高灵敏度低频感应式磁传感器的研制

张碧勇, 许洋铖， 张 磊， 秦 伟

(中煤科工集团 重庆研究院有限公司，重庆 400037)



高灵敏度低频感应式磁传感器的研制

张碧勇, 许洋铖， 张 磊， 秦 伟

(中煤科工集团 重庆研究院有限公司，重庆 400037)

设计了一种高灵敏度低频感应式磁传感器，介绍了其具体结构和工作原理。通过分析影响灵敏度的主要因素，提出了高灵敏度传感器的研制方法。介绍了传感器的结构、线圈的等效电路、线圈的绕制方式、阻尼匹配技术、条状屏蔽技术以及低噪声前置放大技术。同时，通过对比实验论证了传感器的高灵敏度；通过室内实验和矿井实验，论证了传感器在实际测量中的优良性能。试验结果表明，研制的感应式磁传感器可以满足多种测量环境要求。

高灵敏度； 线圈绕制； 阻抗匹配； 条状屏蔽； 低噪声

0 引 言

电磁波探测技术是一种较成熟的地质探测方法，近年来，国内多家企事业单位研制出了一系列相关产品，如大地电磁测深仪、瞬变电磁仪等。低频电磁波可用于地质测量、地壳通信、磁场测量、地震电磁前兆观测以及地球物理观测。在矿井中常用铺设线圈的方式接收信号，但由于受地理空间的限制，铺设较大的线圈会给工作带来很多不便，而感应式磁传感器可以在大大缩小体积的同时达到相同甚至更高的精度，在电磁波应用中占有越来越重要的位置[1]。

利用电磁波的矿用仪器主要分两种，一种是发射线圈和接收线圈在同一平面，如瞬变电磁仪；另一种方式是发射线圈和接收线圈平行，如坑透仪，透地通信仪。电磁波在大地岩层中衰减极快，测量的信号非常微弱，这就对传感器提出了较高的要求[2-3]。同时，传感器的感应电压跟磁场信号的强度、频率成正比，但由于高频信号的趋肤效应，电磁波传播距离受限，故选择低频电磁波作为信号场源[4-5]。本文主要研究了影响传感器灵敏度的决定因素以及传感器研制方法，包括磁性材料的选择，线圈缠绕方式，传感器结构，阻尼匹配技术和前置放大电路设计。

1 磁传感器原理和灵敏度分析

1.1 感应式磁传感器原理

感应式磁传感器起主要作用的是线圈和磁芯，绕制的线圈用来感应穿过它内部磁通量的变化，从而产生感应电动势；而加入高磁导率的磁芯，可以将信号增大几十甚至几百倍。磁传感器基于法拉第电磁感应定律，结构如图1所示。当外磁场发生变化时，在线圈轴线与磁场平行的方向产生感应电压：

(1)

式中：S为绕制线圈的有效面积，B为外磁场的磁感应强度；负号表示感应电压的方向是阻碍磁通量的变化，即跟外磁场变化方向相反[6]。若变化的外磁场为正弦信号，

B=B0sinwt

(2)

后级放大器的放大倍数为A，线圈匝数为n，磁芯有效导磁率为μa，则有：

S=ns0μaA

(3)

其感应电动势的绝对值[7]

|E|=2πfns0μaAB0coswt

(4)

图1 磁传感器示意图

由式(4)知，感应电压与信号频率f、线圈匝数n、骨架的截面积s0、磁芯的有效导磁率μa、前置电路的放大倍数A以及通过线圈的磁场强度B0成正比。故增大感应电动势应从这几个参数着手以提高传感器的性能[8]。

1.2 灵敏度分析

电磁波在泥土岩层中传播有很大的损耗且低频干扰信号较强 ，对于低频弱信号，如何提高灵敏度是仪器设计的关键。假设磁场信号为正弦波信号，传感器带有增益为A的前置放大器，感应线圈的灵敏度为线圈在单位磁感应强度变化中所感应出的感应电动势[9]，灵敏度，

(5)

由式(5)知，在同一频率下，灵敏度与S成正比，故提升有效面积S是提高灵敏度的有效途径 。对于骨架已定的传感器S0已定，放大电路倍数A折中，为几十，匝数n一般为几千上万匝，有效导磁率主要由磁芯材料和磁芯的长径比决定[10-11]。有效导磁率：

