宽频响低噪声磁通门磁强计设计研究*

张 忆 望 翔齐侃侃 郭 涛

（1.宜昌测试技术研究所 宜昌 443000）（2.北京宇航系统工程研究院 北京 100076）

1 引言

磁通门磁强计是利用软磁材料磁化饱和时的非线性特性工作的一种弱磁场测量传感器，具有测量范围宽、分辨率高、结构简单、可靠、经济、能够直接测量磁场的分量和适于在速运动系统中使用等特点，可广泛应用于地磁探测、地磁导航、地质探矿、无损探伤以及空间环境探测等领域［1～2］。

本文设计了一种宽频响低噪声磁通门磁强计，首先对磁探头的结构和原理进行研究，通过Maxwell与Simplorer的电磁联合仿真功能对磁探头进行了优化，确定了磁探头的参数；然后对磁强计的磁通门电路设计、主控制器电路设计、软件功能和软件流程进行了介绍；最后分析了影响频率响应范围和磁场噪声的因素，通过优化参数制造出样机，并在计量站实验室里进行了测试，对测试结果的数据进行了分析计算，验证了磁强计的性能指标，满足宽频响和低噪声的技术要求。

2 探头设计

2.1 探头结构设计

磁通门磁强计的磁探头采用分离式的形式，使磁探头与含有电路和显示屏的机箱分开，减少其对磁探头的影响。磁探头采用立方体结构，是由三个小探头组成的一个三轴探头，其布置的位置影响正交度的大小。单个磁探头由磁芯材料、激励线圈、感应线圈、骨架组成［3］。图1所示的双磁芯磁探头结构中，1、2号端口用来接入激励信号。3、4号端口为感应信号输出。上下两磁芯分别饶有匝数为N1的激励线圈，感应线圈的匝数为N2。磁芯材料水平置于骨架材料上。在交变激励信号f1的磁化作用下，磁芯的导磁特性发生周期性饱和与非饱和的变化，从而使围绕在磁芯上的感应线圈感应出反映外界磁场的信号［4～7］。

图1 磁探头的原理图

2.2 探头参数设计

磁探头组成的物理参数首先是通过理论计算推导，然后利用Maxwell与Simplorer的电磁联合仿真功能，分析了磁通门探头在外部磁场环境中的瞬态响应过程，最后确定了探头的参数［8～9］。磁芯采用2mm宽，30um厚，18mm长的带状（长方体）坡莫合金，间隔1mm；激励线圈螺线管长18mm，采用漆包线绕制3层；感应线圈螺线管长18mm，采用漆包线绕制10层，磁芯内部磁感应强度分布仿真结果如图2所示［10］。

图2 磁芯内部磁感应强度分布云图

3 电路设计

3.1 磁通门电路设计

磁通门传感器的处理电路一般分为两个部分，包括激励电路和信号调理电路，如图3所示。激励电路中，晶振产生的方波信号通过分频器得到激励信号源，但此时信号不能直接用以激励探头，需要经过功率放大模块激励磁通门激励线圈，使磁通门探头输出感应信号。信号调理电路中，磁通门探头的输出信号十分微弱，需要经过前置放大；经放大后的信号噪声也相应被放大，此时需要进行滤波，剔除输出信号中的噪声。用激励信号的倍频作为相敏检波参考信号，对滤波之后的磁通门探头感应信号检波。检波后的信号经积分电路和反馈电路构成闭环系统，得到磁通门输出信号，该信号与磁场的大小呈正相关［11～12］。

图3 磁通门电路示意图

3.2 主控制器电路设计

主控制器的电路包括电源模块、控制处理模块、数据采集模块、数码管驱动模块、数码管显示模块、通信模块和端子接口等，电路组成和原理如下图4和5所示［13～14］。电源模块主要是把输入的12V电压转换为需要的2.5V、3.3V和5V电压，供电给各个不同的模块；控制处理模块采用STM32F103RBT6芯片，主要功能包括采集AC模式下的三轴磁通门数据、采集数据计算处理、磁通门数据输出、数码管驱动与更新、传感器参数数据输入和与上位机通信等功能；数据采集模块采用AD7734芯片，主要功能是采集DC模式下的三轴磁通门数据；数码管驱动模块主要功能为动态驱动LED数码管显示器发光；数码管显示模块采用直插式四位LED数码显示器，主要是对磁通门磁强计的数据进行显示；通信模块是控制处理模块与上位机之间数据交互的中间转换站；端子接口主要包括电源输入接口、与磁通门电路数据输出的接口、与上位机通信接口、按键输入接口以及程序仿真下载接口。

