线圈磁传感器的发展现状与空间应用

石 东，王三胜，易 忠

（1.航天东方红卫星有限公司，北京 100094；2.北京航空航天大学 微纳测控与低维物理教育部重点实验室，北京 100191；3.北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

0 引言

在空间环境探测领域，线圈磁传感器由于灵敏度和可靠性高成为磁探测传感器的最佳选择之 一[1-3]。针对磁场测量的不同要求，具有不同优点和性能的磁传感器层出不穷，如磁通门传感器、GMR、GMI、SQUID、核进动、光泵磁传感器等[4-9]。线圈磁传感器作为一种最古老的磁传感器，具有可探测范围宽（10-14～104T）、灵敏度高、噪声低（达 fT 量级，通常用于深空弱磁场探测）、功耗低和制作简单的优点，具有极广泛的应用[10-13]。其缺点是体积比较大，难以微型化和集成化。因此，要获得适用于空间应用任务的线圈磁传感器，就需要综合考虑其灵敏度、功耗、体积等因素，并采用相应优化技术进行优化。

本文对几种主要的线圈传感器性能优化方法进行介绍，并结合相关实际应用具体分析。同时简要介绍了一些为线圈磁传感器性能进一步提高提供了可能性的新技术的应用，如梯度信号测量技术、超导技术等。

1 提高线圈磁传感器性能的主要技术

1.1 线圈磁传感器灵敏度的提高——引入磁芯

线圈磁传感器的工作原理是法拉第电磁感应基本定律，在均匀交变磁场下其感应电压为

式中：Φ是通过线圈面积为A、匝数为n的线圈的磁通量；B为磁感应强度；H为磁场强度；µ0为真空磁导率常数，µ0= 4π×10-7N/A2。

通常，如果线圈要获得高的灵敏度，可以通过较多的匝数n和较大的线圈面积A来实现，体积和质量都会比较大。例如，在带宽为0.001～10 Hz的条件下，用于测量地球磁场微脉冲的感应线圈磁强计的分辨率为1 pT～1 nT，尺寸大小为m 级，重达好几百kg。文献[14]介绍的一个线圈传感器的设计实例，其直径达2 m，线圈匝数16 000，导线直径为0.125 mm。

空间应用的线圈磁传感器往往利用磁芯来实现高灵敏度以及微型化。当将铁、钴、镍等磁性材料放入磁场中时，磁场中的磁力线通过这些磁性材料附近时就会改变原来的路径而更多地穿过磁性材料返回到磁南极，如图1所示。利用在磁性材料中比在空气中更容易建立这种磁路的原理，将磁性材料放入线圈中，就会汇聚更多的磁通，从而增大式(1)中的Φ，进而增大感应电压V的幅值，这就是制作磁芯线圈磁传感器的原理。

图1 磁性材料放入磁场前后的磁力线分布图Fig.1 Distribution of the magnetic induction lines affected by the ferromagnetic materials

对于磁芯线圈磁传感，感应电压由式(1)变化为

其中µr是线圈中磁芯的相对磁导率。

目前的软磁材料的相对磁导率µr都较容易做到104～105，可以显著提高传感器的灵敏度，同时大大缩减其体积。然而，由于磁场的消磁效应（其消磁系数为N），铁芯的作用磁导率µc要比软磁材料本身的磁导率小得多。

从式(3)可知，如果某材料的相对磁导率µr非常大（通常情况下都是这样），作用磁导率µc的大小就主要依赖于消磁系数N。而消磁系数的大小依赖于铁磁芯的几何形状，因此对于高磁导率材料，传感器的灵敏度主要依赖于铁磁芯的几何形状。

应用软磁材料作为传感器的铁磁芯对其灵敏度的提高作用显著，目前获得的线圈传感器的灵敏度在同体积时已经达到磁通门的水平然而，这种灵敏度的提高是以牺牲空心传感器的最大优点——线性度为代价的。即使选用性能非常优越的铁磁芯材料，仍然会给线圈磁传感器引入一些非线性因素（这些因素依赖于温度、频率、磁通密度等），也会产生多余的磁噪声（如巴克豪森效应噪声）等。因此，高性能的线圈传感器设计需要对以上因素进行综合考虑。

