基于磁通门传感器的弱磁场检测方法

2014-03-22杨理践涂传宾高松巍

仪表技术与传感器 2014年9期

杨理践，涂传宾，高松巍

(沈阳工业大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳　110870)

0　引言

磁通门磁强计是一种基于铁磁性材料在磁化饱和时，其磁导率非线性变化特性而工作的弱磁检测设备，磁通门技术开始于20世纪30年代，随着科学技术的发展，该技术在地球物理学、航天工程、生物医学、军事领域、材料无损探伤等领域得到广泛应用[1]。缘于磁通门传感器高分辨率、高稳定性等优点，使得其在弱磁检测领域具有很大优势，是目前测量微弱磁场较为理想的设备。

为实现对弱磁场的检测，采用高磁导率材料钴基非晶合金VITROVAC 6025Z作为磁芯材料设计制作了磁通门传感器，采用DDS信号发生器作激励源，虚拟仪器开发平台LABVIEW结合PCI-1716数据采集卡完成对磁通门传感器微弱磁场信号的采集、处理和显示。零点补偿实时可调增加了系统的灵活性和不同磁场环境下的适用性，该系统操作简单、维护方便，具有很好的实用价值。

1　磁通门传感器原理

磁通门现象其实是变压器效应的衍生现象，同样符合法拉第电磁感应定律。当磁芯处于非饱和磁场中，其磁导率变化缓慢，而当磁芯达到饱和时，其磁导率变化明显，此时被测磁场被调制进感应电势中，可以通过测量磁通门传感器感应电势中能够反映被测磁场的量来度量磁场。磁通门传感器的工作过程中，磁芯的饱和点就貌似一道“门”，通过这道“门”，被测磁场被调制[2]。

1．1磁通门磁强计构成

磁通门磁强计由激励电路、磁通门传感器、检测部分构成。如图1所示。

图1磁通门磁强计构成

磁通门传感器是磁强计的重要组成部分，完成对被测磁场的调制，激励电路提供交变信号，使磁芯往复饱和，检测部分的功能是提取磁通门信号中能够反映被测磁场大小的信号成分进行处理，测量其幅值，从而得出相应的被测磁场的大小。

1．2单芯磁通门传感器模型建立

选择正弦信号作为磁通门传感器激励信号，激励磁场与被测磁场共同作用于磁芯，在半周期内激励磁场与被测磁场同向，使磁芯提前饱和；在另半周期内激励磁场与被测磁场反向，使磁芯滞后饱和，因被测磁场的存在，在正负半周期间出现磁通门变化的速率差，产生偶次谐波[3]。

以单芯磁通门传感器模型作为研究对象，在一根磁芯上缠绕激励线圈和感应线圈，磁芯为高磁导率的铁磁性材料，磁导率为μ，横截面积为S，感应线圈匝数为N．模型如图2所示：

图2　单芯磁通门传感器模型

设激励电流频率为ω，幅值为Hm，通过激励线圈产生磁场H1为：

H1=Hmsinωt

(1)

磁芯轴向上环境磁场强度为H0，则磁芯内部磁场强度H为：

H=H0+H1

(2)

磁芯内部磁感应强度B为：

B=μ·H=μ·(H0+H1)

(3)

当Hm小于磁芯磁饱和强度Hs时，磁芯的磁化曲线(BH曲线)处于线性区域，磁导率μ为定值。磁通门传感器感应线圈中电压U为：

(4)

将式(1)、式(3)代入得：

U=-μωNSHmcosωt

(5)

通过式(5)可以看出，感应电压大小与轴向环境磁场H0无关，无法实现对磁场的测量。

当Hm大于磁芯磁饱和强度Hs时，磁导率μ随激励磁场大小变化显著，是时间的函数，设磁导率为μ(t)。激励磁场H1有正负之分，频率为ω，而μ(t)为标量，没有正负之分，变化频率为激励磁场频率ω的2倍。μ(t)为偶函数，用傅里叶展开为：

