基于电/磁转换的海洋电场检测方法

于 洋，潘孟春，陈棣湘，潘 龙，胡靖华，胡佳飞

（国防科学技术大学机电工程与自动化学院，湖南 长沙 410073）

基于电/磁转换的海洋电场检测方法

于 洋，潘孟春，陈棣湘，潘 龙，胡靖华，胡佳飞

（国防科学技术大学机电工程与自动化学院，湖南 长沙 410073）

传统的直接电测量方法受1/f噪声限制，在低频处信号与噪声发生混叠，难以实现高水平低噪声测量。该文提出一种基于电/磁转换的海洋电场低噪声检测方法，将电信号转化为磁信号，通过微机械的方法将磁信号调制到高频，有效避开低频1/f噪声影响。设计一种实现电/磁转换功能的微机械结构，利用TMR电阻构成惠斯通电桥测量磁信号，实现海洋电场的高水平低噪声检测。仿真与实验结果在1Hz处噪声分别达到，优于传统电测量方案的噪声水平，验证该方法的有效性。

海洋电场；低噪声；1/f噪声；电/磁转换；微机械调制

0 引 言

海洋环境监测技术利用各种传感器和数据采集处理系统连续对海洋环境要素进行测量，对我国海洋安全和国防发展具有重要意义，已列入国家中长期科技发展纲要[1]。

海洋电场测量是海洋环境监测的重要手段，而被测材料自身的介电常数与海水不同，将会引起一定海域内电场的变化。因此，可通过研究不同目标进入该海域导致的电场变化，对目标进行探测，这一方法被称为海洋电磁探测法[2]。该方法已得到广泛关注与发展，英国甚至已将其广泛地应用于海洋勘探中。在海洋电场勘探中，信号放大、去噪过程对于真实信号的还原起着至关重要的作用，因此设计并实现信号的低噪声放大对于电场传感器的整体设计来说至关重要。

传统的电测量方法检测海洋电场，是通过电极的电化学反应将海洋电场信息转变成电信号，输入到低噪声放大电路进行信号放大、去噪，最终结果通过检测电路进行测量[3]，其示意图如图1所示。

图1 传统电测量方法测量海洋电场示意图

海洋电场频率较低，一般只有几赫兹[4-5]，目前国外低噪声放大器（LNA）在低频段的噪声性能不佳，主要体现在放大器器件的本底低频1/f噪声严重，因此低频信号能量较低难以直接实现放大。国内在低频LNA领域的研究则更为局限。尹亚兰等[6]结合超低频的噪声特点和抗干扰原则，提出超低频LNA的实现方案，实测75 Hz处噪声电压刘勇等[7]进行了低频LNA的设计和性能分析，所制备样机在30～300Hz范围内，噪声系数为1.08dB，30Hz处噪声电压为国内关于低频LNA领域的噪声研究多局限于几十赫兹以上，在1Hz处的噪声更大。目前，普通低噪声放大电路在1Hz处的噪声大于Texas Instruments公司在低频低噪声放大领域技术领先，该公司的opa211前置放大器在1Hz处的噪声电压可达到

由此可见，受制于噪声匹配以及1/f噪声等因素，传统的电测量方法很难对低频海洋电场信号进行测量。本文采取电/磁转换的方法，将电信号转换为磁信号进行测量，可以避开低频电噪声干扰等因素的影响，再通过微机械方法将磁信号调制到高频，所设计出的电/磁转换结构在1 Hz处的噪声达到可有效解决1/f噪声的限制。

1 电/磁转换的方法与模型

磁隧穿电阻（tunnelling magneto resistance，TMR）[8]，具有磁阻变化率大，饱和磁场较低、单位磁场灵敏度高及温度特性较稳定等优点。本文提出了一种基于TMR的电/磁转换测量方法，其基本原理是通过线圈将微弱的低频电场信号转换为磁场信号，经由磁聚集器将磁场放大，采用垂动调制的方法将外磁场调制至高频，最后利用TMR进行敏感测量。该方法能够避免在信号和噪声在低频处的混叠，从而能够大大降低1/f噪声的影响。图2为海洋电场信号的处理过程。其中，微机械调制的工作原理如图3所示。

图2 海洋电场信号的处理过程

图3 微机械调制工作示意图

当调制膜工作在状态1时，磁力线从磁聚集器穿过气隙，此时气隙的磁场较大；当调制膜为状态2时，磁力线从磁聚集器经由调制膜到磁聚集器，而基本不会穿过气隙，此时气隙的磁场较小。调制膜随振动结构以固定频率f上下振动，气隙中的磁场则被调制，调制频率为f[9]。

