一種正弦波磁通門傳感器激磁系統(tǒng)的設計*

王向鑫，姜文娟，于　洋，趙文杰，施云波

一種正弦波磁通門傳感器激磁系統(tǒng)的設計*

王向鑫，姜文娟，于洋，趙文杰，施云波*

（哈爾濱理工大學測控技術與通信工程學院，測控技術與儀器黑龍江省高校重點實驗室，哈爾濱150080）

針對方波激勵磁通門易出現(xiàn)諧波干擾問題，提出一種采用正弦波激勵磁通門的激磁系統(tǒng)。給出了總體設計方案，設計了信號發(fā)生器，信號調理電路和功率放大電路，并給出了激磁信號波形、頻率和電流等關鍵參數(shù)的設計性能指標。搭建了系統(tǒng)測試平臺，分析了在不同激磁波形下磁通門傳感器的輸出波形變化，實驗結果表明：應用本系統(tǒng)能夠得出正弦激勵下磁通門最佳靈敏度的激磁工作頻率為16 kHz，在此激勵作用下，測試平臺測得磁通門傳感器的靈敏度是110 V/T。

磁通門；激磁系統(tǒng)；正弦激磁信號；激磁頻率

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

磁通門傳感器廣泛用于地磁測量、地質勘探、空間探測、衛(wèi)星姿控和磁性導航等弱磁場探測的各領域［1-3］。磁通門現(xiàn)象是一種普遍存在的電磁感應現(xiàn)象，磁通門傳感器是一種稍加改造的變壓器式器件［4］，在激磁信號的作用下，將環(huán)境磁場調制成偶次諧波的感應電動勢，其中，激磁信號的電流、頻率和波形等參數(shù)是直接影響傳感器的性能指標關鍵因素［5］。

激磁電路參數(shù)的設計是提高磁通門性能的關鍵環(huán)節(jié)，一般地都采用方波激勵，雖然在信號的頻率精度及頻率穩(wěn)定度方面取得顯著地進步［6-7］。但是，以方波信號作為激磁信號，很難保證波形的穩(wěn)定度，因為作為負載的激磁線圈具有等效電感和電容的作用，導致磁通門波形易發(fā)生畸變而導致靈敏度變化。因此，有人提出了一種低剩磁誤差的磁通門激勵電路，設計了一種全新的激勵電流波形，降低了磁通門的功耗［8］。如果激磁信號是非正弦信號，信號中就會存在偶次諧波成分，偶次諧波成分會給磁通門帶來系統(tǒng)噪聲［9］。所以，采用正弦信號作為激磁信號，具有較強的抗畸變能力，且不含偶次諧波成分，對提高磁通門靈敏度的激磁電路設計具有重要意義。

本文設計了正弦波激勵磁通門激磁系統(tǒng)，實現(xiàn)了輸出正弦波信號作為激磁信號，且激磁信號的電流和頻率可調。系統(tǒng)主要性能指標如下：激勵信號類型：正弦波/方波，激勵信號帶寬：1 kHz～4 MHz，激勵信號輸出電流：0～3 A。本文應用此系統(tǒng)匹配出了磁通門傳感器的最佳激磁頻率。

1　系統(tǒng)總體設計

1.1激磁系統(tǒng)設計

基于正弦信號的激磁系統(tǒng)設計，系統(tǒng)硬件電路框圖如圖1所示。整個系統(tǒng)分為兩大模塊：激磁信號模塊和參考信號模塊，系統(tǒng)采用直接數(shù)字頻率合成技術（DDS）產(chǎn)生原始正弦信號，兩大模塊由微控制單元（MCU）進行控制。其中，激磁模塊包括信號發(fā)生器、低通濾波器、信號調理電路和功率放大電路。信號發(fā)生器的核心器件是直接數(shù)字頻率合成器。由于信號發(fā)生器的輸出信號含有直流分量和大量高次諧波成分，信號發(fā)生器輸出的原始信號經(jīng)低通濾波器后，可將原始信號的高次諧波成分濾掉，信號調理電路先把原始信號的直流分量濾掉，再將信號進行交流電壓放大，放大后的信號輸入給晶體管功率放大電路，實現(xiàn)電壓信號與電流信號的轉換。最后將功率放大器輸出的激磁電流信號施加在激磁線圈上。

