高温磁通门传感器设计与实现

葛翰林,张一鸣,张晨浩,周佳琦

(北京工业大学信息学部,北京 100124)

0 引言

传感器一般用于检测来自环境中的某种信息并将其按照一定规律变换成电信号或者其他形式的信号输出[1]。磁通门传感器因测量精度高、体积小、测量范围广等优点被广泛应用在低频微弱磁场测量[2]。

高温磁通门传感器作为地下几何导向高温传感器的重要组成部分[3],主要用来测量方向,通过与地磁场模型匹配,进行地理方位的转换,从而获得钻头方位角的倾角,是旋转导向测井的主要传感器之一[4]。

磁通门处理电路通常可分为模拟式和数字式两类,传统的模拟式磁通门传感器存在易受电磁和温度等其他方面的影响,且电路难以集成等缺点[5]。因此磁通门处理电路多采用数字类型[6],目前应用较为广泛的数字电路核心处理器为ARM、DSP、FPGA等[7]。

高温磁通门在设计时存在高温器件性能损失、磁芯磁导率调制困难、电路尺寸与选型受限等技术难点。本文根据环形磁芯结构探头进行建模分析,描述了基于SM320F28335GBS芯片作为主控单元的磁通门数字化电子学单元的实现,并配合磁通门探头完成了175 ℃高温环境下的磁场测量。

1 磁通门传感器信号提取与分析

1.1 环形磁芯探头数学模型

磁通门探头的常见结构模型有单磁芯型、双磁芯型、跑道型、环形等[8],其中环形磁芯结构如图1所示[9]。它主要由磁芯、激励线圈、感应线圈、反馈线圈、骨架等组成[10]。

图1 环形磁芯探头结构示意图

本设计采用环形磁芯结构使激励线圈产生的磁场相互抵消,从而在感应线圈中仅存在包含外界环境磁场的信号,避免了因变压器效应产生的噪声干扰。

磁通门传感器是利用软磁材料在深度饱和后磁导率的非线性特性实现外界微弱矢量磁场的测量[11]。地球静磁场的测量需依靠磁性材料磁滞现象,所以需要额外增加磁芯励磁信号,使得磁芯能够处于周期性深度饱和状态,将被测静磁场调制为感应电信号,形成磁通门效应。将环形结构近似为双磁芯型结构进行分析并根据磁场强度、磁导率、磁感应强度的关系可知,磁芯处的磁感应强度由两磁芯上的磁感应强度叠加而成,表达式为

B=B1+B2
=μ1(H0+Hmcosωt)+μ2(H0-Hmcosωt)

(1)

式中:ω为激励信号频率;Hmcosωt为激励磁场在磁芯中产生的磁场强度;H0为被测磁场强度;μ1和μ2分别为两等效磁芯的磁导率。

若磁芯的横截面积为S,则感应线圈中的磁通量φ为

φ=BS
=S[μ1(H0+Hmcosωt)+μ2(H0-Hmcosωt)]

(2)

再将感应线圈中的磁通量φ进行傅里叶级数展开可得:

(3)

式中Фnm为磁导率的谐波分量,可表示为

(4)

利用分部积分法和三角函数进一步推导后,由法拉第电磁感应定律可知调制的感应电动势为

(5)

式中W为感应线圈匝数。

故线圈中产生的感应电动势幅值为

(6)

式中Hs为磁芯材料的饱和磁场强度。

由于感应信号中二次谐波分量的幅值最大且灵敏度较高,因此本设计采用提取二次谐波信号的方法来进行算法设计。此时,感应电动势的二次谐波分量可表示为

(7)

1.2 磁场信号提取

根据式(6)可得,环形磁芯型探头结构输出的信号中仅包含被测磁场H0的偶次谐波分量,但由于磁芯的形状及尺寸无法做到完全对称以及巴克豪森效应等其他因素的干扰,仍会给探头的输出信号带来噪声[12]。其中,感应信号中基波和三次谐波分量是探头输出信号噪声的主要来源,本设计采用数字相敏整流算法滤除感应信号中除二次谐波分量外的其他谐波分量,并提取二次谐波分量表征此时的磁场信息。

相敏整流即依据相位基准信号对感应信号进行正负变换。具体实现方法为选取二次谐波分量的频率f作为相敏信号的频率,且该相敏信号在前半个周期内的幅值为1,在后半个周期内的幅值为-1,通过相敏信号与感应信号的点乘操作,从而使得感应信号中的二次谐波在前半个周期波形保持不变,而在后半个周期对其进行反向,然后将处理后的采样信号送入积分器进行累加,再经平滑滤波后得到此时被测磁场的信息。同理,相敏信号也会对其他谐波分量进行正负变换,但由于其他分量与相敏信号的频率不同,经数字相敏整流算法处理后皆可被完全滤除。