1.1 电/磁转换微机械结构模型

基于TMR电阻电/磁转换方法的微机械系统结构，如图4所示。

图4 电/磁转换微机械结构前视图和俯视图

如图4（a）所示，在硅基底上生长18μm厚的高导磁材料薄膜作为磁聚集器，两薄膜中气隙宽30μm。高导磁材料的磁力线聚集效果使得气隙中磁感应强度倍增。

图4（b）中的磁敏感单元为4个TMR电阻，并构成惠斯通电桥。其中，气隙中两个TMR电阻用于敏感外磁场，另外两个TMR电阻置于高导磁材料薄膜下，不敏感外磁场，起补偿的作用。

采用图4所示的C型结构相比常用的长条形结构，磁力线可以经C型臂更好地聚集而非发散，更高地聚集放大倍数。被测电流通过线圈在气隙处产生磁场，经磁聚集器后磁场进一步放大，垂动调制膜以固定频率f上下振动将气隙处低频磁场调制到高频处，最终利用MTJ惠斯通电桥对高频磁场进行测量，从而实现海洋电场的低噪声检测。

1.2 电/磁转换微机械结构的测量原理

磁场测量采用图5所示惠斯通电桥，电/磁转换微机械结构主要通过TMR电阻测量通电线圈产生的磁场。该TMR电阻的工作原理可简化如图6所示，Ui为线圈的输入电压，Uo为TMR电阻的输出电压，Ii为线圈的电流。Uo与Ii存在关系式：

图5 磁场测量桥式电路

图6 TMR电阻测量原理图

式中m为电/磁转换微机械结构的转移电阻，Ω。

图6所示原理图可看作输入电压为Ui，输出电压为Uo，源内阻为R，输入电阻为线圈电阻Ri的二端口网络，则有：

可知其放大倍数：

电/磁转换的方法通过测量在待测电流产生的外磁场影响下TMR电阻的变化，测得外磁场的强度，利用待测电流与外磁场之间的关系，实现电流测量。

在没有外磁场影响的情况下，R′=R，输出电压Uo=0V。当施加外磁场时，设TMR电阻的灵敏度为K（单位为 Ω/T），此时 R′=R+K·B，B 为磁感应强度，输出电压为

上式可以得到输出电压与磁场之间的关系，则通过测量输出电压可以得到外磁场。

设通电圆环导线中心产生磁场[10]为

式中：μ——磁导率；

b——圆环半径；

I——通电导线的电流。

联系式（4）和式（5），最终可以得到线圈电流与磁场测量桥式电路输出电压的关系，输出电压Vo可以看成是输入信号经过一个放大电路后所得到的信号。

1.3 电/磁转换微机械结构的噪声模型

通过上述分析，可以得到如图7所示的噪声模型，et为信号源内阻的热噪声；eni为电/磁转换微机械结构的等效输入噪声电压。

图7 电/磁转换微机械结构噪声模型

此时，电/磁转换微机械结构总等效输入噪声为

2 电/磁转换微机械结构模型的仿真分析

通过Comsol软件对电/磁转换微机械结构进行仿真计算，硅基底的相对磁导率定义为1，高导磁材料的相对磁导率定义为500，共绕制300匝线圈，线圈电流为1mA，惠斯通电桥电源电压为12V。沿图8中中心线（即图中虚线）测量磁通密度模强度，结果如图9所示。

图8 电/磁转换微机械结构结构俯视图

图9 沿中心线磁通密度模强度图

由图看出，在磁敏感单元中心两侧，磁通密度模强度基本对称，这是由结构的对称性决定的。在磁敏感单元中心处磁通密度模强度最大，约为2.9×10-3T。

所采用磁敏感单元对气隙处磁场的灵敏度为18mV/（V·mT）。该 TMR 电阻在 1Hz处的噪声水平为以垂动调制膜将频率调制到1 kHz处，此时的噪声水平只有实测的调制效率约为30%，因此转移电阻为

其中，磁敏感体测量的磁场B=2.9 mT，供电电压U=12V，磁敏感单元的灵敏度 S=18mV/（V·mT）。

通过仿真分析得到线圈内阻为Ri≈12 Ω，海洋电场测量电极的电阻一般为欧姆量级[12]，则可认为一对测量电极的内阻为电/磁转换微机械结构的电源电阻，约为10 Ω，所以电/磁转换微机械结构总的等效输入噪声：

通过电/磁转换微机械结构对信号进行放大，在1 Hz处噪声为由此可见，电/磁转换方法在对信号进行放大的过程中能有效降低电路噪声。

3 实验验证

在电/磁转换微机械结构中，高导磁材料的相对磁导率约为500，通过MEMS工艺手段设计微型结构，在硅基底上生长电/磁转换微机械结构。通过MEMS工艺手段直接生长在模块单元上，降低了绕线的难度，同时使线圈与磁性材料之间足够接近，加强聚集效果，其结构如图10所示。