圖1　R系統(tǒng)總體設計框圖

系統(tǒng)的方波是由直接數(shù)字頻率合成器產(chǎn)生的正弦信號經(jīng)過芯片內(nèi)部的高速精密比較器產(chǎn)生的，原始的方波信號進入低通濾波器后，濾除高次諧波成分，但是濾波器會造成波形失真，所以后端進入施密特觸發(fā)器對方波信號進行整形。經(jīng)過整形后的方波輸入給信號調理電路、功率放大電路，其處理方法與正弦波信號相同，此處不再贅述。

參考信號模塊輸出信號頻率為激磁信號頻率的偶數(shù)倍。其電路結構與激磁信號模塊大致相同，不同之處是不對信號進行功率放大，為了提高兩個模塊輸出信號的相位穩(wěn)定度，兩個模塊采用同一基準源。

1.2磁通門傳感器設計

設計了一款磁通門傳感器，用于測試本文設計的激磁系統(tǒng)。一種“日”字環(huán)形磁通門傳感器，傳感器的整體結構如圖2所示。包括：激勵線圈、感應線圈、磁芯、聚酰亞胺保護膜，其中在磁芯的兩條邊分別繞制兩組相互獨立的三維螺線管激勵線圈，在“日”字形磁芯橫梁上繞制一組三維螺線管感應線圈。磁芯材料為坡莫合金，固有工作頻率一般在1 kHz～50 kHz之間。

圖2　R傳感器結構示意圖

根據(jù)磁通連續(xù)性原理［10］，在b點處有：

可見，在理想情況下，感應線圈內(nèi)的磁通Ф3（t）是兩組激勵線圈產(chǎn)生的磁通Ф1（t）、Ф2（t）疊加之和，所以感應線圈產(chǎn)生的感應電動勢為：

這里假設μ、S、H都是時間t的函數(shù)，其中μ（t）為磁芯磁導率，S（t）為磁芯橫截面積，H（t）為感應線圈軸向磁場強度，實際工作中的感應線圈的磁場強度Hreal為激勵線圈在鐵心中產(chǎn)生的磁場與外界磁場矢量之和，

對2式求導并展開：

其中：μ（t）是偶函數(shù)［11］，將μ（t）展開為傅里葉級數(shù)，可得：

所以

將（6）式帶入（4）式并整理得：

可以得到：

只含有奇次諧波分量。將εext（t）展開：

可見環(huán)境磁場產(chǎn)生的感應電動勢εext（t）只含有偶次諧波，由上述數(shù)學模型可知，磁通門是通過鐵芯將環(huán)境磁場調制為交流激勵電流的偶次諧波感應電動勢，實現(xiàn)對環(huán)境磁場的測量。事實上，單棒型磁通門傳感器的輸出與式（7）相同，本傳感器原理上仍是單棒型，與單棒型結構相比，該結構磁芯閉合，能夠減小漏磁；與雙棒型或者環(huán)形結構相比［12-13］，該傳感器并沒有抵消奇次諧波，此結構變壓器效應明顯，容易受到激磁信號的干擾，所以采用不含偶次諧波成分的正弦波作為激磁信號更適合本傳感器。該傳感器的結構有利于增加激磁線圈匝數(shù)，所以能夠承受較大激磁電流，較大電流能夠使磁芯S飽和，若激磁電流與傳感器能夠合理匹配，可以收到S＞S1+S2的效果，即增大了磁芯的橫截面積S，由式（11）可知，可以提高磁通門信號幅值。

2　信號發(fā)生與調理電路設計

2.1信號發(fā)生器電路

系統(tǒng)的信號發(fā)生器電路的主要連接方式如圖3所示，本系統(tǒng)選用的直接數(shù)字頻率合成器為ADI公司生產(chǎn)的AD9850BRSZ芯片，信號發(fā)生器采用兩片AD9850并聯(lián)工作模式，其輸出頻率用一款AT89S52型單片機進行控制。系統(tǒng)采用一個10 MHz有源晶振為兩片AD9850芯片提供基準源CLKIN，為了獲得最佳的激磁效果，系統(tǒng)設計了剪切頻率為4 MHz的低通濾波器，U（t）經(jīng)過低通濾波器后能夠將高次諧波分量濾掉。

