一种正弦波磁通门传感器激磁系统的设计*

2015-08-24王向鑫姜文娟赵文杰施云波

传感技术学报 2015年12期

王向鑫，姜文娟，于　洋，赵文杰，施云波

一种正弦波磁通门传感器激磁系统的设计*

王向鑫，姜文娟，于洋，赵文杰，施云波*

（哈尔滨理工大学测控技术与通信工程学院，测控技术与仪器黑龙江省高校重点实验室，哈尔滨150080）

针对方波激励磁通门易出现谐波干扰问题，提出一种采用正弦波激励磁通门的激磁系统。给出了总体设计方案，设计了信号发生器，信号调理电路和功率放大电路，并给出了激磁信号波形、频率和电流等关键参数的设计性能指标。搭建了系统测试平台，分析了在不同激磁波形下磁通门传感器的输出波形变化，实验结果表明：应用本系统能够得出正弦激励下磁通门最佳灵敏度的激磁工作频率为16 kHz，在此激励作用下，测试平台测得磁通门传感器的灵敏度是110 V/T。

磁通门；激磁系统；正弦激磁信号；激磁频率

EEACC：7230doi：10.3969/j.issn.1004-1699.2015.12.026

磁通门传感器广泛用于地磁测量、地质勘探、空间探测、卫星姿控和磁性导航等弱磁场探测的各领域［1-3］。磁通门现象是一种普遍存在的电磁感应现象，磁通门传感器是一种稍加改造的变压器式器件［4］，在激磁信号的作用下，将环境磁场调制成偶次谐波的感应电动势，其中，激磁信号的电流、频率和波形等参数是直接影响传感器的性能指标关键因素［5］。

激磁电路参数的设计是提高磁通门性能的关键环节，一般地都采用方波激励，虽然在信号的频率精度及频率稳定度方面取得显著地进步［6-7］。但是，以方波信号作为激磁信号，很难保证波形的稳定度，因为作为负载的激磁线圈具有等效电感和电容的作用，导致磁通门波形易发生畸变而导致灵敏度变化。因此，有人提出了一种低剩磁误差的磁通门激励电路，设计了一种全新的激励电流波形，降低了磁通门的功耗［8］。如果激磁信号是非正弦信号，信号中就会存在偶次谐波成分，偶次谐波成分会给磁通门带来系统噪声［9］。所以，采用正弦信号作为激磁信号，具有较强的抗畸变能力，且不含偶次谐波成分，对提高磁通门灵敏度的激磁电路设计具有重要意义。

本文设计了正弦波激励磁通门激磁系统，实现了输出正弦波信号作为激磁信号，且激磁信号的电流和频率可调。系统主要性能指标如下：激励信号类型：正弦波/方波，激励信号带宽：1 kHz～4 MHz，激励信号输出电流：0～3 A。本文应用此系统匹配出了磁通门传感器的最佳激磁频率。

1　系统总体设计

1.1激磁系统设计

基于正弦信号的激磁系统设计，系统硬件电路框图如图1所示。整个系统分为两大模块：激磁信号模块和参考信号模块，系统采用直接数字频率合成技术（DDS）产生原始正弦信号，两大模块由微控制单元（MCU）进行控制。其中，激磁模块包括信号发生器、低通滤波器、信号调理电路和功率放大电路。信号发生器的核心器件是直接数字频率合成器。由于信号发生器的输出信号含有直流分量和大量高次谐波成分，信号发生器输出的原始信号经低通滤波器后，可将原始信号的高次谐波成分滤掉，信号调理电路先把原始信号的直流分量滤掉，再将信号进行交流电压放大，放大后的信号输入给晶体管功率放大电路，实现电压信号与电流信号的转换。最后将功率放大器输出的激磁电流信号施加在激磁线圈上。

图1　R系统总体设计框图

系统的方波是由直接数字频率合成器产生的正弦信号经过芯片内部的高速精密比较器产生的，原始的方波信号进入低通滤波器后，滤除高次谐波成分，但是滤波器会造成波形失真，所以后端进入施密特触发器对方波信号进行整形。经过整形后的方波输入给信号调理电路、功率放大电路，其处理方法与正弦波信号相同，此处不再赘述。

参考信号模块输出信号频率为激磁信号频率的偶数倍。其电路结构与激磁信号模块大致相同，不同之处是不对信号进行功率放大，为了提高两个模块输出信号的相位稳定度，两个模块采用同一基准源。

1.2磁通门传感器设计

设计了一款磁通门传感器，用于测试本文设计的激磁系统。一种“日”字环形磁通门传感器，传感器的整体结构如图2所示。包括：激励线圈、感应线圈、磁芯、聚酰亚胺保护膜，其中在磁芯的两条边分别绕制两组相互独立的三维螺线管激励线圈，在“日”字形磁芯横梁上绕制一组三维螺线管感应线圈。磁芯材料为坡莫合金，固有工作频率一般在1 kHz～50 kHz之间。

