面向空間應(yīng)用的高精度磁阻磁強(qiáng)計(jì)設(shè)計(jì)及性能測(cè)試

葛麗麗，任瓊英，趙華,2

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面向空間應(yīng)用的高精度磁阻磁強(qiáng)計(jì)設(shè)計(jì)及性能測(cè)試

葛麗麗1，任瓊英1，趙華1,2

（1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；2. 三峽大學(xué)理學(xué)院，宜昌 443002）

文章基于磁阻磁強(qiáng)計(jì)的工作原理，提出了高精度磁阻磁強(qiáng)計(jì)三分量探頭和電子電路設(shè)計(jì)方案：改進(jìn)磁強(qiáng)計(jì)三分量探頭結(jié)構(gòu)，以消除三分量磁疇間的相互干擾所引起的測(cè)量誤差；采用交流耦合和閉環(huán)控制工作模式，以消除磁疇排列紊亂帶來(lái)的影響，穩(wěn)定磁強(qiáng)計(jì)的工作狀態(tài)。關(guān)鍵性能指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果表明，磁阻磁強(qiáng)計(jì)在1Hz點(diǎn)處的頻譜噪聲達(dá)到38 pT/，其噪聲性能顯著提高。另外，該磁阻磁強(qiáng)計(jì)采用微型化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，便于安裝，滿足微小衛(wèi)星的空間磁場(chǎng)探測(cè)的需求。

磁阻磁強(qiáng)計(jì)；探頭設(shè)計(jì)；電路設(shè)計(jì)；閉環(huán)測(cè)量；FPGA；A/D轉(zhuǎn)換

0 引言

用于空間磁場(chǎng)探測(cè)的磁強(qiáng)計(jì)主要有光泵磁強(qiáng)計(jì)、質(zhì)子旋進(jìn)磁強(qiáng)計(jì)、磁通門磁強(qiáng)計(jì)和磁阻磁強(qiáng)計(jì)[1-6]。其中，磁阻磁強(qiáng)計(jì)廣泛應(yīng)用于地磁探測(cè)、地磁導(dǎo)航、車輛檢測(cè)和井探等領(lǐng)域，而若用于空間磁場(chǎng)探測(cè)則需要更高的磁場(chǎng)測(cè)量精度。

磁阻磁強(qiáng)計(jì)因其結(jié)構(gòu)小巧而更適合微小衛(wèi)星的搭載。2012年，倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的布萊克特實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的磁阻磁強(qiáng)計(jì)搭載在質(zhì)量小于3kg的TRIO-CINEMA微小衛(wèi)星上[7]。但國(guó)內(nèi)到目前為止還沒(méi)有搭載磁阻磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行空間磁場(chǎng)探測(cè)的報(bào)道。

一般情況下，磁阻磁強(qiáng)計(jì)的設(shè)計(jì)大多采用開(kāi)環(huán)工作模式，而且沒(méi)有考慮外界強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)磁強(qiáng)計(jì)三分量探頭帶來(lái)的磁疇排列紊亂的影響[8-10]，這不利于其工作狀態(tài)的穩(wěn)定和測(cè)量精度的提高；對(duì)于構(gòu)建磁強(qiáng)計(jì)三分量探頭的3個(gè)磁阻型傳感器因近距離排列而引起磁疇之間的相互影響更是未被給予充分關(guān)注[11-12]。

本文提出高精度磁阻磁強(qiáng)計(jì)的三分量探頭及電路設(shè)計(jì)方案，包括：改進(jìn)磁強(qiáng)計(jì)三分量探頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以消除三分量磁疇間相互干擾所引起的測(cè)量誤差；利用激勵(lì)電路消除磁疇排列紊亂帶來(lái)的影響，并采用閉環(huán)工作模式，穩(wěn)定磁強(qiáng)計(jì)的工作狀態(tài)。最后對(duì)該磁阻磁強(qiáng)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。

1 磁阻磁強(qiáng)計(jì)設(shè)計(jì)

磁阻磁強(qiáng)計(jì)主要由磁強(qiáng)計(jì)三分量探頭和電子電路組成（如圖1所示）。

圖1 磁阻磁強(qiáng)計(jì)總體框圖

電子電路包含激勵(lì)電路、模擬信號(hào)處理電路以及數(shù)控電路。其中激勵(lì)電路的作用是持續(xù)置位/復(fù)位磁阻型傳感器的磁疇排列狀態(tài)；模擬信號(hào)處理電路對(duì)磁強(qiáng)計(jì)三分量探頭輸出的感應(yīng)電壓信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理；數(shù)控電路實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換以及磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的傳輸?shù)?。磁?qiáng)計(jì)三分量探頭和電子電路之間相互獨(dú)立，通過(guò)雙層屏蔽電纜實(shí)現(xiàn)通信連接。