圖3　R信號發(fā)生器電路

2.2信號調理電路

信號調理電路主要有兩個作用：一是將激勵信號中的直流分量濾掉，因為直流成分會帶來系統(tǒng)誤差，會使傳感器的工作溫度升高，溫度的升高會嚴重影響傳感器的線性度；二是對正弦信號進行交流電壓放大，因為經(jīng)過濾波器后的信號是峰-峰值約為1 V的正弦/方波信號，放大后的信號進入功率放大電路，通過改變交流電壓的放大倍數(shù)來控制功率放大電路輸出電流大小，系統(tǒng)的信號調理電路原理圖如圖4所示。

圖4　R信號調理電路

電路在工作過程中，通過調節(jié)Ui的大小來消除電路中的直流成分；通過調節(jié)RF/R31的比值來改變輸出正弦信號Uz（t）的幅值。本信號調理電路中帶有負反饋，輸出信號波形不易發(fā)生畸變。

針對不同結構、尺寸的磁通門傳感器，一般其輸入激勵信號的最佳電流不同［14］。本文采用晶體管放大電路對信號調理電路輸出的信號電流進行放大，信號調理電路輸出的正弦信號Uin（t）接入晶體管電路的基極，用于控制發(fā)射極輸出的電流大小，發(fā)射極輸出的交流電流信號Uout（t）直接施加在磁通門激勵線圈，為磁通門提供激勵源。其原理圖如圖4所示，晶體管Q1選用NPN型三極管，型號為2SD1762，集電極允許輸出最大持續(xù)電流（Collector current）為3A；晶體管Q2為Q1的對管，型號為2SB1185，技術指標與Q1相同。所以系統(tǒng)的輸出電流上限設定為3A。系統(tǒng)在輸出回路添加了兩個限流電阻R47、R48，用來保護功率放大電路和磁通門傳感器。

3　軟件程序設計

本文采用AT89S52單片機控制兩片AD9850芯片，單片機與AD9850采用串行接口工作方式，單片機將40位控制字寫入AD9850芯片內(nèi)，其中這40位控制字包含32位頻率控制字、5位相位控制字、1位電源控制字，2位工作方式選擇控制位，本文不涉及相位控制，頻率控制可通過（12）式計算得到：

其中fOUT為輸出頻率值，fr參考時鐘頻率，W為十進制頻率控制字。參考時鐘頻率fr=10 MHz，則芯片輸出的頻率分辨率為fr/232=0.002 8 Hz，考慮到本信號發(fā)生器的實際用途，系統(tǒng)的輸出帶寬設定為1 kHz～4 MHz。

當W-CLK上升沿到來時，從最低有效位開始，元件D7上的數(shù)據(jù)逐位地以串行方式移入寄存器，F(xiàn)Q-UD端上升沿到來時，把40位控制輸入頻率/相位控制寄存器，繼而更新芯片的輸出頻率，本文用單片機先向AD9850-1寫入一倍頻控制字，再向AD9850-2寫入二倍頻控制字，然后單片機進入休眠狀態(tài)，其程序流程圖如圖5所示。

圖5　R系統(tǒng)程序流程圖

4　實驗與結果分析

4.1測試平臺搭建與激磁波形分析

本文搭建了激磁系統(tǒng)測試平臺，測試平臺功能框圖如圖6所示，前置差分電路用于對感應線圈輸出信號進行差分放大，圖6中用到的鎖相放大器模塊直接輸出二次諧波信號幅值，用萬用表直接讀取。磁屏蔽筒用于屏蔽外界磁場，精密電流源用于給磁屏蔽筒中的螺線管施加電流，使磁螺線管內(nèi)能夠產(chǎn)生均勻磁場，高斯計用于測量螺線管內(nèi)產(chǎn)生的磁場強度。

圖6　R激磁系統(tǒng)測試框圖

將激磁系統(tǒng)切換到正弦波輸出模式，控制激磁系統(tǒng)輸出激磁電流大小恒定不變，用示波器觀察前置差分電路輸出波形（圖6中P點輸出波形），即傳感器感應線圈輸出波形，得到的波形圖如圖7（a）所示；將激磁系統(tǒng)切換到方波輸出模式，用同樣方法可以得到如圖7（b）所示波形。其中7（a）電壓峰-峰值為1.94 V，其中7（b）電壓峰-峰值為1.55 V，對比這兩種模式下的傳感器輸出波形，正弦激勵輸出幅值較大，所以靈敏度也較高，且輸出波形較為理想，易于鎖相放大器處理。