(6)

(7)

式中，长径比m=L/d，则：

(8)

式中：μr为相对磁导率；Nd为退磁因子；无量纲；L为磁芯的长度；d为磁芯直径；m一般取20～80之间。若μr>3 000，且m<50时，有效导磁率跟相对导磁率无关，只取决于材料的形状[12]。文中所述传感器的磁芯采用坡莫合金1J85材料，其相对导磁率为几万，长和宽分别为25 mm和650 mm，将各参数代入式(3)可得S≈27 746 m2，a=173.3 μV/(nT·Hz)。

2 磁传感器的研制

2.1 传感器结构和线圈的等效电路

磁传感器主要由骨架、磁芯、线圈、屏蔽层组成。磁芯放置在骨架里面，线圈绕在骨架上，屏蔽层包裹在骨架外面。骨架采用线膨胀系数小、稳定性能好的非铁磁性材料，如酚醛树脂，磁芯应根据频带范围选择导磁率相对较高的材料[13]。线圈可以等效成如图2所示的电路，图中：C为分布电容；L为线圈电感；Ri为线圈内阻，感应电动势即分布电容两端的电压。

图2 线圈等效电路图

2.2 线圈绕制方法

感应线圈采用纱包线绕制，线径可根据需要的匝数以及传感器的体积决定，线径太细，电阻较大，Q值较小；而线径太粗，相同匝数的体积较大，故需按实际需求选择。磁芯中间位置磁感应强度最大，往两头逐渐减弱，为了避免边缘效应，线圈长度应小于磁芯长度，推荐50%～80%，由式(9)知，谐振频率跟分布电容成反比，为了减少分布电容，线圈采用多层分格、乱绕串联方式绕制，

(9)

如图3所示，在相同匝数下可以减小分布电容，提高传感器的谐振频率。对于绕制好的线圈，可用RLC仪测得C和L，从而计算出谐振频率。

图3 分段绕制示意图

2.3 阻抗匹配和低噪声前置放大电路

振荡系统中，若负载阻抗小于线圈的特性阻抗，那么负载就要消耗比前端源提供得更多的能量，这就工作在过阻尼状态；相反，负载大于传输线圈的特性阻抗，能量消耗不完有剩余则处于欠阻尼态，如果负载阻抗跟前端阻抗相匹配，则系统工作在临界阻尼模式，这时信号更加稳定，波形趋于理想[14]。不加阻尼电阻的线圈频带较窄且线性度差，同时在间断信号中，信号在起始和结束段振荡很严重。 在感应式磁传感器中一般采用电阻阻尼方式，将两个等值电阻分别并联在线圈一端和抽头之间，如图4所示。

图4 阻尼匹配方式

前置放大主要由两级放大电路、低通滤波器以及信号转换电路组成(见图5)。为了抑制共模噪声和提高输入阻抗， 第一级采用差分输入 ，多级电路的噪声是具有累加性的，但主要由第1级电路决定，因此第1级要选用低噪声的器件。为降低高频噪声对信号的影响，加入了低通滤波器，再经二级放大电路，信号通过单端转差分电路输出，如图5所示。

图5 前置放大电路示意图

2.4 条状屏蔽层技术

低噪声设计不仅要求前端调理电路有极低的噪声，同时还需要抑制外部干扰信号对电路的影响。采用柔性电路板制作的条状屏蔽层，包裹在骨架外面，将铜箔单端跟大地相连，由此可以有效抑制外部干扰对传感器性能的影响[15]。

3 传感器测试实验

3.1 灵敏度对比实验

将感应式磁传感器放入通电螺线管中，其中间区域为匀强磁场,通过已知的电流可计算出当前的磁场强度，实际测得传感器灵敏度为168 μV/(nT·Hz)。表1为自制传感器跟国内外传感器的对比，自制传感器灵敏度高于国内成熟传感器，略低于国外水平。

3.2 室内实验

瞬变电磁仪发射线圈采用重叠回线方式，用自制传感器测量得到的衰减曲线符合瞬变电磁衰减规律，曲线光滑，如图6所示。测得的二次场衰减曲线在10-5～106μV级， 满足瞬变电磁仪的探测精度。同时将自制传感器和国内某成熟传感器进行对比实验，测得瞬变电磁衰减曲线基本一致，证明了自制传感器的优良性能。

