面向空间应用的高精度磁阻磁强计设计及性能测试

葛丽丽，任琼英，赵华,2



面向空间应用的高精度磁阻磁强计设计及性能测试

葛丽丽1，任琼英1，赵华1,2

（1. 北京卫星环境工程研究所，北京 100094；2. 三峡大学理学院，宜昌 443002）

文章基于磁阻磁强计的工作原理，提出了高精度磁阻磁强计三分量探头和电子电路设计方案：改进磁强计三分量探头结构，以消除三分量磁畴间的相互干扰所引起的测量误差；采用交流耦合和闭环控制工作模式，以消除磁畴排列紊乱带来的影响，稳定磁强计的工作状态。关键性能指标的测试结果表明，磁阻磁强计在1Hz点处的频谱噪声达到38 pT/，其噪声性能显著提高。另外，该磁阻磁强计采用微型化结构设计，便于安装，满足微小卫星的空间磁场探测的需求。

磁阻磁强计；探头设计；电路设计；闭环测量；FPGA；A/D转换

0 引言

用于空间磁场探测的磁强计主要有光泵磁强计、质子旋进磁强计、磁通门磁强计和磁阻磁强计[1-6]。其中，磁阻磁强计广泛应用于地磁探测、地磁导航、车辆检测和井探等领域，而若用于空间磁场探测则需要更高的磁场测量精度。

磁阻磁强计因其结构小巧而更适合微小卫星的搭载。2012年，伦敦帝国理工学院的布莱克特实验室研发的磁阻磁强计搭载在质量小于3kg的TRIO-CINEMA微小卫星上[7]。但国内到目前为止还没有搭载磁阻磁强计进行空间磁场探测的报道。

一般情况下，磁阻磁强计的设计大多采用开环工作模式，而且没有考虑外界强磁场对磁强计三分量探头带来的磁畴排列紊乱的影响[8-10]，这不利于其工作状态的稳定和测量精度的提高；对于构建磁强计三分量探头的3个磁阻型传感器因近距离排列而引起磁畴之间的相互影响更是未被给予充分关注[11-12]。

本文提出高精度磁阻磁强计的三分量探头及电路设计方案，包括：改进磁强计三分量探头的结构设计，以消除三分量磁畴间相互干扰所引起的测量误差；利用激励电路消除磁畴排列紊乱带来的影响，并采用闭环工作模式，稳定磁强计的工作状态。最后对该磁阻磁强计的关键指标进行测试。

1 磁阻磁强计设计

磁阻磁强计主要由磁强计三分量探头和电子电路组成（如图1所示）。

图1 磁阻磁强计总体框图

电子电路包含激励电路、模拟信号处理电路以及数控电路。其中激励电路的作用是持续置位/复位磁阻型传感器的磁畴排列状态；模拟信号处理电路对磁强计三分量探头输出的感应电压信号进行放大、滤波等处理；数控电路实现模拟信号到数字信号的转换以及磁场数据的传输等。磁强计三分量探头和电子电路之间相互独立，通过双层屏蔽电缆实现通信连接。

1.1 磁强计三分量探头

磁阻型传感器的工作原理是利用各向异性磁电阻效应，即：外界磁场的作用使磁性材料的磁化方向和电流方向的夹角发生改变，导致其电阻值以及两端的输出电压发生变化。因此，通过测量电压大小即可得到外界磁场的大小[13-14]。为了测量磁场矢量信号，设计了磁强计三分量探头，它由3个磁阻型传感器组成。磁强计三分量探头的实际尺寸约为45mm×20mm×10mm，质量小于20g。

为了提高磁阻磁强计的测量精度，对其三分量探头作了两项改进：一是设计了可筛选出噪声性能优良的磁阻型传感器的筛选器；二是进行微型化设计，使3个轴向的磁阻型传感器安装位置尽量相互靠近。为了避免三分量探头磁畴间相互干扰，特别设计了安装骨架使它们的磁畴中心对齐。

1.2 激励电路

由于磁阻型传感器的磁畴排列极易受到外界强磁场的影响而导致排列紊乱，所以设计了激励电路（如图2所示），其作用是产生持续的置位/复位信号，使磁畴周期地处于整齐的正向/逆向排序，进而使磁阻型传感器工作在交流耦合的模式下，以消除外界强磁场引起的磁畴排列紊乱。激励电路设计原理是：首先将电压脉冲信号经放大电路放大，再转换为所需要的置位/复位脉冲信号；采用串联模式使该信号依次流经3个磁阻型传感器的置位/复位电流带（S/R strap），从而对3个磁阻型传感器进行激励。串联模式既简化了电路，又降低了功耗。

1.3 模拟信号处理电路

模拟信号处理电路逻辑框图如图3所示。在激励电路的作用下，磁强计三分量探头探测的分量输出均为与激励信号同频的微弱交流信号，经过前级放大和交流耦合后，通过相敏解调电路将交流信号转换为直流信号并进行积分运算；并采用闭环控制的工作模式，将积分输出的电压信号通过U/I转换模块转换为电流信号反馈到磁强计三分量探头端的offset电流带组成反馈环路；积分电路的电压信号通过低通滤波后输出。模拟电路的设计作用在于：采用交流耦合和闭环控制工作模式，提高磁强计的灵敏度和分辨率，稳定磁强计工作状态。