图2　R传感器结构示意图

根据磁通连续性原理［10］，在b点处有：

可见，在理想情况下，感应线圈内的磁通Ф3（t）是两组激励线圈产生的磁通Ф1（t）、Ф2（t）叠加之和，所以感应线圈产生的感应电动势为：

这里假设μ、S、H都是时间t的函数，其中μ（t）为磁芯磁导率，S（t）为磁芯横截面积，H（t）为感应线圈轴向磁场强度，实际工作中的感应线圈的磁场强度Hreal为激励线圈在铁心中产生的磁场与外界磁场矢量之和，

对2式求导并展开：

其中：μ（t）是偶函数［11］，将μ（t）展开为傅里叶级数，可得：

所以

将（6）式带入（4）式并整理得：

可以得到：

只含有奇次谐波分量。将εext（t）展开：

可见环境磁场产生的感应电动势εext（t）只含有偶次谐波，由上述数学模型可知，磁通门是通过铁芯将环境磁场调制为交流激励电流的偶次谐波感应电动势，实现对环境磁场的测量。事实上，单棒型磁通门传感器的输出与式（7）相同，本传感器原理上仍是单棒型，与单棒型结构相比，该结构磁芯闭合，能够减小漏磁；与双棒型或者环形结构相比［12-13］，该传感器并没有抵消奇次谐波，此结构变压器效应明显，容易受到激磁信号的干扰，所以采用不含偶次谐波成分的正弦波作为激磁信号更适合本传感器。该传感器的结构有利于增加激磁线圈匝数，所以能够承受较大激磁电流，较大电流能够使磁芯S饱和，若激磁电流与传感器能够合理匹配，可以收到S＞S1+S2的效果，即增大了磁芯的横截面积S，由式（11）可知，可以提高磁通门信号幅值。

2　信号发生与调理电路设计

2.1信号发生器电路

系统的信号发生器电路的主要连接方式如图3所示，本系统选用的直接数字频率合成器为ADI公司生产的AD9850BRSZ芯片，信号发生器采用两片AD9850并联工作模式，其输出频率用一款AT89S52型单片机进行控制。系统采用一个10 MHz有源晶振为两片AD9850芯片提供基准源CLKIN，为了获得最佳的激磁效果，系统设计了剪切频率为4 MHz的低通滤波器，U（t）经过低通滤波器后能够将高次谐波分量滤掉。

图3　R信号发生器电路

2.2信号调理电路

信号调理电路主要有两个作用：一是将激励信号中的直流分量滤掉，因为直流成分会带来系统误差，会使传感器的工作温度升高，温度的升高会严重影响传感器的线性度；二是对正弦信号进行交流电压放大，因为经过滤波器后的信号是峰-峰值约为1 V的正弦/方波信号，放大后的信号进入功率放大电路，通过改变交流电压的放大倍数来控制功率放大电路输出电流大小，系统的信号调理电路原理图如图4所示。

图4　R信号调理电路

电路在工作过程中，通过调节Ui的大小来消除电路中的直流成分；通过调节RF/R31的比值来改变输出正弦信号Uz（t）的幅值。本信号调理电路中带有负反馈，输出信号波形不易发生畸变。

针对不同结构、尺寸的磁通门传感器，一般其输入激励信号的最佳电流不同［14］。本文采用晶体管放大电路对信号调理电路输出的信号电流进行放大，信号调理电路输出的正弦信号Uin（t）接入晶体管电路的基极，用于控制发射极输出的电流大小，发射极输出的交流电流信号Uout（t）直接施加在磁通门激励线圈，为磁通门提供激励源。其原理图如图4所示，晶体管Q1选用NPN型三极管，型号为2SD1762，集电极允许输出最大持续电流（Collector current）为3A；晶体管Q2为Q1的对管，型号为2SB1185，技术指标与Q1相同。所以系统的输出电流上限设定为3A。系统在输出回路添加了两个限流电阻R47、R48，用来保护功率放大电路和磁通门传感器。

3　软件程序设计

本文采用AT89S52单片机控制两片AD9850芯片，单片机与AD9850采用串行接口工作方式，单片机将40位控制字写入AD9850芯片内，其中这40位控制字包含32位频率控制字、5位相位控制字、1位电源控制字，2位工作方式选择控制位，本文不涉及相位控制，频率控制可通过（12）式计算得到：

其中fOUT为输出频率值，fr参考时钟频率，W为十进制频率控制字。参考时钟频率fr=10 MHz，则芯片输出的频率分辨率为fr/232=0.002 8 Hz，考虑到本信号发生器的实际用途，系统的输出带宽设定为1 kHz～4 MHz。

当W-CLK上升沿到来时，从最低有效位开始，元件D7上的数据逐位地以串行方式移入寄存器，FQ-UD端上升沿到来时，把40位控制输入频率/相位控制寄存器，继而更新芯片的输出频率，本文用单片机先向AD9850-1写入一倍频控制字，再向AD9850-2写入二倍频控制字，然后单片机进入休眠状态，其程序流程图如图5所示。

