基于磁通门的爆炸场瞬态磁场测量方法研究

柴栋梁，王文廉,2



基于磁通门的爆炸场瞬态磁场测量方法研究

柴栋梁1，王文廉1,2

（1.中北大学仪器与电子学院, 山西 太原，030051；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原，030051）

针对爆炸场中的电磁场测量需求，研究一种基于磁通门的瞬态磁场测量方法。将磁通门传感器与采集存储电路集成为微型的测试节点，通过多节点的测试网络以实现对电磁场分布的测量。测试节点以FPGA为控制核心，具有工作参数可编程功能。利用亥姆霍兹线圈标定了测试节点的静态特性，并在爆炸场进行了电磁场测量试验，结果表明该测量方法可适用于爆炸场中的电磁场测量。

爆炸；磁通门；瞬态磁场；存储测试技术

爆炸场测量是各种弹药及武器研制的重要实验手段，爆炸会产生瞬态电磁场，掌握电磁场分布可用于分析爆炸物特性以及对其他测量仪器的影响。目前，对于瞬态磁场的研究主要集中在对变电站电磁干扰问题的研究上[1-3]，对于爆炸场产生的瞬态磁场的研究较少。磁场测量方法包括磁力法、电磁感应法、磁饱和法、电磁效应法、磁共振法、超导效应法[5]等。近年来随着PCB技术、微纳加工技术以及MEMS技术发展，磁传感器实现了微型化[5]，大小不到0.1mm2的微型磁通门传感器[6]已经实现。磁通门调理部分包含多个电路，造成了常规的磁通门应用电路体积较大。本文采用磁通门传感器设计了用于爆炸场的瞬态磁场测量系统，并对其进行静态标定和爆炸场试验。

1 瞬态磁场测量原理及系统设计

1.1 瞬态磁场测量原理

爆炸场内瞬态电磁场分布测量原理如图1所示。通过磁通门与测量电路集成为单个的测试节点，多个测试节点分布在爆炸场内，自动记录瞬态的电磁场变化。通过爆炸后的数据回读和处理获得爆炸场内的各点电磁场分布情况。每个测试节点将瞬态磁场转换为电压信号，并根据信号触发采集存储。

图1 瞬态磁场测量原理

1.2 磁通门工作原理

磁通门传感器结构如图2所示，当激励线圈受到交变电流激励时，会产生相应的交变激励信号，磁芯的磁导率对激励信号的变化比较敏感。

图 2 磁通门传感器结构

当磁导率发生周期性饱和与非饱和变化时，感应线圈能够感应出这种变化并且产生能够反映被测磁场大小的感应电动势[7]。图2中1是激励线圈（初级线圈）；2是次级线圈。初级线圈产生激励磁场1，0为待测磁场，为次级线圈的感应电压。

假设激励磁场为：

1=Hsin（1）

式（1）中：1为激励线圈产生的磁场强度；为激励磁场角频率。根据磁场强度与磁感应强度关系可知磁芯内部总磁感应强度为

=×=×(1+0) （2）

式（2）中：为磁导率；为总磁场强度；为总磁感应强度。当激励磁场产生磁场不足以使磁芯达到饱和时，根据法拉第电磁感应定律，次级线圈上产生的感应电压为

=-Hcos（3）

式（3）中：为次级线圈匝数；为线圈横截面积，此时感应电压不含待测磁场项。当激励磁场能使磁芯达到周期性饱和时，不再是一个常数而是时间的周期函数，并且是偶函数。此时感应电动势经整理后为：

式（4）中：为磁导率的直流部分；为磁导傅里叶级数系数。从式（4）可以看出感应电压中反映待测磁场的电压分量，都是的偶次谐波，因此检测的偶次谐波就能得到待测磁场的大小。

1.3 传感器应用设计

磁通门传感器的应用需要通过信号调理将磁场信号转变为电压信号，常规的磁通门需要比较复杂的调理仪器。微型磁通门器件内部集成了传感器、积分器、差分驱动器、分流电阻、补偿线圈等组成的闭环系统，通过简单的外部电路可实现信号的调理。图3是根据TI公司的磁通门传感器研制的应用电路。传感器的输出电压out可简化为：

out=±12.2×××4+ V（5）

式（5）中：为外部的电阻，可用于调节输出电压的大小；V为输出提供偏置电压。为了降低噪声，在应用电路中增加了滤波电路。

图3 传感器应用电路

1.4 基于FPGA的测试节点设计

测试节点将磁通门、调理电路、采集电路、存储电路以及电源设计在一起，形成微型的安装结构，可用于爆炸试验场的多点安装。以FPGA为控制核心，设计测试节点可以实现可编程功能，减小控制电路，提高可靠性。测试节点的功能结构如图4所示。

磁场信号通过磁通门转换为电压信号，在FPGA的控制下，A/D转换和存储器协同工作，把模拟信号转换为数字信号并写入存储器。FPGA作为控制的核心，负责几乎所有的功能和参数。在器件内部实现触发判断、数据缓存、负延迟控制和存储地址控制；对外负责AD变换和数据存储，以及增益放大的控制。基于FPGA的可编程特性，对于测试节点的工作参数可以通过编程的方式来改变。可编程参数包括触发阈值、负延迟长度、AD变换速率、数据存储长度以及增益放大的倍数等。

图4 测试节点功能结构

测试节点的工作流程如图5所示。系统上电后ADC在FPGA控制下采样转换数据，并写入当前地址指向的存储单元。数据与触发阈值进行比较，当大于该触发阈值时，系统触发负延迟开始。负延迟结束时采集存储功能结束，测试数据被记录在测试节点内，等待数据回收。