1.1 磁強(qiáng)計(jì)三分量探頭

磁阻型傳感器的工作原理是利用各向異性磁電阻效應(yīng)，即：外界磁場(chǎng)的作用使磁性材料的磁化方向和電流方向的夾角發(fā)生改變，導(dǎo)致其電阻值以及兩端的輸出電壓發(fā)生變化。因此，通過(guò)測(cè)量電壓大小即可得到外界磁場(chǎng)的大小[13-14]。為了測(cè)量磁場(chǎng)矢量信號(hào)，設(shè)計(jì)了磁強(qiáng)計(jì)三分量探頭，它由3個(gè)磁阻型傳感器組成。磁強(qiáng)計(jì)三分量探頭的實(shí)際尺寸約為45mm×20mm×10mm，質(zhì)量小于20g。

為了提高磁阻磁強(qiáng)計(jì)的測(cè)量精度，對(duì)其三分量探頭作了兩項(xiàng)改進(jìn)：一是設(shè)計(jì)了可篩選出噪聲性能優(yōu)良的磁阻型傳感器的篩選器；二是進(jìn)行微型化設(shè)計(jì)，使3個(gè)軸向的磁阻型傳感器安裝位置盡量相互靠近。為了避免三分量探頭磁疇間相互干擾，特別設(shè)計(jì)了安裝骨架使它們的磁疇中心對(duì)齊。

1.2 激勵(lì)電路

由于磁阻型傳感器的磁疇排列極易受到外界強(qiáng)磁場(chǎng)的影響而導(dǎo)致排列紊亂，所以設(shè)計(jì)了激勵(lì)電路（如圖2所示），其作用是產(chǎn)生持續(xù)的置位/復(fù)位信號(hào)，使磁疇周期地處于整齊的正向/逆向排序，進(jìn)而使磁阻型傳感器工作在交流耦合的模式下，以消除外界強(qiáng)磁場(chǎng)引起的磁疇排列紊亂。激勵(lì)電路設(shè)計(jì)原理是：首先將電壓脈沖信號(hào)經(jīng)放大電路放大，再轉(zhuǎn)換為所需要的置位/復(fù)位脈沖信號(hào)；采用串聯(lián)模式使該信號(hào)依次流經(jīng)3個(gè)磁阻型傳感器的置位/復(fù)位電流帶（S/R strap），從而對(duì)3個(gè)磁阻型傳感器進(jìn)行激勵(lì)。串聯(lián)模式既簡(jiǎn)化了電路，又降低了功耗。

1.3 模擬信號(hào)處理電路

模擬信號(hào)處理電路邏輯框圖如圖3所示。在激勵(lì)電路的作用下，磁強(qiáng)計(jì)三分量探頭探測(cè)的分量輸出均為與激勵(lì)信號(hào)同頻的微弱交流信號(hào)，經(jīng)過(guò)前級(jí)放大和交流耦合后，通過(guò)相敏解調(diào)電路將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)并進(jìn)行積分運(yùn)算；并采用閉環(huán)控制的工作模式，將積分輸出的電壓信號(hào)通過(guò)U/I轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)反饋到磁強(qiáng)計(jì)三分量探頭端的offset電流帶組成反饋環(huán)路；積分電路的電壓信號(hào)通過(guò)低通濾波后輸出。模擬電路的設(shè)計(jì)作用在于：采用交流耦合和閉環(huán)控制工作模式，提高磁強(qiáng)計(jì)的靈敏度和分辨率，穩(wěn)定磁強(qiáng)計(jì)工作狀態(tài)。

1.4 數(shù)控電路

數(shù)控電路通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)ADC和RS422的控制。如圖4所示，模擬信號(hào)輸入到ADC并由ADC完成A/D轉(zhuǎn)換，一并與串行輸出數(shù)據(jù)輸出給FPGA；FPGA作為系統(tǒng)的核心控制模塊，實(shí)現(xiàn)ADC寄存器配置、串行數(shù)據(jù)接收、串/并轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、RS422串口通信等控制；而RS422完成串口通信，輸出數(shù)字信號(hào)。

圖2 激勵(lì)電路

圖3 三分量磁阻磁強(qiáng)計(jì)模擬信號(hào)處理電路框圖

圖4 數(shù)控電路設(shè)計(jì)框圖

2 配套測(cè)試軟件

配套測(cè)試軟件的功能主要有：1）以數(shù)字形式實(shí)時(shí)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)；2）以“.txt”格式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；3）實(shí)時(shí)繪制數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)曲線。軟件的界面如圖5所示。