图4 主控制器的电路组成框图

4 软件设计

4.1 软件功能

磁通门磁强计软件的功能单元包括系统初始化单元、数据采集单元、数据处理单元、数据显示单元、数据传输单元和按键处理单元，功能如图6所示。系统初始化单元对单片机、外设和磁通门初始参数进行初始化，数据采集单元进行磁通门的磁传感数据采集，数据处理单元对磁通门的采集数据进行处理，数据显示单元对磁通门的处理数据进行LED显示，数据传输单元对磁通门的处理数据进行输出以及磁通门的初始参数进行输入，按键处理单元对磁强计的按键进行处理。

图5 主控制器电路原理图

图6 磁通门磁强计软件功能框图

4.2 软件流程

磁通门磁强计的软件流程如图7所示［15］。软件分为DC与AC两种模式，DC模式采用AD7734进行数据采集，AC模式采用单片机自带的ADC进行数据采集。软件在DC模式下运行时，每10ms采集一次数据，采集10次后进行数据处理，处理后的数据每100ms进行数据输出，每500ms在LED数码显示器上进行数据显示；软件在AC模式下运行时，每次采集的数据进行读取和计算，每10ms把计算后的90次数据进行打包输出，可以达到9K的采样率，每500ms在LED数码显示器上进行数据显示。

图7 磁通门磁强计软件流程图

5 实验分析与测试结果

在磁通门磁强计系统中，为了找到影响磁强计频率响应范围的主要来源，通过对不同影响因素的磁探头物理参数与激励电路参数进行对比测试分析，分析得到反馈时间常数是影响频率响应范围的最主要因素。从式（1）可以看到，影响反馈时间常数的主要因素是磁芯材料磁导率、磁芯横截面积、反馈线圈匝数及反馈系数。

式中：TF为反馈时间常数；μ为磁芯材料磁导率；S为磁芯材料横截面积；Wf为反馈线圈匝数；l为探头有效长度；R为感应线圈的电阻；Rf为反馈电阻；F为反馈系数。

在磁通门磁强计系统中，影响磁通门磁强计磁场噪声的因素可以概括为以下三个方面：一是由于双磁芯探头结构中上下两磁芯结构参数和电磁参数的不一致，引起了检测线圈输出信号中的差动变压器效应，导致了基次和三次谐波噪声；二是由于磁芯材料本身巴克豪森效应带来的噪声；三是来源于激励信号源和电路本身的二次谐波噪声信号。

本文主要从反馈系数出发，通过优化反馈电阻与积分电容，微调磁通门磁强计带宽；以及通过对磁探头参数、匹配电路设计和芯片噪声进行优化，达到了宽频响和低噪声的指标要求，设计的磁通门磁强计在国防科技工业弱磁一级计量站实验室里进行了测试，如图8所示。

图8 磁通门磁强计测试图

磁通门磁强计的频率响应范围和噪声测试结果如表1和2所示，分析表1数据可以得到，X轴频率响应3kHz处输出电压值衰减为2.810dB，Y轴频率响应3kHz处输出电压值衰减为2.839dB，Z轴频率响应3kHz处输出电压值衰减为2.815dB；分析表2数据可以得到，X轴磁场噪声为8.5pT/Hz1/2@1Hz，Y轴磁场噪声为8.2pT/Hz1/2@1Hz，Z轴磁场噪声为8.2pT/Hz1/2@1Hz。

表1 频率响应范围测试结果

表2 磁场噪声测试结果

6 结语

本文设计了一种宽频响低噪声磁通门磁强计，对磁探头进行仿真优化，得出了最优的参数和结构，以及对电路设计和软件设计进行了介绍，并分析了影响频率响应范围和磁场噪声的因素，通过优化相应影响因素的参数制造出样机，最后在计量站实验室里进行了测试。实验室测试数据表明，磁通门磁强计频率响应可以达到DC～3kHz（3dB），磁场噪声不大于10pT/Hz1/2@1Hz，满足了频率响应范围宽和磁场噪声低的技术要求，为后续的磁通门磁强计设计提供了参考。