1.2 梯度信号的获取

环境（外）磁场是由一个大而且远距离的磁场源产生，例如地球磁场，因此假定磁场是均匀统一的。如果将两个距离很近的线圈传感器放进这样的磁场里，它们就会敏感到同样的磁场；又由于两线圈是差分连接的（如图2所示），外磁场的作用就相互抵消了。如果在两个线圈之间同时放一个小的磁场源，则距离磁场源近的线圈处磁场强度比另一个线圈处磁场强度大。这个细小的差别就是磁场梯度，可以被梯度传感器灵敏检测到。在远距离处有较大磁场情况下，用这种方法可以测量出局部相对小的磁场变化。

图2所示为梯度线圈传感器的典型分类：垂直型、平面型和非对称结构型。当梯度线圈传感器被放置在均匀场中时，其输出信号应该为0。对于非对称结构类型，其敏感线圈比较小，为了补偿由较大线圈测的磁场，它就需要有更多的匝数。

图2 梯度线圈传感器分类Fig.2 The classification of the gradiometer coils

同时用几个梯度传感器消除公共成分可以提高测量性能，图3(a)～(c)所示分别为一阶、二阶和三阶梯度传感器。更高阶的梯度传感器反而减小了传感器的灵敏度和信噪比，研究和应用价值不大。

图3 梯度线圈传感器Fig.3 Gradiometers of different orders梯度传感器的质量通常用下面公式描述，

其中：G为被测磁场的梯度；H为均匀场强度。在超导器件中，系数β可以小至1/107，这意味着可以在磁场为mT 的均匀背景下测到十几个fT 的磁场变化。

1.3 超导线圈磁传感器的发展

超导电现象以及超导约瑟夫森效应发现以来，超导材料和超导应用技术，尤其是具有实用性能的高温超导材料与技术得到重大发展[15]。应用超导材料制作的各种高、精、尖电子器件推动了现代测量技术的深刻变革。其中超导量子干涉仪（SQUID）已经广泛应用于医学核磁共振领域；目前应用高温超导技术制备线圈磁传感器也表现出良好的应用前景[16]。

日本九州大学Ichiro Sasada[17]报道过使用高温超导线材制成的感应线圈传感器。该传感器包括一个探测线圈和一个放大器结构，及磁场输入到电压 输出之间的简单信号转换电路，其原理及等效电路如图4所示。线圈由5 mm 宽、0.23 mm 厚的BSCCO超导线圈制成，其内径18 cm，外径23 cm，92 匝，电感为3.23 mL。传感器工作基于法拉第电磁感应定律，其截止频率为R/2πL，其中R为线圈的电阻，L为线圈电感。得到传感器的截止频率为1.7 Hz。而且由于超导线圈在实验时电阻基本为0，主要考虑的噪声就是放大器的噪声了，得出传感器的灵敏度为0.54 V/µT。可见，超导线圈在制备高灵敏度和高分辨率线圈磁传感器上具有一定的优势。

图4 超导平板线圈磁传感器原理及等效电路Fig.4 Schematic diagram of an induction magnetometer using a high-Tc pancake coil

2 线圈磁传感器空间典型应用及发展趋势

线圈传感器以其高灵敏度、高可靠性、低功耗等突出优点在众多空间探测项目中尤其是在弱磁场探测方面发挥着重要作用。近些年来，使用线圈传感器的主要国际空间环境探测任务有：2010年发射的CLUSTER 卫星[18]以及2004年发射的进行补充性任务的Double Star 卫星，其任务是对地球磁层的磁场重连临界区域进行研究[19]；2006年THEMIS 的任务是对地球磁层亚暴的相关研究[20]；2014年发射的Bepi Colombo 其任务是对水星的磁场进行探索[21]。以上任务中线圈传感器的具体参数性能如表1所示。