经过相敏整流和平滑滤波后的数字信号即可代表探头所处环境磁场的信息,但由于存在零偏误差和刻度因子的影响,使用反馈值表示的磁感应强度需经标定才能解析为此时真实的磁感应强度。

2 高温磁通门传感器系统设计

2.1 硬件高温化设计

在高温传感器电路设计中,主控芯片采用SM320F28335GBS数字信号处理器,其最高工作温度为+210 ℃,最大时钟频率为150 MHz,片上资源包括SPI、HRPWM、UART、I2C等,满足系统设计要求。磁通门传感器系统包括环形磁通门探头、DSP主控电路、激励驱动电路、感应采样电路、反馈电路以及通讯与接口电路等,具体结构如图2所示。

图2 高温磁通门传感器结构框图

在硬件选型上均采用耐温值大于175 ℃且满足性能需求的芯片,包括DSP主控芯片、运算放大器、ADC、DAC芯片等,对整个电路的耐高温优化设计弥补了传统的磁通门传感器无法工作在高温环境下的缺陷。主控电路的主要功能是协调控制其他部分的电路,并负责产生激励信号、芯片驱动、对感应信号进行处理分析、输出反馈信号并与上位机通信等。整个系统采用数字化的处理方式可以提高系统整体抗干扰的能力,从而实现磁通门传感器的更优性能。

系统选用方波信号作为激励源,激励电路的主要作用是提供励磁信号,激励线圈产生周期性变化磁场,从而使得磁芯进入周期性深度饱和状态。由于DSP芯片的I/O接口驱动功率较低,直接输入到激励线圈产生的磁场无法直接驱动磁芯进入饱和状态,所以本设计将DSP主控输出的2路互补方波信号经一级CHT-SNMOS80耐高温MOS管功率放大器提高输出功率。激励电路的工作流程是由DSP主控芯片通过GPIO端口输出频率相同、占空比为50%且相位相差180°的方波信号作为激励信号的频率源,再将经过MOS管放大后的信号施加至激励线圈。激励电路与激励线圈的良好匹配可以显著提高激励效率,降低电路功耗。设计采用对称式激励电路,可降低激励电信号噪声干扰,驱动电路设计如图3所示。

图3 驱动电路示意图

高温磁通门传感器的感应电路主要由谐振选频、差分放大、信号转换、ADC采样等组成。感应电路的主要作用是将感应线圈输出的信号进行处理,流程如图4所示。

图4 感应电路示意图

由于磁通门传感器探头的感应线圈实质上仍是电感,输出阻抗主要表现为感性,所以设置与感应线圈并联的电容以组成谐振网络,提取感应信号中的二次谐波分量。此外,在谐振选频网络的设计中增加了R1、R2两个匹配电阻,用以减小输出信号的振荡并保证二次谐波的稳定,也能在一定程度上减小因不同探头感应线圈存在的差异对信号采集带来的影响。

差分放大电路的主要作用是利用很高的共模抑制比分离感应信号中的二次谐波分量,提高感应信号的精度。在信号的放大过程中需要调整电路增益在合适的范围内,保证感应信号中二次谐波分量的有效放大,避免由于放大倍数太大导致波形失真的情况,最终通过ADC实现高分辨率采样。综上,开环状态下感应信号的采集处理过程如图5所示。

图5 感应信号处理流程图

为了改善开环状态下磁通门的线性度及整体性能水平,设计反馈电路将磁芯位置磁场反馈至零场,此时被测磁场与反馈线圈产生的补偿磁场大小相等、方向相反,从而可以使用反馈值表征被测磁场,实现被测磁场的线性测量。反馈电路由反馈信号产生、反馈电压产生、压控电流源3部分组成。其中,反馈信号由DAC芯片产生,负责对被测磁场整体的反馈调节;反馈电压产生是将DAC输出的反馈信号进行调理,从而实现在正负磁场及全量程内的精确反馈;最后,压控电流源将反馈电压转换为补偿电流,驱动反馈线圈工作,最终实现整个反馈电路的功能。

本设计使用压控电流源实现电压到电流的动态调整,通过调整反馈电路D/A的参考电压以及比例放大器的放大倍数能够实现符合在传感器全量程内进行反馈要求的电压动态调整范围,反馈电路的工作流程如图6所示。

图6 反馈电路示意图

在磁通门开环采集的基础上加入闭环反馈,使得磁通门探头处于零场状态,保证探头在全量程范围内一直处于线性区域,采用深度负反馈的磁通门闭环系统可以有效提高传感器的稳定度、灵敏度。综上,闭环磁通门传感器系统框图如图7所示。

图7 闭环磁通门系统框图

在温度采集电路的设计中,采用NTCLG100E2温度传感器,此传感器具有体积小、响应速度快等优点,可测量的温度范围为-40～200 ℃,通过DSP内部的ADC采集并进行电压信号的转换,实现高温环境的温度精确监测。最终,根据采集的温度信息对传感器系统进行温度补偿,提高在高温环境下的工作性能。

