基于磁通负反馈的低噪声宽频带感应式磁传感器设计*

应毓海

(1.安徽大学 电子信息工程学院,安徽 合肥230039；2.安徽广播影视职业技术学院 信息工程系,安徽 合肥 230011)

基于磁通负反馈的低噪声宽频带感应式磁传感器设计*

应毓海1,2

(1.安徽大学 电子信息工程学院,安徽 合肥230039；2.安徽广播影视职业技术学院 信息工程系,安徽 合肥 230011)

感应式磁传感器(IMS)是频率域电磁法(FEM)中使用最广泛的磁传感器,通常由感应线圈和前置放大器组成。为了增加IMS探测深度和微弱磁场信号的能力,基于磁通负反馈技术,获得其在低频段平坦的灵敏度曲线,拓宽了其观测频带。采用斩波前置放大技术,降低了1/f噪声对IMS的影响,对IMS的输出噪声进行了压制。通过在屏蔽室内对所研制的IMS性能进行测试,结果表明：其频带范围为0.001 Hz～10 kHz,输入噪声为3 nV/Hz1/2,较3D—3磁传感器等效输入噪声提高了10.04 dB,为其在实际项目应用提供了可靠的性能保障。

感应式磁传感器； 磁通负反馈； 斩波前置放大； 1/f噪声

0 引 言

感应式磁传感器(IMS)基于法拉第电磁感应原理,能够感知所探测磁场信号的微弱变化[1,2]。根据趋肤效应原理,它的可用频率范围决定了频率域电磁法(FEM)所能探测的最大深度,是FEM的核心设备,其主要由感应线圈、磁通反馈回路和前置放大电路组成。高性能的IMS除了需要高性能的磁芯和合理的感应线圈结构以外,也需要能够满足探测深度需求的频带尽可能宽的前置放大电路,另外,其噪声还需要低于地磁场信号,以提取出有用地磁场信号[3,4]。

近些年,国外许多高校和科研院所不断地对IMS性能参数进行改进,为了提高IMS探测深度和微弱磁场信号的能力。德国MFS—06磁传感器的频带范围为0.000 2 Hz～8 kHz,输入噪声为8 nV/Hz1/2[5,6]。加拿大MTC—50 H磁传感器的频率范围为0.000 3 Hz～30 kHz,输入噪声为12 nV/Hz1/2[7,8]。我国在IMS方面起步较晚,中国科学院研制的CAS—10磁传感器频带范围为0.2 Hz～4 kHz,输入噪声为11 nV/Hz1/2。我国所研制的IMS性能指标还存在一些不足,因此,研制出与国外性能相当的磁传感器已成为必然。

本文提出了基于斩波前置放大技术,有效地降低了1/f噪声对IMS的影响。同时,结合磁通负反馈技术,拓宽了其观测频带,使其灵敏度在低频段得到提高。研制了频带范围为0.001 Hz～10 kHz,输入噪声为3 nV/Hz1/2的IMS。

1 IMS设计

1.1 IMS结构

IMS作为FEM接收机的前端用来接收微弱的瞬变电磁信号,并将该信号转换成电压信号,由感应线圈、前置放大电路、磁通反馈回路,其结构图如图1所示。

图1 IMS结构图Fig 1 Structure diagram of IMS

从图1中可以看出,感应线圈绕制在木质或尼龙的骨架上,其直径和匝数等参数根据实际需求而选择。绕制在感应线圈外侧的反馈线圈会产生出反馈磁场,对被测磁场构成负反馈,从而建立了磁场传感器的闭合磁通反馈回路。根据法拉第电磁感应定理,感应线圈将微弱的瞬变电磁信号转换为电压信号,传递给前置放大器进行低噪声放大,最后输出给采集系统进行处理。

1.2 IMS噪声等效模型分析

IMS总的固有噪声是感应线圈和前置放大电路组合的噪声,根据IMS结构图,其等效电路图如图2所示。

图2 IMS噪声等效模型Fig 2 Noise equivalent model of IMS

有5种噪声源对IMS固有噪声有贡献,分别为：感应线圈内阻热噪声er,感应线圈匹配电阻热噪声iRt，前置放大电路电压噪声en和电流噪声in,以及其增益调节电阻R1和R2。进一步划分,又可以分为7种噪声,将运放的电流噪声分解成两部分：一部分是电流噪声流经感应线圈时所产生的电压噪声,另一部分是其流入电阻R1和R2时所产生的电压噪声。因为感应线圈的噪声受频率的影响,因此,可以用谱密度的形式表示所有的噪声源。将所有的噪声等效到前置放大电路的同向输入端,总的噪声UN可以表示为

