低噪声宽频带感应式磁传感器*

魏丽英

(长春工业大学 人文信息学院，吉林 长春 130000)

0 引 言

磁感应传感器基于法拉第电磁感应原理，能够感应所探测磁场信号的微弱变化，根据趋肤效应，其性能指标直接决定了频率域电磁(FEM)法所能探测的最大深度[1～4]。磁感应传感器是FEM的核心设备，包括感应线圈、前置放大电路等。为了得到一个高性能的磁感应传感器，除了需要高性能感应线圈以外，也对前置放大电路提出了更高的要求：宽频带、低噪声，以满足探测深度和地磁场信号的实际需要。

1 感应式磁传感器的设计

1.1 感应线圈模型分析

感应式磁传感器能够感应到磁场信号的变化，然后输出信号经前置放大电路进行放大预处理。因此，为设计出合理的前置放大电路，必须对线圈模型进行分析。

感应线圈的等效模型如图1所示，包括电感、分布电容和电阻。

图1 感应线圈等效模型

其中，Lp,C,RL分别为感应线圈等效模型的等效电感、分布电容以及等效电阻。e为感应线圈的感应电动势，uo为感应线圈输出电压。由电磁感应定律可得

(1)

其中，N为感应线圈匝数，S为线圈横截面积，μc为磁芯磁导率。

假设磁感应强度B为频率ω的正弦波，则感应电动势频域表达式

e=jωNSμcB.

(2)

由式(2)和感应线圈等效模型可得

(3)

1.2 低噪声斩波放大器设计

1/f噪声是半导体器件的固有特性，随着频率降低而提高。低频时，1/f噪声是主要噪声成分，通过电路的增益放大后，会引起显著的输出电压失调。

低噪声斩波前前置放大电路如图2所示。

图2 低噪声斩波前置放大电路

由图2可以看出，前置放大电路包括2个放大回路(高频放大回路、低频放大回路)，通过多路模拟开关MAX333控制高低频放大回路的切换，假设输入信号为高频信号，则CTRL控制信号控制前级MAX333将多路开关切换至高频放大电路进行放大，然后输出经后级MAX333多路开关输出；反之，亦然。控制信号CTRL由上位机给出。

前置放大电路输入噪声主要由感应线圈直流电阻、MAX333导通电阻引起的热噪声以及前置放大器输入噪声决定，输入信号首先通过多路开关MAX333控制送入高频/低频放大电路。通过查阅芯片资料，MAX333的开关导通电阻仅为200 Ω，有效减少了电路的输入噪声，同时，前置放大电路采用OPA827运算放大器进一步减少了总体电路噪声水平。

2 感应式磁传感器性能测试

由于市区内存在很强的工频或者其他干扰，而感应式磁传感器对输入噪声要求较高，为了准确测量放大器的输入噪声，要求测试环境干扰信号比较微弱，因此，测试在电磁屏蔽室内进行。

2.1 感应式磁传感器增益测试

在感应式磁传感器预设频带范围内选取适当数量的频率点对放大电路的幅频特性进行测量。信号源输出信号Vin为1 mV，使用动态信号分析仪测量放大器输出信号Vout，前置放大电路增益A=Vout/Vin，测量结果如图3所示。

图3 感应式磁传感器增益特性

由图3可以看出：斩波开关对信号放大倍数基本没有影响，高低频放大电路幅频特性具有良好的衔接性，在f<1 kHz频段内，感应式磁传感器的增益约为4 700左右，由于低通滤波器的影响，f>2 kHz频段内，幅频特性曲线呈下降趋势。

2.2 感应式磁传感器噪声测试

感应式磁传感器测试方法如下：打开斩波信号，放置于磁屏蔽筒内。测量感应式磁传感器终端输出噪声，除以其信号幅度增益，最终得到其等效输入噪声。斩波开关关闭，相同条件下测量感应式磁传感器等效输入噪声，测量结果如图4所示。

图4 感应式磁传感器等效输入噪声

同时，本文设计的感应式磁传感器与加拿大凤凰公司的MTC—50H磁感应传感器的噪声水平进行对比，结果如图5所示。

图5 感应式磁传感器噪声对比

2.3 感应磁传感器标定测试

本前置放大电路接入传感器，在磁屏蔽筒内对传感器灵敏度进行标定，传感器灵敏度标定幅频特性和相频特性如图6所示。

图6 传感器特性曲线

图6(a)标定曲线中，自主研制传感器灵敏度曲线，频率为1 Hz和1 kHz时，灵敏度分别为0.2 V/nT和1 V/nT。德国MFS—06传感器灵敏度曲线，频率为1 Hz和1 kHz时，灵敏度分别为0.2 V/nT和0.9 V/nT。而且，在5 kHz以下，自主研制传感器灵敏度要优于MFS—06传感器灵敏度，5 kHz以后由于传感器的磁芯损耗比较大，灵敏度低于德国MFS—06传感器。另一方面，从图6(b)中可以看出：自主研制传感器的相频特性曲线较为平坦，没有明显的相位突变，符合实际使用要求，性能与德国MFS—06传感器的水平相当。

3 结 论

本文在研究感应线圈等效模型和传递函数的基础上，根据前置放大器的频带和噪声指标要求，结合斩波放大原理，设计了斩波前置放大器，扩展了放大器频带范围，有效地减少了低频噪声。同时，在探测灵敏度、幅频、相频等特性方面，本文所研制的感应式磁传感器与德国MFS—06传感器进行参数对比，性能指标相当，满足项目指标要求，为感应式磁传感器在野外实践应用提供了可靠保障。

参考文献:

[1] 滕吉文.第二深度空间金属矿产探查与东北战略后备基地的建立和可持续发展[J].吉林大学学报:地球科学版,2007,12(4):633-651.

[2] 王晓飞,李 凯,韩 焱,等.基于磁悬浮效应的振动传感器设计[J].传感器与微系统,2013,32(10):61-64.

[3] 尹 辉.基于场效应管的低噪声前置放大器的研究和设计[D].长春：吉林大学，2009,56(5):13-18.

[4] 周胜海，郭淑红.基于低噪声运放的传感器前置放大器设计[J].仪表技术与传感器，2006,56(9):38-40.

[5] Wu R,Makinwa K A A,Huijsing J H.The design of a chopped current-feedback instrumentation amplifier[J].Circuits and Systems,2008,89(14):1744-1755.

[6] Johan F.Witte,M I K A.A CMOS chopper offset-stabilized opam-p[J].Solid-State Circuits,2007,7(4):1529-1535.

[7] Dei M,Bruschi P,Piotto M.Design of CMOS chopper amplifiers for thermal sensor interfacing[J].Research in Microelectronics and Electronics,2008,67(5):205-208.

[8] Carter Bruce,Mancini Ron.Op Amps for everyone [M].3rd ed.Beijing:Posts & Telecom Press,2010.