图5 测试节点工作流程

2 节点静态特性测试

2.1 测试方法

通过亥姆霍兹线圈产生静态磁场，根据测试节点的测量结果分析静态特性。通过调节通过线圈的电流大小和方向，可改变产生的磁场大小和方向。亥姆霍兹线圈由底座及固定在转盘上的线圈组成，转盘可以相对底座360°转动，如图6所示。设传感器敏感轴与磁场方向夹角为。当=0时，调节线圈电流大小，记录测试节点的输出，分析线性度；在保持线圈电流恒定的情况下，转动转盘改变线圈磁场与敏感轴夹角，分析输出特性。

图6 静态特性测试

2.2 线性度（β=0）

将测量电路敏感轴角度调节至零位输出角度，包括地磁在内的外界磁场矢量应与敏感轴垂直。将线圈转盘转动至与敏感轴平行时将电源接通，调节输入电流大小，测量不同电流下电压的输出情况。将测量结果按照式（5）转换为磁感应强度。测量数据点用matlab进行线性拟合，拟合直线如图7所示，拟合直线方程为：

=1.895 6×-1.013 8×10-4（6）

可得到（非线性误差）线性度为：±0.97％。

改变流入线圈电流的方向，使激励磁场方向反转，得到的结果如图8所示，拟合直线方程为：

=-1.969 1×+0.001 4 （7）

图7 测量磁感应强度与线圈电流关系

图8 测量磁感应强度与线圈电流关系

2.3 β与输出的关系

为了测试线圈磁场（激励）与测量电路敏感轴之间夹角改变时，测试节点的输出特性。先调节电路角度至零位输出，转动线圈底座至与装置敏感轴平行的位置，将线圈电流调节至恒定的0.025A，逆时针转动转盘，每次转动15°，记录电路输出电压值，并换算成磁感应强度。理论上单轴磁通门敏感轴投影方向磁场强度与总磁场强度关系为：

B=cos（8）

式（8）中：B为敏感轴方向磁感应强度；为总磁感应强度；为线圈磁场（激励）与电路敏感轴夹角。根据初始电路输出电压值计算出对应的初始磁感应强度值，然后根据式（8）计算出不同时电路的输出电压值，结果转换为磁感应强度，得到一条——的理论曲线；记录变化时，电路的输出电压，计算得到实际的——曲线。测试及分析结果如图9所示。可以看出，测试节点输出曲线与理论曲线吻合较好，表明该系统有良好的单轴特性。

图9 β与测试结果的关系

3 爆炸场测试应用

将该系统应用于爆炸场瞬态磁场测量，测试现场安装如图10所示。

图10 爆炸场测量

测试节点安装在地面，并与地面保持平行。小型爆炸物离地面0.5m，与测试节点距离1m。测量结果如图11所示。虽然爆炸物当量较小，但是测量结果表现出明显的瞬态特性。在爆炸时刻有瞬态磁场，上升时间小于200μs，幅度为0.02mT。

图11 瞬态磁场测量结果

4 结论

研究了基于磁通门的瞬态磁场测量方法，并初步应用于爆炸场测量中。利用FPGA的可编程特性，研制了具有参数可变的微型测试节点，可适用于爆炸场中的分布式测量系统。

[1] 李福超.瞬态磁场测量仪硬件设计与实现[D].成都:电子科技大学,2012.

[2] 肖保明.瞬态弱磁场测量系统的研究[D].北京:华北电力大学, 2004.

[3] 史仰伟.变电站瞬态磁场测量系统的研究[D].北京:华北电力大学,2009.

[4] 车晓芳.磁场测量技术的发展与应用[J].湖北科技学院院报, 2014,34(10):11-12.

[5] 胡佳飞,李裴森,于洋,等.磁传感技术的应用与发展[J].国防科技,2015,36(4): 5-6.

[6] O.Zorlu,P.Kejik,W.Teppan.a closed core microflxgate sensor with cascaded planar FeNi rings[J].Sensors and Actuators A:physical,2010(16)2:241-244.

[7] 韦金芬.基于FPGA的单轴数字磁通门传感电路设计[J].传感器世界,2014,20(03):30-32.

[8] 尹春晓.磁通门传感器及其模拟处理电路的研究[D].长春：吉林大学,2010.

Study on the Measurement Method of Transient Magnetic Field in Explosion Field Based on Flux-gate

CHAI Dong-liang1，WANG Wen-lian1,2

(1.School of Instrument and Electronics, North University of China，Taiyuan，030051；2. Key Laboratory for Instrumentation Science & Dynamic Measurement, Ministry of Education，North University of China, Taiyuan，030051)

Aiming at the demand of the measurement of electromagnetic field in the explosion field, a transient magnetic field measurement method based on flux-gate was studied. The flux-gate sensor and the acquisition & storage circuit were integrated into the micro test node. The multi-node test network can realize the measurement of the electromagnetic field distribution. FPGA is the control core of the test node, which has the function of work parameters programmable. The static characteristics of the test nodes were calibrated using the Helmholtz coil, and the electromagnetic field was tested in the explosion field. The test showed that the method can be used in the measurement of electromagnetic field in the explosive field.

Explosion；Flux-gate；Transient magnetism；Memory and test technology

1003-1480（2017）05-0050-04

TJ450.6

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.05.013

2017-06-20

柴栋梁（1992 -），男，在读硕士研究生，主要从事磁场测试研究。