为测得电/磁转换微机械结构的等效输入噪声，对该结构的电压放大倍数A与输出噪声eNo进行测量，则等效输入噪声eni=eNo/A。测量结果如下：

图10 线圈生长实物图

1）电压放大倍数A

①通过万用表直接测量输入电阻，测得输入电阻Ri=13 Ω，与理论值基本一致；②采用电流源作为输入信号，输入电流Ii=3 μA，同时测量输出电压为Uo=0.5mV，转移电阻m=Uo/Ii=167Ω。参考式（3）得到电压放大倍数A=12.8。

2）输出噪声eNo

对电/磁转换微机械结构的噪声性能进行测量并通过前文提到的噪声模型进行分析。为了尽量减小外界磁场的影响，在磁屏蔽室测量微机械结构的输出噪声（实验温度26℃，相对湿度45%RH）。在输入端短接的情况下，测得电/磁转换微机械结构的输出噪声密度谱，如图11所示。

图11 电/磁转换微机械结构的输出噪声密度谱

由图中可以看出，在1kHz处，电/磁转换微机械结构的输出噪声电压密度约为密度谱有些毛刺，是因为测试环境的屏蔽性能有限，不能完全屏蔽地磁场以及环境磁场噪声，环境磁场噪声会产生一定的输出噪声。

调制结构的谐振频率约为1kHz，此时磁敏感单元的噪声密度为因此可得到电/磁转换微机械结构总的等效输入噪声为eni=eNo/A≈而普通前置放大电路在1 Hz以下的噪声电压大于可见电/磁转换微机械结构能够有效抑制噪声。

4 结束语

1）本文通过理论分析，验证了电/磁转换方法的可行性，提供了一种微弱信号检测的新方法。

2）通过对电/磁转换微机械结构进行实验验证，在1Hz处噪声可以达到电路噪声得到了有效抑制。

3）通过对结构尺寸以及材料的选择，选用更高灵敏度的TMR，可以实现对该电/磁转换微机械结构的优化设计，为更低噪声测量提供了可靠的手段。

[1]尹路，李炎斌，马金钢.海洋观测技术现状综述[J].舰船电子工程，2013（233）：4-13.

[2]朴化荣.电磁测深法原理[M].北京：地质出版社，1990：1-42.

[3]冯可，夏善红，吕元生.电场传感器研究综述[C]∥中国电子学会电路与系统学会第二十三届年会.北京：中国电子学会，2011：231-236.

[4]陈聪，周骏，龚沈光.海水中电磁波传播特性的研究[J].海军工程大学学报，2004，16（2）：61-64.

[5]林春生，龚沈光.舰船物理场[M].北京：兵器工业出版社，2007：223-256.

[6]尹亚兰，武斌.低频低噪声放大器的屏蔽设计[J].电子工程师，2004，30（4）：41-43.

[7]刘勇，安志鸿.低频低噪声放大器设计[J].仪器仪表学报，2007，28（8）：316-319.

[8]翟宏如.自旋电子学[M].北京：科学出版社，2013：82-86.

[9]胡佳飞.基于GMR的高性能小型化磁传感器理论与技术研究[D].长沙：国防科技大学，2014.

[10]JIANG S.Electromagnetic wave propagation into fresh water[J].Journal of Electromagnetic Analysis and Applications，2011，3（7)：261-266.

[11]高晋占.微弱信号检测[M].北京：清华大学出版社，2004：40-60.

[12]卢克溱.Ag/AgCl全固态海洋电场传感器的研究[D].西安：西安电子科技大学，2011.

（编辑：李妮）

Marine electric field detection method based on electric/magnetic conversion

YU Yang，PAN Mengchun，CHEN Dixiang，PAN Long，HU Jinghua，HU Jiafei
（College of Mechatronics Engineering and Automation，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China）

Limited by 1/f noise，traditional electrical measurement has difficulties in achieving high-level low noise characterization as a result of signal aliasing with noise at low frequency.In this article，a new weak marine signal low noise detection technique based on electric/magnetic conversion method was proposed.Electric signal was converted into magnetic signal，and then modulated to high frequency through micromechanics，which could avoid the impact of low frequency 1/f noise.Structure based on electric/magnetic conversion was designed.TMR based Wheatstone bridge was used in magnetic signal measurement to realize marine signal’s high-level characterization.The results of simulation and experiment show that the low frequency noise of this module can reachat 1Hz respectively，which is better than normal lownoise pre-amplifier，illustrating the effectiveness of this magnetic measuring current model.

marine electric field； low noise； 1/f noise； electric/magnetic conversion； micromechanics modulation

A

1674-5124（2017）04-0125-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.04.026

2016-08-10；

2016-10-20

国家自然科学基金（51507178，U1430105，51175507）

于 洋（1991-），男，河北永清县人，硕士研究生，专业方向为海洋电场传感器设计与制备研究。