2.2 软件设计及温度补偿

磁通门软件设计包括用户接口、功能模块、硬件驱动等模块。用户接口主要实现接收处理后的磁场数据并与上位机软件通信、接收上位机发出的控制命令等;功能模块实现时钟分频、系统初始化及温度采集、感应信号采样、PID反馈调节参数设置、配置DAC输入以及对感应信号进行相敏整流、平滑滤波等;硬件驱动主要负责定时器管理、中断管理、GPIO驱动、SPI驱动、UART驱动等。

主控系统根据采集的温度值对感应信号采集及磁场标定过程进行温度补偿,修正高温环境下的测量误差,从而实现对磁通门传感器的高温改进和优化,并通过串口通信将磁场等相关数据传输至上位机进行观测和存储,软件设计架构具体如图8所示。

图8 磁通门软件架构示意图

3 性能测试与温升验证试验

3.1 信号测试与分析

为保证磁芯能周期性地在饱和与非饱和状态之间交替,实验首先测试了激励信号与激励饱和电压信号。在确保磁芯能够被正常激励后,测试经传感器探头输出的感应电压信号并做FFT频谱分析,在使用高精度加场设备通过对探头的多次加场后分析可得,在系统开环状态下,感应信号的二次谐波的幅度与被测磁场强度正相关。

高温磁通门传感器系统加入反馈控制后,再次加场测试并观察感应波形可得,在量程内的任意稳定磁场环境下,感应波形均能够保持稳定,对此时的感应信号做FFT频谱分析可得,偶次谐波分量趋近于零,表明反馈环节能够正常工作,采用闭环控制后的高温磁通门传感器系统能够实现高分辨率的磁场测量,信号波形及FFT频谱如图9所示。

(a)激励信号与激励饱和电压信号

(b)反馈后感应波形

(c)反馈后感应信号FFT频谱分析图9 信号波形及FFT频谱

3.2 高温磁通门性能测试

为了验证高温磁通门传感器系统的性能,分别从量程、线性度以及与高性能磁通门磁强计外场对比测试3个方面进行实验分析,最后验证该系统是否能够在高温环境下工作并对外界环境磁场进行测量。

在系统量程和线性度的测试过程中,将磁通门探头放于磁场屏蔽筒内,通过高精度加场设备产生稳定且已知的磁场,实验中从-60 000 nT至60 000 nT每隔10 000 nT进行加场并通过上位机记录测量均值,如表1所示。通过对比高性能磁通门的测量结果和上位机记录的测量值可知,该磁通门传感器系统的磁场测量范围能够达到-60 000～60 000 nT。通过对比测量值与给定加场值可得到测量中的绝对磁场误差,由量程内的最大绝对磁场误差计算可得,此磁通门传感器系统的线性度为0.03%。

表1 不同加场下磁场测量值与误差 nT

相关系数反映两个变量之间相互关系的密切程度,相关系数越高则证明两个变量的变化趋势越相近。为了验证该系统在环境磁场下的磁测的性能,使用Magson磁通门传感器作为对照样机进行环境磁场下的探测数据对比,该设备分辨率为0.01 nT,量程为±65 000 nT。实验中将2套设备的磁通门探头水平放置并调整Magson磁通门探头的X轴方向与此传感器的单轴探头方向保持一致,2套设备热机完成后同时开始记录并保存约40 min的磁测数据,各自减去测量平均值得到在外界磁场环境下的磁场测量趋势对比,如图10所示。

(a)高温磁通门磁测趋势

(b)Magson磁通门磁测趋势图10 磁测趋势对比

由磁测数据对比以及相关系数的计算公式可知,所设计的高温磁通门系统与高性能磁通门磁强计的相关系数约为0.927,可实现实时准确获取环境磁场变化。

3.3 温升验证试验

为了验证该磁通门样机在高温环境下的磁测表现,实验中将磁通门传感器放置在可升温的设备中,因目前没有高温零磁环境,所以选择对外界环境磁场进行测量。系统开机正常工作保持一段时间后,使用加热设备开始连续升温,分别长时间记录并观测升温至80、140、175 ℃温度下的磁场值,如图11所示。

(a)环境磁场变化

(b)升温曲线图11 升温磁测曲线

由高温环境下的磁场测量趋势图可得,在升温过程中,磁场数据会出现一定程度的漂移,但当环境温度保持稳定后,磁场数据变化量呈现出稳定的趋势,表明该磁通门传感器具备在高温环境下磁场测量的能力。

4 结束语

本文针对传统数字式磁通门电路进行了耐高温优化,设计了能够在高温下进行磁场测量的磁通门电子学单元,通过对该系统的量程、线性度与高性能磁通门磁强计对比等实验验证了其磁测性能;通过实验证明了该系统能够正常工作在175 ℃高温环境下并完成高性能磁场测量。该耐温化设计为磁通门传感器在高温环境下的磁场测量奠定了基础。