图6 衰减曲线对比图

3.3 矿井实验

在国内某矿区，距井下800 m的地面发射几百A的编码信号，用自制的传感器探头在井下成功接收到清晰的编码信号。如图7所示，原始信号为毫伏级，论证了传感器的高灵敏度。

4 结 语

采用分层分格乱绕方式绕制线圈，接收端采用电阻阻尼匹配技术，条状屏蔽技术以及低噪声前置放大技术成功研制出了矿用高灵敏度感应式磁传感器。通过对比实验和室内外实验，论证了磁传感器的高灵敏度，传感器性能达到国内先进水平。

图7 井下接收的弱信号图

[1] 巨汉基，朱万华，方有广. 磁芯感应线圈传感器综述[J]. 地球物理学进展，2010，25(5)：1870-1876.

[2] 邵英秋，王言章，程德福，等. 基于磁反馈的宽频带磁传感器的研制[J]. 仪器仪表学报，2010，31(11):2461-2466.

[3] 洪泽宏,何乃明,王占辉，等. 关于磁传感器设计中的技术问题[J]. 海军工程大学学报,2005,17(5):72-76.

[4] 郭 玉,鲁永康,陈 波. 高性能低频交变磁场传感器的研究与制作[J]. 传感技术学报,2005,18(3):493-495.

[5] 解 源,钱俊岳. 基于非晶态合金的磁场传感器的研究[J]. 电测与仪表,2006,43:59-61.

[6] 林继鹏,王 君,凌振宝，等. 基于非晶态合金的感应式磁敏传感器的研究[J].仪器仪表学报,2004,25(2):95-97.

[7] 蒋安林,周穗华,张晓兵，等. 感应式磁传感器的设计[J]. 船电技术,2011,31(12):35-37.

[8] 郑采君.感应式频率域磁场传感器设计[J]. 电子设计工程,2012,18(20):48-50.

[9] 田永玮，耿胜利.宽带超低频磁传感器的研制[J]. 传感器世界，2008(8):31-34.

[10] 李文彬,刘 勇,范育兵.小型化宽频带磁传感器的设计[J]. 舰船电子工程,2012,32(3):129-131.

[11] 陈兴朋,宋 刚,周 胜，等. 音频大地电磁磁场传感器的研制[J]. 中国有色金属学报,2012,22(3):922-927.

[12] 张 飞. 宽频带感应式磁传感器放大技术研究[D]. 长春：吉林大学，2012.

[13] 陈曙东.瞬变电磁接收系统的研究[D].长春：吉林大学，2009.

[14] Pavel Ripka. Magnetic sensors and magnetometers[J]. Artech House,2000(12)：516.

[15] LENZ J E. A review of magnetic sensors[J]. Proceedings of the IEEE, 1990,78: 973-989.

Development of High Sensitivity Low-frequency Magnetic Field Sensor

ZHANGBi-yong，XUYang-cheng，ZHANGLei，QINWei

(China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing 400037, China)

This paper designs a high-sensitivity low frequency inductive magnetic sensor and introduces its specific structure and working principle. Through analyzing the main factors which affect the sensitivity, the paper proposed research methods of high sensitivity magnetic sensor. The structure of the sensor, the equivalent circuit of the coil, the coil winding manner, damping matching technology, strip shielding technology are introduced in details as well as a low-noise preamplifier technology. Meanwhile, comparative experiments demonstrated the high sensitivity of the sensor. Laboratory experiments and mine experiments all demonstrated excellent performance in actual sensor measurements. The developed inductive magnetic sensor meets the requirements of a variety of measurement environment, and the sensitivity reaches the advanced level.

high sensitivity; coil winding; impedance matching; shielding strip; low noise

2014-10-10

十二五国家重大专项(2011zx05040-002)

张碧勇(1988-)，男，重庆万州人，助理工程师，主要从事地球物理勘探仪器研究。

Tel.:18875136123;E-mail:zby18402010@163.com

许洋铖(1983-)，男，重庆南川人，高级工程师，主要从事地球探测技术及仪器研究。

Tel.：023-68683314;E-mail:xuyangcheng1983@163.com

TP 212

A

1006-7167(2015)08-0061-03