(6)

式中：μd为磁导率中直流成分；μi为各2i次谐波分量幅值。

代入式(3)、式(4)中，则感应电压U(t)为：

-NSHmμ(t)cosωt

(7)

(8)

代入三角函数的积化和差公式：

(9)

由上式可以看出，磁通门输出的电压信号由含H0和Hm的项组成。当环境磁场H0为零时，磁通门输出电压均为含Hm的项，其中只含有激励信号频率的奇次谐波，为变压器效应产生的感生电动势；当环境磁场H0不为零时，磁通门输出电压中含H0的项为激励信号频率的偶次谐波，其幅值与H0成正比，同时与感应线圈匝数N、ω激励频率、磁芯横截面积S成比例关系。

进行弱磁测量时，只需提取含有激励频率偶次谐波的量，滤除杂波信号，所以通常通过检测偶次谐波的大小得到待测H0的强度。

1．3环形差分磁通门传感器模型建立

为了消除磁通门信号中因变压器效应而产生的电势，采用环形差分结构，激励线圈同向串联，使变压器效应感应电势相抵消，而能够体现被测磁场大小的偶次谐波信号叠加得到增强[4]。

磁通门传感器结构如图3所示。

(a)传感器结构图

(b)传感器实物图

如图3(a)差分结构中，激励线圈上下两半在尺寸和电磁参数上对称，产生的磁场方向相反，在公共感应线圈上的感应电势互相抵消，而待测磁场H0产生的感应信号相叠加，式(9)可写为：

(10)

由上式可以看出，由于差分式传感器结构，由变压器效应产生的感应电势相抵消后为零，传感器输出的感应电势与被测磁场大小成正比，而变压器效应仅起到了调制磁芯磁导率的作用。差分式磁通门灵敏度G可以表示为：

(11)

由上式可以看出，灵敏度与N、S、ω、μi成正比例关系，可以通过改变相关参数来调节传感器的灵敏度，式(11)对研究磁通门传感器的灵敏度意义重大。

2　磁通门传感器及激励电路

磁通门传感器选用差分式结构可以很好的抵消激励信号因变压器效应产生的电势，激励电路采用DDS信号源。

2．1磁通门传感器

磁通门传感器由磁芯、绕线骨架、激励线圈和感应线圈组成。磁芯是传感器的核心部件，决定着传感器的性能好坏，为了保证磁通门传感器具有较高的灵敏度和稳定性，要求磁芯具有高磁导率、低矫顽力和容易达到饱和等。商品型号为VITROVAC 6025Z的钴基非晶合金满足以上要求，制作中选用厚0.025 mm，宽3 mm的带材，在激励线圈骨架上沿周向绕制成磁芯。激励线圈和感应线圈采用直径0.27 mm的漆包线绕制，感应线圈沿周向绕在感应骨架上，线圈总体相连，中间隔开增大线距减小寄生电感，实物如图3(b)所示。

2．2激励电路

激励电路的作用是为磁通门传感器提供交变的激励信号，使磁芯能够处于周期性过饱和状态。实验时使用FG708S函数信号发生器提供激励，可以方便的选择激励信号的各项参数，经对比实验后选用频率为10 kHz，幅值为5V的正弦信号作为磁通门传感器的激励信号。

系统中用单片机STC89C52RC和AD9850芯片构成DDS信号发生器为传感器提供激励，经过低通滤波器滤除高频杂波干扰，再经功率放大后驱动激励线圈。

激励电路的原理框图如图4所示。

图4　激励电路原理图

2．2．1DDS原理

AD9850为高集成度频率合成器，由可编程DDS系统、10位DAC(数模转换器)和高速比较器组成。其原理框图如图5所示。

图5　AD9850结构原理

可编程DDS系统的核心是相位累加器，每来一个外部参考时钟信号，频率控制字就累加到相位累加器中，与相位控制字相加后产生实时的数字相位信息。数字相位信息输入到正弦表查询地址上，正弦查询表中每一个幅度信息地址对应正弦波0～360°范围内的一个相位点。正弦查询表将输入的数字相位信息转换为相应的数字幅度值。然后驱动DAC把数字幅度值转换成模拟幅度值[5]。