(1)

其中,G为前置放大电路的增益,Z=r+jωL,Req=R1∥R2。

以上几种噪声源的分布如图3所示。

图3 IMS噪声源分布图Fig 3 Noise source distribution diagram of IMS

其中,eRgf和eiRgf分别为电流噪声流经感应线圈产生的电压噪声和电流噪声流入R1和R2产生的电压噪声,运放总的等效输入噪声为UN。

从图3中可以看出：低于200 Hz时,占噪声主导地位的是前置放大电路的输入电压噪声；200 Hz～40 kHz区间,占噪声主导地位的是IMS的匹配电阻热噪声；高于40 kHz时,占噪声主导地位的又变成电压噪声,并且,在高于1 kHz时,感应线圈内阻的噪声开始降低,其对输出噪声贡献很小。相对于匹配电阻的噪声,以下几种噪声可以忽略：前置放大电路的电流噪声流入线圈网络时产生的电压噪声,流入增益电阻而产生的电压噪声以及增益电阻的热噪声。在IMS的有效频带内,前置放大电路的电压噪声和匹配电阻的热噪声是噪声的主要组成部分。为了降低前置放大电路的电压噪声,可以通过选择低噪声器件来实现,但是感应线圈在确定了工作状态后,匹配电阻的热噪声便不可降低。

2 IMS制作

感应线圈被绕制在一个直径为0.5 m的木制骨架上,分2段绕制,每段有14层,每层10匝,总数为280匝,主要参数由表1所示。

表1 感应线圈主要参数Tab 1 Main parameters of inductive coil

由于研制的IMS频带范围为0.001 Hz～10 kHz,输入噪声为2 nV/Hz1/2,并且商业级的集成运算放大器的1/f转折频率一般是几赫兹到几百赫兹不等,目前性能最好的集成斩波放大器为ADA4528,其输入噪声也高达5.6 nV/Hz1/2,均不能满足设计指标要求。本文IMS采用分立器件设计了低频斩波前置放大电路,以降低前置放大电路的1/f转折频率,同时抑制输入噪声,其电路结构如图4所示。

图4 低噪声斩波前置放大电路结构图Fig 4 Structure diagram of low noise chopper pre-amplifier circuit

图4所示,前置放大电路由低频和高频放大回路组成,通过多路模拟开关MAX333对其进行切换。如输入为高频信号时,上位机的控制信号CTRL控制多路模拟开关MAX333,从而切换成高频放大模式。当输入为低频信号时,原理相同。

前置放大电路的噪声源由以下二部分组成：感应线圈的等效内阻热噪声,MAX333的导通电阻热噪声。由于多路模拟开关MAX333导通电阻为200Ω,可以有效地减少前置放大电路的输入噪声。同时,前置放大电路还采用低噪声运算放大器OPA827,进一步减少了其总体噪声水平。

3 IMS性能测试

IMS对输入噪声要求较高,外界的干扰信号应非常微弱。因此,需要在电磁屏蔽室内进行测试,以去除市区内较强的工频干扰和其他干扰的影响。

3.1 低噪声前置放大器增益测试

在IMS预设频带范围内选取适当数量的频率点,使用动态信号分析仪对IMS的幅频特性进行测量,结果如图5所示。

图5 IMS增益测试Fig 5 Gain test of IMS

由图5可以看出：斩波开关对IMS响应增益没有影响,高低频放大电路在幅频特性方面衔接性非常好,f<1 kHz频段时,IMS响应增益大约在4 700左右,由于受到低通滤波器影响,f>2 kHz时,响应特性曲线会呈下降趋势。

3.2 IMS噪声测试

为验证研制的IMS对于低频噪声的抑制作用,选用集成运算放大器和模拟多路开关搭建斩波前置放大电路,模拟多路开关实现斩波调制/解调。测量IMS等效输入噪声,实验结果如图6所示。

图6 斩波开/关的IMS等效输入噪声Fig 6 Equivalent input noise of IMS when chopper signal is open and closed

