数字补偿式巨磁阻抗传感器设计

杨志成， 车　振

(中国船舶重工集团公司 第七一○研究所，湖北 宜昌 443003)



数字补偿式巨磁阻抗传感器设计

杨志成， 车振

(中国船舶重工集团公司 第七一○研究所，湖北 宜昌 443003)

摘要:地磁环境下弱磁信号的检测要求地磁传感器具有灵敏度高、工作范围宽的特点，非晶丝在高频交流激励下具有阻抗变化率高的特点，宜于用来作地磁传感器。但非晶丝线性工作区较短，不能完全覆盖地磁场范围，通过采用数字补偿技术可以补偿大部分地磁场，使传感器工作于非晶丝的线性区，提高了传感器的灵敏度，扩展了传感器的工作范围。通过测试，采用数字补偿技术的巨磁阻传感器灵敏度为71.133 μV/nT，工作于-61 750.8～73 774.8 nT，与被测磁场的最大误差为2.45 nT。

关键词：数字补偿； 巨磁阻抗； 地磁传感器； 非晶丝；灵敏度；模块

0引言

1992年，Mohri K教授等人发现了非晶态合金的交流磁阻抗随外加磁场的变化而显著变化的现象[1]，即巨磁阻抗(giant magneto impedance,GMI)效应。依据巨磁阻抗效应研制的传感器具有灵敏度高、线性度好等优点[2,3]，我国也开展了相应的研究[4～7]，由于非晶丝在交流激励下阻抗变化灵敏度高，线性工作区较短，在地磁环境下使用时很容易饱和，为改善传感器性能，可以采用负反馈扩展传感器的工作范围，但负反馈会导致传感器灵敏度的降低，同时深度负反馈会导致系统不稳定[8,9]。

本文提出了采用数字补偿技术，在不降低传感器灵敏度的基础上扩展巨磁阻抗传感器的工作范围，使其能够较好地在地磁场环境中使用。

1传感器总体结构设计

数字补偿式巨磁阻抗传感器整体结构如图1所示，该测量系统主要包括巨磁阻抗传感器、AD采样模块、补偿模块、供电系统、上位机5个部分。其中，巨磁阻抗传感器用于将磁场信号转换为电压信号。AD采样模块主要用于将巨磁传感器的模拟电压输出转换为数字量，AD采样模块一方面将该数字传输量给上位机，用于上位机数据的解算和显示；另一方面，存储巨磁阻抗传感器的外加磁场和输出电压的特性曲线，用于补偿模块查询使用。

2补偿模块工作原理与装置实现

DA补偿模块主要用于补偿地磁场，在未加补偿模块时测得的传感器输出与外加磁场的关系如图2所示，传感器输出在磁场范围为BC段时变化灵敏，且线性度较好，但其工作范围约为-5 000～3 000 nT，在地磁场中容易饱和，在地磁环境中使用时需通过补偿装置进行补偿，使补偿后的磁场位于-5 000～3 000 nT范围内。补偿模块可以通过控制输出到传感器补偿线圈电流的大小控制补偿磁场的大小，所需补偿磁场值的大小由传感器在被测磁场中所处的工作区间决定。

图1　测量系统总体结构示意图Fig 1　Overall structure of measuring system

图2　巨磁阻抗传感器输出电压与外加磁场的关系Fig 2　Relationship between output voltage of giant magnetoimpedance sensor and external magnetic field

2.1传感器工作区间的确定

传感器的工作特性曲线分为AB,BE,EC,CD四个区间，其中,E点为传感器输出为零的点。判断传感器工作区间的流程图如图3所示，首先判断AD采集模块输出电压是否大于零，若传感器输出大于零，则传感器处于ED段，若小于零,则位于AE段，若传感器位于DA段，则通过补偿模块向传感器施加一定的正向磁场，该磁场值可以由程序设定，本文设定为5 nT，若传感器输出电压增加，则传感器位于BE段，若输出电压减小,则传感器位于AB段；若第一次判断传感器位于AE段，则通过补偿模块向传感器施加-5 nT磁场，若传感器输出电压减少，则传感器位于EC段，若输出电压增加，则传感器位于CD段。

图3　传感器区间判断流程图Fig 3　Flow chart of sensor interval judgment

如图2所示，传感器工作于BC段时，其输出电压与外加磁场近似呈线性关系，可以用式(1)来表示

y=ax+b.

(1)

其中,y为传感器输出模拟电压，μV;x为外加磁场，nT;a为传感器灵敏度。传感器所处的磁场可以由式(2)计算

(2)

其中,N为由AB段或CD段调整到BC段所需要调整的次数，C为每次调整的磁场值，yn为经过n次调整后传感器的输出。

2.2补偿装置实现

补偿模块模块示意图如图4所示，补偿模块选用单片机STM32F103ZET6作为主控单元，通过单片机控制D/A转换芯片，输出幅值可调的模拟电压，用该模拟电压控制恒流源，输出恒定电流驱动巨磁阻抗传感器偏置线圈，为巨磁阻抗传感器提供一个偏置磁场。为保证恒流源输出电流精度，在恒流源输出端外接一个采样电阻器，将恒流源输出电流以电压的形式通过D/A转换输出到单片机，与单片机中预设值进行比较，形成负反馈，提高恒流源输出精度。同时，将单片机与上位机和AD采样模块相连，上位机主要实现线圈常数设定、偏置磁场的设定、显示等功能，AD采样模块负责向反馈模块提供传感器输出电压，为传感器工作区间确定提供依据。

