寬頻響低噪聲磁通門磁強計設計研究*

張 憶 望 翔齊侃侃 郭 濤

（1.宜昌測試技術研究所 宜昌 443000）（2.北京宇航系統工程研究院 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、結構簡單、可靠、經濟、能夠直接測量磁場的分量和適于在速運動系統中使用等特點，可廣泛應用于地磁探測、地磁導航、地質探礦、無損探傷以及空間環境探測等領域［1～2］。

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

2 探頭設計

2.1 探頭結構設計

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構，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、感應線圈、骨架組成［3］。圖1所示的雙磁芯磁探頭結構中，1、2號端口用來接入激勵信號。3、4號端口為感應信號輸出。上下兩磁芯分別饒有匝數為N1的激勵線圈，感應線圈的匝數為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，磁芯的導磁特性發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線圈感應出反映外界磁場的信號［4～7］。

圖1 磁探頭的原理圖

2.2 探頭參數設計

磁探頭組成的物理參數首先是通過理論計算推導，然后利用Maxwell與Simplorer的電磁聯合仿真功能，分析了磁通門探頭在外部磁場環境中的瞬態響應過程，最后確定了探頭的參數［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；感應線圈螺線管長18mm，采用漆包線繞制10層，磁芯內部磁感應強度分布仿真結果如圖2所示［10］。

圖2 磁芯內部磁感應強度分布云圖

3 電路設計

3.1 磁通門電路設計

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理電路，如圖3所示。激勵電路中，晶振產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信號。信號調理電路中，磁通門探頭的輸出信號十分微弱，需要經過前置放大；經放大后的信號噪聲也相應被放大，此時需要進行濾波，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信號檢波。檢波后的信號經積分電路和反饋電路構成閉環系統，得到磁通門輸出信號，該信號與磁場的大小呈正相關［11～12］。

圖3 磁通門電路示意圖

3.2 主控制器電路設計

主控制器的電路包括電源模塊、控制處理模塊、數據采集模塊、數碼管驅動模塊、數碼管顯示模塊、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據、采集數據計算處理、磁通門數據輸出、數碼管驅動與更新、傳感器參數數據輸入和與上位機通信等功能；數據采集模塊采用AD7734芯片，主要功能是采集DC模式下的三軸磁通門數據；數碼管驅動模塊主要功能為動態驅動LED數碼管顯示器發光；數碼管顯示模塊采用直插式四位LED數碼顯示器，主要是對磁通門磁強計的數據進行顯示；通信模塊是控制處理模塊與上位機之間數據交互的中間轉換站；端子接口主要包括電源輸入接口、與磁通門電路數據輸出的接口、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 軟件設計

4.1 軟件功能

磁通門磁強計軟件的功能單元包括系統初始化單元、數據采集單元、數據處理單元、數據顯示單元、數據傳輸單元和按鍵處理單元，功能如圖6所示。系統初始化單元對單片機、外設和磁通門初始參數進行初始化，數據采集單元進行磁通門的磁傳感數據采集，數據處理單元對磁通門的采集數據進行處理，數據顯示單元對磁通門的處理數據進行LED顯示，數據傳輸單元對磁通門的處理數據進行輸出以及磁通門的初始參數進行輸入，按鍵處理單元對磁強計的按鍵進行處理。

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進行數據采集，AC模式采用單片機自帶的ADC進行數據采集。軟件在DC模式下運行時，每10ms采集一次數據，采集10次后進行數據處理，處理后的數據每100ms進行數據輸出，每500ms在LED數碼顯示器上進行數據顯示；軟件在AC模式下運行時，每次采集的數據進行讀取和計算，每10ms把計算后的90次數據進行打包輸出，可以達到9K的采樣率，每500ms在LED數碼顯示器上進行數據顯示。

圖7 磁通門磁強計軟件流程圖

5 實驗分析與測試結果

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

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

在磁通門磁強計系統中，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構中上下兩磁芯結構參數和電磁參數的不一致，引起了檢測線圈輸出信號中的差動變壓器效應，導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出發，通過優化反饋電阻與積分電容，微調磁通門磁強計帶寬；以及通過對磁探頭參數、匹配電路設計和芯片噪聲進行優化，達到了寬頻響和低噪聲的指標要求，設計的磁通門磁強計在國防科技工業弱磁一級計量站實驗室里進行了測試，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范圍和噪聲測試結果如表1和2所示，分析表1數據可以得到，X軸頻率響應3kHz處輸出電壓值衰減為2.810dB，Y軸頻率響應3kHz處輸出電壓值衰減為2.839dB，Z軸頻率響應3kHz處輸出電壓值衰減為2.815dB；分析表2數據可以得到，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 頻率響應范圍測試結果

表2 磁場噪聲測試結果

6 結語

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