基于磁通门效应的非晶丝弱磁传感器

李文涛，王世伟，，孙广杰，孙晓华，赵　军

(1．内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古包头　014010；2．包头稀土研究院，内蒙古包头　014030)

0　引言

磁通门传感器是指利用被测磁场中高导磁铁芯在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度与被测磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的一种磁场传感器。与其他类型磁传感器相比，具有分辨率高(可达10-11T)，测量弱磁场范围宽(0～10-8T)，能够直接测量磁场的分量和适于在高速运动系统中使用等特点。在诸多类型的磁场测量传感器中，磁通门是综合性能最好的一种[1-2]。

1　磁通门传感器的基本工作原理

磁通门传感器对弱磁场测量十分有效，它具有很高的分辨力和良好的方向性，可将环境磁场物理量转化为相应的电势信号，从而实现对磁场的测量。磁通门传感器是利用铁磁材料的各向异性磁电阻效应制作的一种能够测量磁场大小和方向的传感器。当磁芯处于周期性过饱和工作状态时，感应电势中就会出现随环境磁场强度而变的偶次谐波分量。对环境磁场来说，就好比有一道“门”，通过这道“门”，相应的磁通量即被调制[3]。

磁通门传感器一般由探头和接口电路组成。探头一般包括磁芯、励磁线圈和感应线圈。磁芯由高导磁材料制成，按照其形状划分，主要有单芯、双芯和环芯3种。其工作原理是当励磁线圈中通以一交流电流时，在它产生的交变磁场和待测磁场的共同作用下，使磁芯达到饱和，并在探测线圈中产生感应电压，通过测量和分析感应电压的变化而达到测量待测磁场的目的[4]。

以双铁芯磁通门探头为例，假设两根铁芯及线圈的形状尺寸和电磁参数完全对称，不考虑铁芯的退磁、聚磁、磁滞、涡流、漏磁和趋肤效应对铁心性能的影响，忽略铁芯饱和、磁导率变化等对激磁电路阻抗的影响，认为由恒流源激磁，并以三折线代表铁芯磁化曲线，理想条件下感应线圈的输出信号变化如图1所示[5]。图1中，传感器磁芯随激励磁场的变化周期性地达到深度饱和，磁芯磁通量的变化引起磁芯磁导率周期性变化，磁芯磁导率变化引起感应线圈产生感应脉冲信号，脉冲信号的幅度和相位反映了外界磁场的大小和方向。从图中可以看出，感应脉冲信号的频率是激励信号频率的2倍，对该信号进行相敏整流和滤波后，就可得到与被测磁场有关的直流输出电压[6]。

图1　磁通门传感器信号图解

2　弱磁传感器磁芯结构

试验中，弱磁传感器的磁芯所用的非晶丝的成分为Co66Fe15Si14B5，采用内旋转水纺丝法制备。淬态非晶丝矫顽力小于10 A/m，初始磁导率大于105，饱和磁致伸缩系数λS=-0．08×10-6，无明显玻璃转化点，晶化温度TX=550 ℃．非晶丝平均直径为120 μm，电阻率为130 μΩ·cm，将淬态非晶丝进行脉冲电流退火处理后，可明显提高丝材的软磁性能[7]。钴基非晶丝内芯具有轴向分布的磁畴结构，而外芯具有圆周向磁畴，且相邻磁畴磁化方向相反，同时，钴基非晶丝材料具有较小的应力感生各向异性，因直径很细，故易于得到大的长径比、具有很小退磁因子的敏感材料[7]。当非晶丝受到磁化线圈产生的轴向交变磁场激励时，其有效磁导率对外加磁场十分敏感，易随外磁场变化而变化[8]，因此，用钴基非晶丝制成的磁场传感器具有很高的灵敏度。

截取一段长度适中、成分均匀的非晶丝，将其缠绕3圈形成圆环，从而保证传感器磁芯结构的均匀性和磁路的完全闭合。采用单线密绕法在非晶丝磁环上均匀密绕励磁线圈(如图2(a)所示)，保证激励电流在环形磁芯的闭合磁路中产生的磁通在左右半环完全对称。如图2(b)所示，在环形磁芯上密绕3组次级线圈作为感应线圈，3组线圈匝数相等，相位互差120°。通过将3组次级线圈并联(端子1、3、5相联，端子2、4、6相联)形成探头的输出端，有效地减小磁芯材料不均匀造成的测量误差，提高探头的信噪比。所设计的环形磁芯结构具有非常好的对称性，共模干扰(如温度)变化对磁场传感器性能指标的影响可大大削弱，从而使得传感器的综合性能指标得以提高。

3　信号处理电路的设计与实现

设计一种以单片机为核心的信号处理及采集电路。通过单片机实现激励线圈工作频率的调节，选择激励电压及频率保证传感器探头工作在最佳状态；对磁通门传感器探头的初级信号进行放大、滤波及相敏整流处理，实现信号的调理；利用单片机的A/D转换模块对信号进行采集，通过PC上位机对传感器的实测值进行修正。

