基于三端式磁通门技术的航空货运磁检仪

孙 健/上海大学机电工程与自动化学院

由于微弱的杂散磁场对飞机的导航系统和控制信号均有干扰，国际航空运输守则（International Air Transport Association简称IATA）将磁性货物列为第9类危险品，在收运时加以限制。该文重点阐述一种适用于对空运货物进行杂散磁场检测的磁检仪的设计。

0 引言

根据IATA Packing Instruction 902相关条款的规定：如果距被测物2.1 m(7ft)处测得的最大磁场强度不超过0.159A/m(200nT)，则该物品不作为磁性物质受到限制，可以作为普通货物收运。所以必须对一些带有磁性物质的空运货物进行磁性检测，防止由于此行货物的杂散磁场干扰飞机的导航系统和控制信号，确保飞机的安全飞行。文中将分析一种基于三端式磁通门传感器的航空货运测磁仪工作原理及其设计思路，重点研究硬件电路的设计，最后探讨其在航空货运磁检领域中的应用方法。

1 三端式磁通门传感器工作原理

传感器决定着磁检仪的测量准确性，必须严格制作筛选并正确安装。三端式磁通门传感器是利用高导磁铁芯在饱和交变励磁下选通调制铁芯中的直流磁场分量，并将直流磁场变为交流电压输出进而达到测量磁场的目的。其结构（如图1）较为简单，探头特性好，基波分量少，可采用方波作为激励，从而简化了信号调理电路的复杂程度，具有更高的灵敏度、精度和稳定性。本设备探头采用上海海事大学专利产品三端式磁通门磁传感器（专利号：200510028289.9）。

2 磁检仪电路设计

（1）信号调理电路

图1 三端式磁传感器结构图

硬件电路由磁通门激磁电路、功率放大电路、选频放大器、相敏检波电路、积分滤波器和反馈系统等组成。磁通门检测到的环境磁场强度经以上几个环节后，输出一个与环境磁场成比例的直流电压信号。此信号送到高精度数据采集部分进行处理。

① 磁通门激磁电路。激磁信号采用方波对磁传感器进行激励，将分频器分出的5 kHz方波通过功率放大电路进行放大，为磁传感器提供激磁信号。

② 功率放大电路。由于激磁信号采用方波，故功率放大电路直接将输出的5 kHz方波经 4 个三极管放大后推动隔离变压器，为磁通门提供激磁电压。

③ 选频放大器。在实际应用中，由于隔离变压器或磁通门中的绕组匝数不平衡或磁通门中的铁芯平行度等原因，造成磁通门输出不可能十分理想，除磁通门的输出外，还包含一些其他的噪声信号。为了将无用的信号滤除，磁通门的前置放大器采用选频放大器，其中心频率是激磁频率的两倍。选频放大器电路见图2。此时输入的二次谐波可获得最大增益，噪声和非二次谐波分量信号将受到抑制。因选频放大器对磁通门的精度有害，故选频放大器的设计只考虑信号增益的稳定，而不过分追求滤波效果，其品质因数不能过高，以免出现振荡或增益不稳定，故选频放大器采用一阶带通放大器。

④ 相敏检波器。相敏检波器采用74HC4053模拟开关。相敏检波器电路见图2。选频放大器放大后的二次谐波信号，经积分电阻送到74HC4053的输入端。74HC4053输出端与积分器的输入端相连。经过相敏检波后，除二次谐波信号外，其他各次谐波信号在积分器上积分值均为零，二次谐波信号通过相敏检波器时效率最高。

图2 磁通门信号处理电路

⑤ 积分滤波器。积分滤波器的功能是滤除所有的脉动分量。积分滤波器是电路输出端的最后处理环节，务求彻底。因此，截止频率将比2f小数倍。积分滤波器将相敏检波器检波后脉动的二次谐波信号转换成平滑的直流信号，一方面送到高精度数据采集部分进行处理，另一方面通过反馈环节送到磁通门传感器中，产生与被测磁场相反的磁场，以使磁传感器始终工作在接近零磁场状态，从而保证最高的精度。积分滤波电路既要考虑滤波效果又要考虑系统反应时间，两者是相互对立的，因此需根据具体要求设计。

⑥ 反馈系统。为保证磁传感器始终工作在接近零磁场下，在磁场负反馈系统中，反馈系统F的稳定和准确是特别重要的。

Wf— 反馈线圈匝数；

Lf— 等效铁芯长度；

Rf— 反馈电阻；

Rl— 线圈电阻。

其中，Wf和Lf的值不会变化，为保证反馈环节的稳定和准确，反馈电阻应用高稳定的精密电阻。而线圈电阻相对于反馈电阻来说一般小得多，在工作温度范围内Rl变化很小，因此对系统精度影响不大，但仍需选择温度性能好的聚酰亚胺漆包线。

（2）数据采集电路

主要由处理器和模数转换器两部分组成，实现信号的数字化编码和运算。

① 处理器。采用了PHILIPS单片32位ARM微控制器－LPC2292，LPC2292是一款基于16/32位ARM7TDMI-S，支持实时仿真和跟踪的CPU，并带有256 k字节嵌入的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构，使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的，可使用16位Thumb模式将代码规模降低30%，而性能的损失却很小。

LPC2292采用144脚封装、极低的功耗、多个32位定时器、8路10位ADC、2/4路高级CAN通道、PWM输出以及多达9个的外部中断，这款微控制器特别适合自动化、工业控制、医疗系统、访问控制和故障容限维护总线等应用领域。其内部可用GPIOs范围为76脚(外部存储区)到112脚(单片)。由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软件调制解调器以及其它各种类型的应用。

② 模数转换器。数据采集电路高精度模数转换器LTC2440。LTC2440是Linear Technology公司生产的24 bit Sigma-Delta ADC。在 1000次／s 的转换速率时，有效值噪声为2 mV，在 7.8次／s 的转换速率时，有效值噪声为0.2 mV。在动态测量时，将LTC2440设置到1000次／s，可获得好的响应速度，噪声也可满足指标要求。

（3）显示部分

仪器显示采用段式液晶，具有以下特点：1）低功耗特性（不含背光）；2）显示状态50μA（典型值），省电模式＜1μA，工作电压2.7～5.2V；3）工作温度：-20℃～70℃，储存温度：-30℃～80℃；4）视角对比度可调，显示清晰，稳定可靠，使用编程简单；5）易与任何单片机的IC接口连接，可用于各种仪器仪表。

3 结束语

经过对三端式磁通门磁检仪整体性能与各项技术指标进行测试，该仪器测量精度不大于2%F.S.；分辨率达到1nT；噪声不大于1nT；当外界磁场恒定时，系统在2 h内输出值的变化不大于2 nT。试验数据表明三端式磁通门磁检仪能稳定运行，性能良好，满足航空货运磁检测量要求。实际应用时发现还需提高仪器的显示亮度，确保在光线不好的仓库也可正常使用。

[1] 张学孚. 磁通门技术[M]. 北京：国防工业出版社，1995.

[2] 章志涛, 张松勇, 顾伟. 基于三端式磁通门技术的磁力梯度仪[J].上海海事大学学报，2008，29（2）:35-38.