由图6可以看出：无斩波时,IMS等效输入噪声在低频段存在明显的1/f噪声；当斩波打开时,其等效输入噪声比较平坦,约为3 nV/Hz1/2,证明斩波前置放大器对1/f噪声有很好的抑制作用,较德国3D—3磁传感器等效输入噪声(4.28 nV/Hz1/2)提高了10.04 dB。

3.3 IMS灵敏度测试

在磁屏蔽筒内对磁传感器灵敏度进行标定,标定结果如图7所示。

图7 IMS灵敏度标定Fig 7 Sensitivity calibration of IMS

由图7可以看出:加入了磁通负反馈以后,IMS谐振频率两侧具有相对平坦的幅频、相频特性曲线。G=5 000,反馈电阻Rf=50 kΩ时,IMS灵敏度为0.8 V/Hz1/2@1 kHz优于德国3D—3磁传感器灵敏度(0.5 V/Hz1/2@1 kHz)。另一方面,从图7可以看出:自制IMS的相频特性曲线较为平坦,没有明显的相位突变,能够满足实际的使用标准,达到了德国的3D—3磁传感器的水平。

4 结 论

本文在研究基于磁通负反馈IMS等效模型和噪声特性基础上,采用斩波前置放大技术,设计并研制了低噪声宽频带IMS。通过在屏蔽室内对所研制的IMS性能进行测试,结果表明:其频带范围为0.001 Hz～10 kHz,输入噪声为3 nV/Hz1/2,较3D—3磁传感器等效输入噪声提高了10.04 dB,拓宽了其观测频带,压制了输出噪声,满足FEM大深度探测的需要。

[1] 滕吉文.第二深度空间金属矿产探查与东北战略后备基地的建立和可持续发展[J].吉林大学学报:地球科学版,2007,12(4):633-651.

[2] 王晓飞,李 凯,韩 焱,等.基于磁悬浮效应的振动传感器设计[J].传感器与微系统,2013,32(10):61-64.

[3] 林品荣,郑采君,石福升,等.电磁法综合探测系统研究[J].地质学报,2006(10):1539-1548.

[4] 周胜海,郭淑红.基于低噪声运放的传感器前置放大器设计[J].仪表技术与传感器,2006,56(9):38-40.

[5] Wu R,Makinwa K A A,Huijsing J H.The design of a chopped current-feedback instrumentation amplifier[J].Circuits and Systems,2008,89(14):1744-1755.

[6] Johan F Witte,Kofi A A Makinwa,Johan H Huijsing.A CMOS chopper offset-stabilized opamp[J].Solid-State Circuits,2007,7(4):1529-1535.

[7] Dei M Bruschi P,Piotto M.Design of CMOS chopper amplifiers for thermal sensor interfacing[J].Research in Microelectronics and Electronics,2008,67(5):205-208.

[8] Bruce Carter,Ron Mancini.Op amps for everyone[M].3rd ed.Beijing:Posts & Telecom Press,2010.

Design of low noise broad band IMS based on flux negative feedback*

YING Yu-hai1,2

(1.College of Electronics and Information Engineering,Anhui University,Hefei 230039,China;2.Department of Information Engineering,Anhui Broadcasting Movie and Television College,Hefei 230011,China)

Inductive magnetic sensor(IMS)is one of the most widely utilized magnetic sensors in frequency domain electromagnetic method(FEM),which consists of inductive coil and preamplifier.In order to enhance capability of IMS to detect weak magnetic signals and depth,a flat sensitivity curve at low frequency band is achieved and observation band is broaden,which is based on flux negative feedback technology.Utilize chopper pre-amplifier technology to decrease effect of 1/fnoise on IMS,and to suppress output noise of IMS.The performance of IMS is tested in shielded room,band range is of 0.001 Hz～10 kHz,and input noise is 3 nV/Hz1/2,compared with magnetic sensor 3D—3,equivalent input noise is increased by 10.04 dB,which guarantees performance for IMS in real project application.

inductive magnetic sensor(IMS); flux negative feedback; chopper pre-amplifier; 1/fnoise

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0067—03

2014—09—17

国家高技术“863”研究发展计划资助项目(2009AA03Z442)

O 657.3

A

1000—9787(2014)12—0067—03

应毓海(1965-),男,安徽肥东人,硕士,副教授,研究方向为弱磁传感器技术。