图5　R系统程序流程图

4　实验与结果分析

4.1测试平台搭建与激磁波形分析

本文搭建了激磁系统测试平台，测试平台功能框图如图6所示，前置差分电路用于对感应线圈输出信号进行差分放大，图6中用到的锁相放大器模块直接输出二次谐波信号幅值，用万用表直接读取。磁屏蔽筒用于屏蔽外界磁场，精密电流源用于给磁屏蔽筒中的螺线管施加电流，使磁螺线管内能够产生均匀磁场，高斯计用于测量螺线管内产生的磁场强度。

图6　R激磁系统测试框图

将激磁系统切换到正弦波输出模式，控制激磁系统输出激磁电流大小恒定不变，用示波器观察前置差分电路输出波形（图6中P点输出波形），即传感器感应线圈输出波形，得到的波形图如图7（a）所示；将激磁系统切换到方波输出模式，用同样方法可以得到如图7（b）所示波形。其中7（a）电压峰-峰值为1.94 V，其中7（b）电压峰-峰值为1.55 V，对比这两种模式下的传感器输出波形，正弦激励输出幅值较大，所以灵敏度也较高，且输出波形较为理想，易于锁相放大器处理。

图7　R感应线圈输出波形图

事实上，若以方波作为激磁信号，即使纯粹的方波发生的任何畸变都会产生谐波，而且大多都是复合谐波，带有谐波干扰的激磁信号会直接耦合到感应线圈中，引入了系统噪声，即使用锁相放大器也很难抑制来自激磁信号的偶次谐波干扰；若以正弦信号作为激磁信号波形则会避免上述问题，因为正弦信号中不含偶次谐波成分，由于本文的传感器结构限制，激磁信号产生的激磁电压会直接耦合到感应线圈上，所以只能采用正弦波作为激磁信号波形。

4.2激磁频率与传感器匹配分析

激磁频率与传感器相匹配，可以使传感器工作在最佳状态，具体测试方法如图6所示，测试平台中，调整电流源的输出，使螺线管均匀磁场区域的磁场强度恒定不变。将磁通门传感器置于磁屏蔽筒中，通过PC机向激磁系统下达频率控制文件，首先以10 kHz为步长，在1 kHz～100 kHz频宽内进行测试，通过万用表察锁相放大器电压输出大小，发现传感器最佳激磁频率出现10 kHz～30 kHz之间，再以1 kHz为步长，在10 kHz～30 kHz范围内对传感器进行测试，测试数据见表1。

表1　R激磁频率测试数据表

将表1中的数据进行拟合，得到激磁信号频率与传感器输出二次谐波电压之间的关系曲线，其幅值-频率特性曲线如图8所示，为了与方波激励进行对比，图8还给出了方波激励的测试数据。

图8　R幅值-频率特性曲线

通过图8不难发现，正弦激励曲线存在峰值，在峰值附近二次谐波幅值最大，所以将峰值处对应的频率作为激磁频率，磁通门的灵敏度最高。而以方波作为激励，二次谐波幅值随着频率的增大单调上升，但幅值小于正弦波曲线峰值处的值。所以此磁通门传感器的最佳激磁信号为正弦信号，最佳工作频率在15 kHz～17 kHz之间。本文将系统最佳激励定义在16 kHz处。

通过调整测试平台的电流源控制螺线管内电流大小，使其产生对应的磁场，用高斯计标定所施加磁场强度大小，用万用表的输出即为对应传感器的输出，测试数据如表2所示，对测得数据进行处理发现，该传感器的灵敏度还受到测试平台的检测电路限制，并非磁通门探头的真实性能，在激磁频率为16 kHz、激磁电流200 mA的条件下，测试平台测得磁通门传感器的灵敏度是110 V/T。

表2　R传感器测试数据表

5　结论

实现了磁通门基于正弦信号的激磁系统设计，采用正弦波作为激磁信号波形的设计，可抑制激磁电压对传感器输出的干扰，而且检测信号易于解调，有利于提高传感器灵敏度。实验结果表明：本文设计的磁通门传感器工作在最佳状态下的工作频率为16 kHz，研究激磁信号与磁通门传感器的匹配关系，对提高磁通门传感器性能具有重要意义。

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Design of Excitation System for Fluxgate by Sine Wave*

WANG Xiangxin，JIANG Wenjuan，YU Yang，ZHAO Wenjie，SHI Yunbo*
（The higher educational key laboratory for Measuring&Control Technology and Instrumentations of Heilongjiang Province，School of Measurement-Control Tech&Communications Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China）

Aiming at the problem that a flux-gate sensor excited by the square wave would be interfered by harmonics，a fluxgate excitation system based on a sine wave excitation is presented.The system overall scheme，also with the detailed signal generator design，signal conditioning circuit，and the power amplifier circuit，are all given in this paper.At the same time，the key parameters of the excitation signal waveform，like frequency and current design performance indexes，are also presented.The system test platform is Build and the analysis of the flux-gate sensor output waveform variation under different excitation is also illustrated.The results of the experiment show that：the proper frequency of the fluxgate under the sine wave excitation is 16 kHz measured by the testing platform.With this excitation condition，the sensitivity of the flux-gate sensor is 110 V/T.

fluxgate；excitation system；sinusoidal excitation signal；excitation frequency