量提供了可靠的手段。

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（編輯：李妮）

Marine electric field detection method based on electric/magnetic conversion

YU Yang，PAN Mengchun，CHEN Dixiang，PAN Long，HU Jinghua，HU Jiafei
（College of Mechatronics Engineering and Automation，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China）

Limited by 1/f noise，traditional electrical measurement has difficulties in achieving high-level low noise characterization as a result of signal aliasing with noise at low frequency.In this article，a new weak marine signal low noise detection technique based on electric/magnetic conversion method was proposed.Electric signal was converted into magnetic signal，and then modulated to high frequency through micromechanics，which could avoid the impact of low frequency 1/f noise.Structure based on electric/magnetic conversion was designed.TMR based Wheatstone bridge was used in magnetic signal measurement to realize marine signal’s high-level characterization.The results of simulation and experiment show that the low frequency noise of this module can reachat 1Hz respectively，which is better than normal lownoise pre-amplifier，illustrating the effectiveness of this magnetic measuring current model.

marine electric field； low noise； 1/f noise； electric/magnetic conversion； micromechanics modulation

A

1674-5124（2017）04-0125-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.04.026

2016-08-10；

2016-10-20

國家自然科學基金（51507178，U1430105，51175507）

于 洋（1991-），男，河北永清縣人，碩士研究生，專業方向為海洋電場傳感器設計與制備研究。