圖5 測(cè)試軟件界面

3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了進(jìn)行性能測(cè)試分析，對(duì)研制的磁阻磁強(qiáng)計(jì)樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

3.1 線性度測(cè)試

線性度是指輸入輸出曲線與理想直線的偏離程度[15]。圖6(a)中“×”所表示的數(shù)據(jù)點(diǎn)為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，藍(lán)色直線為數(shù)據(jù)擬合結(jié)果。計(jì)算線性誤差如圖6(b)所示，由圖可知，線性度誤差小于0.012%（量程為±65000nT）。

(a) 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

(b) 線性誤差

圖6 線性度測(cè)試結(jié)果及誤差分析

Fig. 6 Linearity test results and error analysis

3.2 頻率響應(yīng)測(cè)試

磁強(qiáng)計(jì)主要用于測(cè)量磁場(chǎng)的直流量和低頻交流量，因此它的頻率響應(yīng)特性也需要測(cè)試分析。計(jì)算頻率響應(yīng)帶寬時(shí)通常以信號(hào)衰減到-3dB的頻率作為信號(hào)響應(yīng)頻率范圍的邊界[15-16]。圖7為測(cè)試的頻率響應(yīng)曲線?？梢钥闯?3dB時(shí)的頻率大致為12Hz，因此該磁阻磁強(qiáng)計(jì)的頻率響應(yīng)帶寬為0～12Hz。

圖7 頻率響應(yīng)測(cè)試曲線

3.3 噪聲測(cè)試

噪聲水平是磁強(qiáng)計(jì)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。1Hz處頻譜噪聲表明，信號(hào)在1Hz處的頻譜密度與采樣寬度和采樣時(shí)間都無(wú)關(guān)，故可用于不同磁強(qiáng)計(jì)的比較[15]。利用Welch法對(duì)所研制的磁阻磁強(qiáng)計(jì)的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行譜估計(jì)分析，將頻譜分析的結(jié)果歸一化處理，得到噪聲的頻譜分布如圖8(a)所示，并計(jì)算出1Hz處頻譜噪聲為38pT/。圖8(b)[7]中的黑色曲線為搭載在TRIO-CINEMA小衛(wèi)星上的磁阻磁強(qiáng)計(jì)的頻譜曲線，可看出其1Hz處頻譜噪聲為90pT/。對(duì)比圖8(a)和(b)紅色和黑色2條曲線可知，與TRIO-CINEMA上搭載的磁阻磁強(qiáng)計(jì)相比，本文設(shè)計(jì)的磁阻磁強(qiáng)計(jì)的頻譜噪聲性能更優(yōu)。

(a) 本文設(shè)計(jì)的磁阻磁強(qiáng)計(jì)

(b) TRIO-CINEMA上搭載的磁阻磁強(qiáng)計(jì)

圖8 磁阻磁強(qiáng)計(jì)的噪聲功率譜密度對(duì)比

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

3.4 測(cè)試結(jié)果

本文設(shè)計(jì)研制的磁阻磁強(qiáng)計(jì)的實(shí)際測(cè)試性能參數(shù)見(jiàn)表1。可見(jiàn)，該磁阻磁強(qiáng)計(jì)噪聲性能優(yōu)良，測(cè)量精度高。

表1 磁阻磁強(qiáng)計(jì)實(shí)際性能參數(shù)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了磁阻磁強(qiáng)計(jì)的設(shè)計(jì)和原理樣機(jī)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果表明，該磁阻磁強(qiáng)計(jì)在1Hz點(diǎn)處噪聲值優(yōu)于TRIO-CINEMA上搭載的磁阻磁強(qiáng)計(jì)的值。另外，本文的磁阻磁強(qiáng)計(jì)三分量探頭采用微型化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，更便于安裝，特別是當(dāng)采用多個(gè)磁強(qiáng)計(jì)三分量探頭進(jìn)行梯度測(cè)量時(shí)，可以節(jié)省空間和重量，因此非常適合空間磁場(chǎng)探測(cè)尤其是微小衛(wèi)星磁場(chǎng)探測(cè)的需求。

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（編輯：許京媛）

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

葛麗麗（1982—），女，碩士學(xué)位，主要從事磁場(chǎng)探測(cè)儀器的設(shè)計(jì)與研制。E-mail: gelili_01@163.com。

http://www.bisee.ac.cn

E-mail: htqhjgc@126.com

Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544