1.4 数控电路

数控电路通过FPGA实现对ADC和RS422的控制。如图4所示，模拟信号输入到ADC并由ADC完成A/D转换，一并与串行输出数据输出给FPGA；FPGA作为系统的核心控制模块，实现ADC寄存器配置、串行数据接收、串/并转换、数据存储、RS422串口通信等控制；而RS422完成串口通信，输出数字信号。

图2 激励电路

图3 三分量磁阻磁强计模拟信号处理电路框图

图4 数控电路设计框图

2 配套测试软件

配套测试软件的功能主要有：1）以数字形式实时显示测量数据；2）以“.txt”格式存储数据；3）实时绘制数据的动态曲线。软件的界面如图5所示。

图5 测试软件界面

3 测试实验与结果分析

为了进行性能测试分析，对研制的磁阻磁强计样机进行了测试实验。

3.1 线性度测试

线性度是指输入输出曲线与理想直线的偏离程度[15]。图6(a)中“×”所表示的数据点为实测数据点，蓝色直线为数据拟合结果。计算线性误差如图6(b)所示，由图可知，线性度误差小于0.012%（量程为±65000nT）。

(a) 实测数据

(b) 线性误差

图6 线性度测试结果及误差分析

Fig. 6 Linearity test results and error analysis

3.2 频率响应测试

磁强计主要用于测量磁场的直流量和低频交流量，因此它的频率响应特性也需要测试分析。计算频率响应带宽时通常以信号衰减到-3dB的频率作为信号响应频率范围的边界[15-16]。图7为测试的频率响应曲线。可以看出-3dB时的频率大致为12Hz，因此该磁阻磁强计的频率响应带宽为0～12Hz。

图7 频率响应测试曲线

3.3 噪声测试

噪声水平是磁强计重要的评价指标。1Hz处频谱噪声表明，信号在1Hz处的频谱密度与采样宽度和采样时间都无关，故可用于不同磁强计的比较[15]。利用Welch法对所研制的磁阻磁强计的采样数据进行谱估计分析，将频谱分析的结果归一化处理，得到噪声的频谱分布如图8(a)所示，并计算出1Hz处频谱噪声为38pT/。图8(b)[7]中的黑色曲线为搭载在TRIO-CINEMA小卫星上的磁阻磁强计的频谱曲线，可看出其1Hz处频谱噪声为90pT/。对比图8(a)和(b)红色和黑色2条曲线可知，与TRIO-CINEMA上搭载的磁阻磁强计相比，本文设计的磁阻磁强计的频谱噪声性能更优。

(a) 本文设计的磁阻磁强计

(b) TRIO-CINEMA上搭载的磁阻磁强计

图8 磁阻磁强计的噪声功率谱密度对比

Fig. 8 Comparison of power spectral density of two magnetoresistive magnetometers

3.4 测试结果

本文设计研制的磁阻磁强计的实际测试性能参数见表1。可见，该磁阻磁强计噪声性能优良，测量精度高。

表1 磁阻磁强计实际性能参数

4 结束语

本文主要介绍了磁阻磁强计的设计和原理样机的测试实验。测试结果表明，该磁阻磁强计在1Hz点处噪声值优于TRIO-CINEMA上搭载的磁阻磁强计的值。另外，本文的磁阻磁强计三分量探头采用微型化的结构设计，更便于安装，特别是当采用多个磁强计三分量探头进行梯度测量时，可以节省空间和重量，因此非常适合空间磁场探测尤其是微小卫星磁场探测的需求。

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（编辑：许京媛）

Design and performance test of high-precision magnetoresistive magnetometer for space applications

GE Lili1, REN Qiongying1, ZHAO Hua1,2

(1. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China;2. College of Science, China Three Gorges University, Yichang 443002, China )

Based on the working principle of the magnetometer, a new magnetoresistive magnetometer is designed for improving its noise performance, with improved magnetometer probe structure and the mode of AC-coupled and closed loop to eliminate the impact of the randomly oriented magnetic domains and to stabilize circuit working state. The test results for the key performance show that the noise power spectral density at 1Hz is 38pT/. In addition, the magnetoresistive magnetometer has a small size and a light weight, so it is easy to install, and it can especially meet the requirements of small satellites.

magneto-resistive magnetometer; probe design; circuit design; closed-loop measurement; FPGA; A/D convertion

TP212.1+3 ; V419+.9

A

1673-1379(2017)02-0166-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.02.010

2016-06-01；

2017-02-23

葛丽丽（1982—），女，硕士学位，主要从事磁场探测仪器的设计与研制。E-mail: gelili_01@163.com。

http://www.bisee.ac.cn

E-mail: htqhjgc@126.com

Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544