抗倾斜小尺寸高精度地磁传感器研究

汪雪莲 朱旭辉 龚凯（第七一五研究所，杭州，310023）



抗倾斜小尺寸高精度地磁传感器研究

汪雪莲 朱旭辉 龚凯
（第七一五研究所，杭州，310023）

摘要为提高磁通门罗盘的可靠性和测量精度、扩大其适用性，对抗倾斜小尺寸高精度地磁传感器的磁通门罗盘探头的电路进行了研究设计。经实际测量，探头均能达到小于0.3°的精度，实现−20°～20°的抗倾斜，均方误差精度也小于0.5°。

关键词地磁传感器；磁通门罗盘；探头电路设计；高精度

目前方位测定主要有地磁传感器（也称地磁罗盘）和惯性导航两种。惯性导航如陀螺仪是基于感受地球自转角速度来定位的，虽然能实现高精度定位，但技术复杂、价格高昂、维护困难、体积大且启动时间长，除了远洋船舰、飞机、卫星导航定位测地车等少数贵重载体外，其它很少选用。地磁传感器是地球范围内以地球自转轴（磁北）为标定基准，大多数应用领域唯一可选的定向设备。磁通门罗盘是地磁传感器的一种，具有简单、高精度、高可靠性、响应时间短、小体积、低成本等卓越的综合特性，优于其它地磁测向设备。磁通门罗盘探头（以下简称磁通门探头）是磁通门罗盘的核心元件，它决定了磁通门罗盘的主要性能。本文介绍一种抗倾斜小尺寸高精度地磁传感器磁通门探头的设计方法，及相应的具体电路设计。

1　磁通门工作原理[1]

磁通门的基本工作原理是电磁感应并服从法拉第电磁感应定律，下面以简易模型介绍磁通门的工作原理。在一根软磁铁芯上缠绕励磁线圈和感应线圈，铁芯截面积为S，磁导率为μ，励磁线圈在铁芯上建立的励磁磁场为H～，感应线圈的有效匝数为W2，则感应线圈上产生的感应电动势为：

这是变压器理想模型，但实际由于铁芯磁化曲线的非线性，励磁磁场瞬时值变化难免会引起铁芯磁导率的变化，因此实际变压器的数学模型为：

其中励磁磁场强度：

式中，f1为励磁频率。

铁芯的外加磁场除了励磁磁场外还有环境磁场。如果考虑到环境磁场加在铁芯轴向的分量H0时，则感应线圈上产生的感应动势可表示为：

因为励磁磁场瞬时值呈周期性变化，但铁芯磁导率μ变化无正负之分，所以μ(t)是偶函数，表达式为：

式中，μ0m是μ(t)的常值分量；μ2m、μ4m、μ6m…为μ(t)的偶次谐波分量幅值。

当H0比铁芯饱和磁场强度Hs和励磁磁场强度幅值Hm都小得多时，它对铁芯磁导率μ(t)的影响可以忽略，（3）式末项就是环境磁场H0引起的感应电动势e的增量e(H0)，则：

式（5）证明只要铁芯磁导率μ随励磁磁场强度而变，感应电动势中就会出现随环境磁场强度而变的偶次谐波增量e(H0)，当铁芯处于周期性过饱和工作状态时，e(H0)将显著增大，磁通门探头就是利用这一原理来测试地磁场大小和方向的。

2　磁通门探头的设计

测量地磁方位的磁通门罗盘一般采用二维磁通门探头，本设计的磁通门探头由软磁材料铁芯、铁芯固定支架、绕线骨架、励磁线圈、感应线圈等组成，结构示意图如图1。

图1　磁通门探头结构示意图

励磁线圈每隔90°分匝数相等的四部分均匀绕在圆环形铁芯心上，在圆环铁芯心外围正交的绕制两路感应线圈。

从磁通门工作原理可以看到磁通门探头是一种变压器式的器件。只不过有用信号是变压器不希望出现的磁通门信号，变压器效应感应电动势却成了对磁通门探头有害的探头噪躁声，在设计中要尽量减小。

2.1探头铁芯设计

2.1.1形状选择

对单铁芯探头来说，感应线圈输出的磁通门信号相比变压器效应信号非常微弱。为实现精确测量，必须设法减小磁通门探头变压器效应的感应电动势，最好的办法是设计出双铁芯差分探头。通常的办法是采用两个平行的单铁芯探头，它们的励磁线圈反向串联，感应线圈同向组成，才能使变压器效应的感应电动势相抵消，而磁通门信号叠加。这种方法存在铁芯匹配、安装困难，由于铁芯和绕线很难一致，精度不会太高。同时两路需要四个匹配的单铁芯，体积和调试难度也会加大。