图4　补偿模块示意图Fig 4　Diagram of compensation module

3测试结果与讨论

3.1巨磁阻抗传感器灵敏度测试

由式(1)可知，被测磁场的求取与灵敏度有关，需通过测试获取。测试装置如图5所示，将巨磁阻抗传感器置于螺线管线圈线性区内，将传感器探头敏感方向与螺线管轴向平行放置，将标准电流源通过1通道与线圈相连，通过控制电流源输出实现传感器外部磁场的变化。为减少地磁场干扰，将传感器置于屏蔽桶内。

图5　传感器侧装置示意图Fig 5　Diagram of sensor side device

通过测试，传感器输出电压y与外部磁场x的关系如图6所示，数学表达式为

y=71.133x+809 337,

(3)

则由式(3)可知传感器灵敏度为71.133 μV/nT。

图6　传感器输出电压与外界磁场关系Fig 6　Relationship between output voltage of sensorand external magnetic field

3.2反馈线圈常数测定

如图4所示，测量装置通过控制恒流源输出电流的大小来控制补偿磁场的大小，所以,需获取补偿线圈常数，补偿线圈常数可以通过计算法或实验室测试法获取，为提高线圈常数的准确性，本文采用实验室测试法。测试装置如图5所示，将电流源通过2通道与传感器反馈线圈相连，调节电流源输出并用数字式万用表Agilent34401记录传感器输出电压，测试结果如图7所示。

图7　反馈线圈输入电流与传感器输出关系图Fig 7　Relationship between feedback coil input currentand sensor output

传感器输出电压与电流源输出近似呈线性关系

u=2.742 9i-0.405 9.

(4)

结合式(3)、式(4)可求出传感器反馈线圈常数为38 590.2 nT/mA。

3.3传感器工作特性测试

将传感器通过RS—232串口与计算机相连，并通过图5装置向传感器施加磁场，记录下电流源输出电流和上位机输出电压，其中，螺线管线圈常数为2 020 nT/mA，测试结果如图8所示，曲线B表示外加磁场与传感器输出磁场的关系，曲线C表示传感器输出磁场和外加磁场的差值与外加磁场的关系。

图8　外部磁场与传感器输出磁场关系Fig 8　Relationship between external magnetic fieldand output magnetic field of sensor

传感器的工作范围为-61 750.8～73 774.8 nT；传感器输出磁场与螺线管线圈最大差值为2.45 nT。

4结论

本文以非晶丝为敏感材料，设计了一种数字补偿式巨磁阻抗传感器，极大程度地扩展了巨磁阻抗传感器的量程，解决了巨磁阻抗传感器量程小的问题，使其可以在地磁环境下应用。和反馈法扩大巨磁阻抗传感器量程的方法相比，该方法不减小传感器的灵敏度，不受反馈深度等因素的影响。实验表明：采用数字补偿技术的巨磁阻抗传感器灵敏度为71.133 μV/nT,在61750.8～73774.8 nT范围内，磁场最大误差为2.45 nT。该装置工作稳定，输出磁场可靠，为磁场测量提供了一条新思路，有望应用于磁探测和磁定位领域。

参考文献:

[1]Mohri K,Kahzawa T,Kawashima K.Magneto-inductive effect(MI effect)in amorphous wires[J]．IEEE Transaction on Magnetics,1992,28(5):3150-3152．

[2]孙骥，邓甲昊，高珍,等.基于巨磁阻抗效应的非晶丝微磁传感器[J].清华大学学报:自然科学版，2008，48(2):1868-1872.

[3]柴秀丽，张延宇.巨磁阻抗磁传感器研究进展[J].传感器与微系统，2011，30(12):11-1872.

[4]鲍丙豪，吴伟，胡恩球.非晶丝单磁芯双绕组闭环系统新型磁场传感器研究[J].电子测量与仪器学报，2001，15(3):61-65.

[5]杨波，卜雄洙，赵文.频率调制型巨磁阻抗弱磁传感器设计[J].电子测量与仪器学报，2013，34(12):1600-1604.

[6]柴秀丽，甘志华，闫萍.带材非对角非对称巨磁阻抗效应传感机理建模[J].仪器仪表学报，2011，32(10):2222-2226.

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[9]解伟男，梁慧敏.基于巨磁阻抗效应磁场测量传感器研究[J].哈尔滨工业大学学报，2011，43(8):109-112.

Design of digital compensation type giant magneto impedance sensor

YANG Zhi-cheng, CHE Zhen

(710 Research Institute,China Shipbuilding Industry Corporation,Yichang 443003,China)

Abstract:To detect weak magnetic signal under geomagnetic field,geomagnetic sensor that have characteristics of high sensitivity and wide operating range should be used，amorphous wire that has characteristic of high impedance variation rate in high frequency alternating current excitation is suitably used as magnetic sensor.But region of amorphous wire is too short to completely cover range of geomagnetic field,digital compensation technology can be used to compensate most of geomagnetic field,the sensor can work in the linear region of the amorphous wire,sensitivity of the sensor can be improved and working range can be extended.Through the test,the sensitivity of the sensor that using the digital compensation technology is 71.33 μV/nT,the working range is -61 750.8 nT～73 774.8 nT and the maximum error of the detected magnetic field is 2.45 nT.

Key words:digital compensation; giant magneto impedance(GMI); geomagnetic sensor; amorphous wire;sensitivity;module

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0100—03

收稿日期：2015—04—29

中图分类号：TJ 02

文献标识码：B

文章编号：1000—9787(2016)02—0100—03

作者简介:

杨志成(1991-)，男，河南许昌人，硕士研究生，研究方向为地磁传感器与微弱信号处理。