表1 空间探测任务中线圈传感器性能参数Table 1 Inductive sensor performance in recent space missions

2.1 线圈磁传感器的高灵敏度与宽频带设计

法国H.C.Séran 等人[22]给出了空间应用中的高灵敏线圈磁传感器的详细设计和优化过程。以此原则为指导设计的微卫星DEMETER 的三轴线圈磁传感器如图5所示。为了提高探测的灵敏度，需要铁芯的磁导率要高，线圈直径要尽量小，线圈直接绕制在铁芯之上。在优化设计之后，该磁传感器在6 Hz 条件下的噪声水平达到传感器的铁芯由退火铁镍钼15-80-5 镍铁导磁合金片制成，长170 mm、厚50 µm、截面积4.2 cm×4.2 cm。

图5 DEMETER 卫星三轴线圈磁传感器Fig.5 Three-axial search coil magnetometer for DEMETER

对于一定体积的铜线，线圈匝数和线径是相关的，即减小线径可以增加绕制匝数。因此，磁传感器的热噪声取决于所用铜线的体积，而非线径或者匝数。线圈匝数等特征会对磁传感器的低频特性产生影响，为了在前置放大器的电压噪声之上得到理想共振频率和电阻噪声，该设计中选用了直径为71 µm 的铜线，线圈匝数为12 200。

该三轴线圈磁传感器包含外壳的总质量仅有430 g，性能指标达到了空间测试的需求，自2004年来工作于DEMETER 微型卫星上。

2.2 线圈磁传感器的微型化和低功耗

在空间环境探测应用中，传感器的体积以及功耗是重要的考虑内容。因此，除了保证较高的磁场分辨率外，对于体积、尺寸、质量、功耗的优化设计对于传感器的应用同样重要。不同于磁通门等传感器，线圈传感器是一种完全被动型的传感器，不需要内部电源进行激励，能量消耗仅仅来自对被测信号的处理，通常其功耗可以比磁通门类磁传感器小2 个数量级。

通常，线圈磁传感器的灵敏度越高所需要的线圈尺寸就越大。磁通汇聚器以及磁芯的合理设置可以在不降低探测灵敏度的前提之下，极大减小传感器体积和质量。以色列Asaf Grosz 等人[23]针对三轴线圈磁传感器的体积和质量进行了充分的优化（参见图6），该传感器磁场分辨率达到体积只有350 cm3（7.2 cm×6.9 cm×6.9 cm），只相当于相同功耗和相同灵敏度的磁通门磁传感器的1/3，可持续工作7年；与传统设计的空间应用线圈磁传感器[22]相比，该新型线圈传感器体积只有其1/22，质量只有其60%。

图6 DEMETER 卫星三轴线圈磁传感器的优化结构Fig.6 New design of a three-axial search coil magnetometer for DEMETER

2.3 与其他磁传感器协同工作

线圈磁传感器与磁通门传感器在性能方面各有优势，经常同时应用于空间磁场探测。它们的基本物理工作原理决定了它们适用于不同频段弱磁场的探测，磁通门的测量范围从直流磁场至十几Hz，线圈磁传感器的测量范围则从零点几个Hz 直到约 1 MHz。在频率10 Hz 以上，线圈磁传感器具有更高灵敏度。而磁通门传感器在频率几百Hz 之内具有更大的优势。目前在空间微弱磁场测量方面，从直流磁场到1 MHz 左右的磁场，利用磁通门和线圈磁传感器的组合能完全胜任。日本Feng Han等人[24]设计的磁通门与线圈复合型传感器具有低噪声、宽频带的优越特性，可以实现直流至30 kHz频率范围的磁场测量，其分辨率在 1 Hz 为在10～200 Hz 为

3 结束语

目前线圈磁传感器的研究正在向微型化、低频段磁测量、低噪声方向发展。例如，磁通门及线圈传感器协同工作实现直流-交流磁场的宽频带信号测量；使用磁导率高的磁芯并配以低噪声前置放大器来制作微型化线圈磁传感器；使用高温超导线材制备线圈来制作低截止频率的线圈磁传感器，从而克服其不便于集成和不能测量准直流磁场的弱点；结合其超低功耗的优点，线圈磁传感器的应用必将进一步扩大。与其他类型的磁传感器相比，线圈磁传感器在各个方面已经展现出相同甚至更高的性能，在空间弱磁场探测中具有重要研究价值和良好应用前景，将继续发挥重要的作用。

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