图2　环形磁通门磁芯结构

3．1激励电路

激磁电源电路的性能直接影响着探头输出信号。激磁电源电路的频率、电压幅值、相位及波形的稳定度决定着输出信号的好坏。为保证传感器激励信号的稳定性，采用一种调节信号发生器频率的调制方法，设计一个以信号发生芯片MAX038为核心的信号发生电路。电路中AT89S52单片机作为主控制器，通过D/A转换芯片控制MAX038电路的输出频率及波形，设置积分放大电路调节输出电压幅值，如图3所示。

图3　磁通门传感器励磁电路

3．2信号处理电路

磁通门处理电路的作用是将图2所示的传感器感应线圈输出信号转换成直流电压信号。主要进行前置放大和相敏整流。前置放大电路包括LC谐振电路和选频放大电路，设计中主要考虑信号增益的稳定，不过分追求滤波的效果和品质因数，以免出现振荡或增益不稳定。其原理图如图4所示。

图4　选频放大电路原理图

图中R3=R4，R2=2R3，C1=C2，根据带通滤波器的原理图可求出其传递函数。假设：R3=R、C1=C，则其传递函数为：

(1)

式中Af为同相比例放大器的电压放大倍数Af=1+Rf/R1。

根据上式可知，传递函数稳定的前提是：Af<3。

当探头励磁线圈激励频率为2 kHz，传感器性能达到最优，则其二次谐波为4 kHz，故将滤波器的中心频率设计为4 kHz．根据f0=1/(2πRC)，取C=0．01 μF，计算得R=3．88 kΩ，取4 kΩ．

从工程实践考虑，与运算放大器输入端相连的外接电阻必须满足平衡条件，即：(Rf∥R1) =R3=2R．经计算：R1=12．4 kΩ、Rf=22．4 kΩ，取Af=2．8，得到滤波器的品质因数为5。

相敏整流电路主要实现对信号的相敏检波和低通滤波。从图3所示芯片MAX038上取一个与激励电源二次谐波同频率的正弦波Ux作为基准信号，Uy为经过放大后的探头信号，反映被测磁场信号的大小及方向。已知相敏检波的频率，采用互相关检测原理进行检测。相敏整流由2部分组成：同步检波电路和低通滤波，如图5所示。同步检波电路由四象限乘法器AD734及其外围电路组成；低通滤波由二阶巴特沃斯低通滤波器来实现。

图5　相敏整流电路

相敏整流在基准信号的前半个周期对Uy进行同相放大，在基准信号的后半个周期对Uy进行反相放大。经相敏整流后，得到信号Uo：

Uo=Ux×Uy

(2)

Uo的直流分量Uod为：

Uod=(π/2)N2Sμω(E1+E2)Hx

(3)

式中：N2为感应线圈的匝数；S为铁心截面积；μ为铁心在不饱和段的磁导率；ω为激励电流的角频率；E1和E2分别为相敏整流的同相和反相放大倍数；Hx被测磁场的大小。

由式(3)可看出：Uod与被测磁场的大小呈线性关系。影响传统磁通门传感器测量精度的主要因素是传感器的零点和灵敏度。一般情况下，零点和灵敏度会随着温度的变化而变化，变化较大时，需要设置补偿线圈。

4　试验与结果

试验中，由励磁电源电路提供正弦波电压信号作为激励电源，有效电压值为5 V左右，激励频率为5 kHz，探头输出的二次谐波信号中心频率为4 kHz左右，探头信号输出波形稳定，如图6所示。由图6可以看出，检测到的探头信号峰-峰值为200 mV，说明探头灵敏度比较高，达到了设计要求。探头所采用的铁芯材料为旋转水纺法制备的非晶丝，经过电流热退火后，成分比较均匀，设计的圆环磁芯结构有效地提高了传感器性能。

图6　探头输出信号波形

5　结束语

在分析传统磁通门传感器的基础上，采用非晶丝作为传感器磁芯材料设计了一种环形结构的磁通门传感器，并将单片机和信号发生芯片相结合构成一种低成本的弱磁传感器系统。该传感器克服了传统的磁通门传感器体积大、精度低、受温度影响较大等缺点，在测量精度及信噪比方面也有一定优势。采用3个感应线圈并联结构，有效削减了材料不均匀引起的信号不对称问题，增大了信号输出电流和输出功率。针对该文的设计，还可进一步开展减小误差，提高信号稳定性等方面的研究工作。

参考文献：

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[4]李南，吕晓煜，岳喜展．微型磁通门传感器研究．电测与仪表，2007，44(2)：57-59．

[5]张学孚，陆怡良．磁通门技术．北京：国防工业出版社，1995：30-34．

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[8]鲍丙豪，沈科承．基于非晶丝低频磁阻抗效应的无圈磁通门传感器．仪表技术与传感器，2012(11)：22-24．