圖7　R感應線圈輸出波形圖

事實上，若以方波作為激磁信號，即使純粹的方波發(fā)生的任何畸變都會產(chǎn)生諧波，而且大多都是復合諧波，帶有諧波干擾的激磁信號會直接耦合到感應線圈中，引入了系統(tǒng)噪聲，即使用鎖相放大器也很難抑制來自激磁信號的偶次諧波干擾；若以正弦信號作為激磁信號波形則會避免上述問題，因為正弦信號中不含偶次諧波成分，由于本文的傳感器結構限制，激磁信號產(chǎn)生的激磁電壓會直接耦合到感應線圈上，所以只能采用正弦波作為激磁信號波形。

4.2激磁頻率與傳感器匹配分析

激磁頻率與傳感器相匹配，可以使傳感器工作在最佳狀態(tài)，具體測試方法如圖6所示，測試平臺中，調整電流源的輸出，使螺線管均勻磁場區(qū)域的磁場強度恒定不變。將磁通門傳感器置于磁屏蔽筒中，通過PC機向激磁系統(tǒng)下達頻率控制文件，首先以10 kHz為步長，在1 kHz～100 kHz頻寬內(nèi)進行測試，通過萬用表察鎖相放大器電壓輸出大小，發(fā)現(xiàn)傳感器最佳激磁頻率出現(xiàn)10 kHz～30 kHz之間，再以1 kHz為步長，在10 kHz～30 kHz范圍內(nèi)對傳感器進行測試，測試數(shù)據(jù)見表1。

表1　R激磁頻率測試數(shù)據(jù)表

將表1中的數(shù)據(jù)進行擬合，得到激磁信號頻率與傳感器輸出二次諧波電壓之間的關系曲線，其幅值-頻率特性曲線如圖8所示，為了與方波激勵進行對比，圖8還給出了方波激勵的測試數(shù)據(jù)。

圖8　R幅值-頻率特性曲線

通過圖8不難發(fā)現(xiàn)，正弦激勵曲線存在峰值，在峰值附近二次諧波幅值最大，所以將峰值處對應的頻率作為激磁頻率，磁通門的靈敏度最高。而以方波作為激勵，二次諧波幅值隨著頻率的增大單調上升，但幅值小于正弦波曲線峰值處的值。所以此磁通門傳感器的最佳激磁信號為正弦信號，最佳工作頻率在15 kHz～17 kHz之間。本文將系統(tǒng)最佳激勵定義在16 kHz處。

通過調整測試平臺的電流源控制螺線管內(nèi)電流大小，使其產(chǎn)生對應的磁場，用高斯計標定所施加磁場強度大小，用萬用表的輸出即為對應傳感器的輸出，測試數(shù)據(jù)如表2所示，對測得數(shù)據(jù)進行處理發(fā)現(xiàn)，該傳感器的靈敏度還受到測試平臺的檢測電路限制，并非磁通門探頭的真實性能，在激磁頻率為16 kHz、激磁電流200 mA的條件下，測試平臺測得磁通門傳感器的靈敏度是110 V/T。

表2　R傳感器測試數(shù)據(jù)表

5　結論

實現(xiàn)了磁通門基于正弦信號的激磁系統(tǒng)設計，采用正弦波作為激磁信號波形的設計，可抑制激磁電壓對傳感器輸出的干擾，而且檢測信號易于解調，有利于提高傳感器靈敏度。實驗結果表明：本文設計的磁通門傳感器工作在最佳狀態(tài)下的工作頻率為16 kHz，研究激磁信號與磁通門傳感器的匹配關系，對提高磁通門傳感器性能具有重要意義。

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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

王向鑫（1988-），男，吉林松原人，哈爾濱理工大學碩士研究生，專業(yè)為儀器科學與技術，主要研究方向為MEMS磁通門傳感器及微弱信號檢測技術；

施云波（1966-），通訊作者，現(xiàn)為哈爾濱理工大學教授、博士生導師，主要研究方向為MEMS傳感器及微系統(tǒng)、測試和系統(tǒng)集成技術，，shiyunbo@126.com。

TP212

A

1004-1699（2015）12-1887-06

項目來源：黑龍江省自然基金重點項目（ZD201217）；黑龍江省自然科學青年基金項目（QC2013C059）；黑龍江省教育廳科技項目（12541141）

2015-07-25修改日期：2015-09-21