如图1的磁通门探头设计采用一片圆形铁芯，励磁线圈由4组互相正交、大小相等、方向相同串联的线圈组成；感应线圈由两组正交的大小相等的线圈组成。励磁磁场在同一组感应线圈上产生的感应电流相互抵消，而由于地磁场方向在同一地点是稳定不变的，所以它在感应线圈上产生的感应电流是相互叠加的。对同一片小软磁圆片材料来说，达到磁性能相近相对来说是很容易实现的，这样设计对线圈的一致性要求也降低了很多，从结构上保证了高精度测量。

2.1.2材料选择

铁芯是磁通门探头的核心器件，决定着磁通门探头的所有性能。磁通门探头要求软磁材料具有高磁导率、低矫顽力和损耗、磁性能稳定等特点。比较适合磁通门的软磁材料有坡莫合金和钴基非晶合金等，坡莫合金对应力比较敏感、加工和热处理复杂，钴基非晶合金具有接近于零的饱和磁致伸缩系数，对应力不敏感，但价格昂贵。

2.2励磁线圈和感应线圈设计

励磁线圈根据铁芯材料的特点和磁化曲线设计，线圈产生的励磁磁场使铁芯工作在饱和区附近，这样地磁场产生的感应信号就能达到最大，最佳圈数和励磁电压可根据实际调整。

感应线圈一般根据最大体积尽可能多的圈数，以增加探头灵敏度。但是如果层数太多，漏磁增加也会带来噪躁声，所以最后也是通过实验进行最后调整。

2.3结构设计

2.3.1骨架设计

骨架是安装铁芯和绕线的支架，骨架的设计核心是定位基准精确。磁通门探头由下腔体、上盖以及限位挡圈等几个零件组成，这几个零件全部采用聚碳酸脂注塑成型，限位挡圈的作用是防止铁芯在腔体内部旋转，上盖和腔体之间配合面均匀涂密封胶，保证腔体内密封。腔体和上盖圆周方向外表面均匀分布8槽，励磁感应线圈绕在槽内，结构外围开小孔用于装配焊脚，方便罗盘直接装配在印制板上，结构示意图如图2。

图2　骨架结构示意图

2.3.2抗倾斜设计

磁通门探头采用铁芯漂浮在骨架内的液体内实现一定角度的抗倾斜，比起设计复杂的机械抗倾斜装置，这种方法更简单、可靠。由于铁芯材料是金属材料，比重偏大，比重大的无毒、绝缘、熔点低于−40℃的溶剂稀有，因此必须通过固定铁芯保护壳的设计，降低铁芯套件的比重。受体积的限制铁芯保护壳只能超薄，但同时必须保证一定的刚度和较小的密度。本铁芯保护壳采用特定的浮力材料设计，既具有一定的刚度又能有效地降低铁芯套件的比重，使其能漂浮在比重为0.95的无毒硅油溶剂中。

3　电路设计

罗盘电路主要包括激励电路和感应信号调理等电路，其中激励信号产生激磁线圈的激励源，感应信号调理电路接收感应线圈的信号并经处理得到两路携带地磁信息的直流信号。激励电路由信号发生器和驱动电路组成，信号发生电路产生3～6 kHz的激励信号，通过驱动电路驱动磁传感器探头的励磁线圈，其中原理电路如图3。

图3　驱动电路原理图

感应信号调理电路由鉴相电路、放大滤波、电平调整等电路组成，主要实现接收并检测感应线圈中与地磁场强度有关的信息，主要原理图如图4。

图4　感应信号调理电路原理图

4　结论

经测试坡莫合金J79和J85两种材料的磁通门探头均能达到小于0.3°的精度，经过−40℃～55℃温度试验后测试性能稳定，能实现−20°～20°的抗倾斜，均方误差精度也小于0.5°，具体误差分布见图5 J85材料磁通门误差分布图和图6 J79材料磁通门误差分布图。

图5　J85材料磁通门误差分布图

图6　J79材料磁通门误差分布图

目前国内使用的磁通门探头采用双差分磁芯设计，匹配调试复杂、安装困难，二维磁通门传感器采用机械倾斜，存在加工难度大和体积巨大等问题。本磁通门探头设计结构简单，以此磁通门探头为基础元件设计的磁通门罗盘具有成本低、精度高、调试方便等优点，能广泛应用于航海、船舶、工程等需要测向定位的领域，具有广阔的使用前景。

参考文献 ：

[1]张学孚, 陆怡良. 磁通门技术[M]. 北京:国防工业出版社，1995.