2．2．2单片机控制AD9850产生正弦波

采用STC89C52RC单片机串行方式实现对AD9850的控制，D7作为数据输入端口，W_CLK每个上升沿来到时，把一个数据写入到输入寄存器，40位数据都写完后，在FQ_UD上升沿更新输出信号频率和相位，从而实现波形的连续性[6]。使用了单片机4个I/O口，分别控制AD9850的WCLK、FQ_UD、RST、D7。工作时D0、D1须接高电平，D2脚接地时为选择串行输入方式。AD9850时钟信号采用外部125 M有源晶振产生，引脚REST对地电阻取3.9 kΩ．IOUT值随DAC寄存器的内容线性变化，IOUT下拉电阻进行I/V转换，输出正弦波，IOUTB下拉电阻输出正弦波与IOUB输出波形相差180°。单片机与AD9850连接电路如图6所示。

图6　AD9850控制电路

2．2．3低通滤波电路

为使正弦激励更纯净，采用低通滤波电路滤除外部时钟的高频干扰和杂散信号，考虑到有源滤波器的频带一般不是很高，采用过渡带下降迅速且窄的无源7阶椭圆低通滤波器，电路如图7所示。

图7　低通滤波电路

低通滤波电路理论截止频率为70 MHz，滤波电路可以很好的滤除高频杂波信号，得到纯净的正弦波信号。图7中R1和R2的作用是对IOUT输出电流信号进行I/V转换。

2．2．4功放电路

输出的正弦信号功率太小，通过激励线圈后产生的磁场不足以使磁芯达到周期性的过饱和状态，达不到磁通门效应所需条件。必须设置功率放大电路，设计中采用TDA2030构成功率放大电路，前级正弦信号经过功放驱动传感器的激励线圈。功放电路如图8所示。

图8　功率放大电路图

3　检测部分

该部分功能是将磁通门传感器输出信号通过数据采集卡输入电脑，在虚拟仪器程序中进行处理和显示。虚拟仪器采用LABVIEW2010软件，配合PCI-1716数据采集卡完成对传感器感应电势的采集和处理。

3．1信号的采集

磁通门传感器置于地磁场中，采用10 kHz，5 V正弦信号激励，用示波器观察输出信号，如图9所示。

图9　磁通门传感器检测信号

图9可以看出，磁通门传感器检测信号是一个周期性的谐波信号，在地磁场中信号峰值达60 mV以上，选用的数据采集卡PCI-1716是一款16位的高分辨率数据采集卡，传感器检测信号适于该款数据采集卡的采集、处理。磁通门传感器中采用激励线圈和感应线圈共地的连接方式，所以输出端与采集卡连接采用单端数据连接方式，选用AI0端口作为检测信号输入端，板卡上AIGND地端与磁通门传感器的地连接，这种连接方式可以消除检测信号与板卡地之间的共模电压干扰。数据采集卡为用户提供了对应的采集子VI- ADV AI Acquire Waveform．vi，以实现对数据采集，使用该子VI需设置采样通道、采样频率和采样点数等参数，数据采集卡按照设定的采样频率对信号进行采样。该VI是个多态VI，可以按要求输出数据数组，也可以输出数据的波形。

3．2信号的处理

LABVIEW读取缓冲区的数据并进行处理。磁通门信号处理方法采用脉冲幅值法，即通过检测磁通门传感器输出电压整个频谱来测量磁场的大小。设计的磁场调零功能可以补偿环境磁场，上位机软件实时显示被测磁场大小[7]并保存进excel文件。在测量磁场前，旋动磁场调零按钮，抵消环境磁场的影响，使系统归零。磁通门初始信号在LABVIEW中处理后，实现了实时可读。磁通门磁强计软件界面如图10所示。