端式磁通门传感器量程扩展的研究与验证

高呈学 顾建松 宗发保 赵瑜

（第七一五研究所，杭州，310023）

端式磁通门传感器量程扩展的研究与验证

高呈学 顾建松 宗发保 赵瑜

（第七一五研究所，杭州，310023）

对三端式磁通门传感器的原理及量程扩展理论研究后，改变硬件电路反馈环节，将传感器扩展至某计算高点，最后实验得到45 mm三端式磁通门传感器量程扩展的上限，给出了其磁场测量饱和点，并针对磁通门式传感器的量程进一步扩展提出改进方法。

三端式磁通门；传感器；量程扩展

磁通门传感器是一种测量地磁场的仪器，它可直接进行分量测量、分辨率适中、性能稳定、对工作环境要求低。磁通门探头基于法拉第电磁感应定律和高磁导率材料的磁饱和特性，由磁芯、激励线圈、感应线圈及外壳等构成。磁芯必须采用高磁导率低矫顽力材料（如坡莫合金）制作。通过激励线圈对磁芯施加某特定频率的交变磁场，在交变磁场和外界稳恒磁场的共同作用下，感应线圈的输出电动势中含有幅值与外界磁场成正比的二次谐波，通过对该二次谐波的测量来完成对外界磁场的测量。

1 三分量磁传感器单节点理论模型

将激励线圈和感应线圈缠绕在同一根铁芯上，该铁芯由高磁导率、低矫顽力的软磁材料制成，设它的横截面面积为S，磁导率为μ，载流激励线圈在铁芯上产生的激励磁场强度为H，感应线圈的有效匝数为W2。根据法拉第电磁感应定律，感应线圈上应产生的感应电势为

当S和W2不变，磁导率μ在确定铁芯的材料后也等于一定值，因此铁芯远离其饱和工作状态时的感应电势e只由激励磁场强度H决定。如果激励磁场强度为

式中，Hm是激励磁场强度幅值；f1为激励电源频率。将式（2）代入（1）中，可得

由于铁心的磁化曲线具有非线性，如果激励磁场的瞬时值变化，磁导率μ也随之产生变化。因此，在实际情况中其数学模型就变为

式中μ0m是的常值分量；μ2m、μ4m、μ6m…是各偶次谐波分量的幅值。把式（5）代入到式（4）中，有

假设此时环境磁场实际施加在铁芯轴向上的磁场强度分量为H0，式（4）变为

当H0远小于铁芯的饱和磁场强度Hs和激励磁场强度幅值Hm时，H0对铁芯磁导率所产生的影响非常微弱，可以忽略不计。式（7）的最后一项是H0所引起的感应电势e的增量，设为，将式（5）代入则有

式（8）说明，只要铁芯的磁导率μ随激励磁场强度而产生变化，感应电势中就会出现随被测环境磁场强度而变化的偶次谐波增量。当铁芯处于周期性过饱和工作状态时，会大幅度增加，提取二次谐波的幅值即可推算出环境磁场。

2 量程扩展制约因素分析及磁通门磁力仪设计

由式（8）可得磁通门信号各偶次谐波分量的梯度为常系数的结论，这在实际测量值H′0≪Hm＜Hs的条件下成立。当H′0较大时，探头有用信号具有非线性特性，当H′0接近Hs时，梯度将显著下降，特别H′0＞ Hm+ Hs时，磁通门信号几乎消失，所以磁通门磁力仪的测量范围和测量上限受铁心饱和磁场强度Hs制约。除此之外，实际磁通门探头的测量上限还受到其他理论因素制约，主要是被测磁场很强时，垂直于探头轴向的分量将使铁心达到横向饱和，铁心磁性能异化而破坏探头输出特性。所以，尽可能扩展45 mm三端式磁通门磁力仪的量程并最终锁定其最大测量上限，在实际弱磁测量中将具有很强的指导作用。

单通道模拟处理电路由脉冲发生器、探头驱动、前置放大、带通滤波、相敏检波、积分器、反馈环节等构成，输出一个与外界磁场成正比的直流电压，单通道的模拟处理电路结构框图如图 1所示。

图中，脉冲发生器产生探头所需的激励和相敏检波所需的参考信号，功率驱动将激励信号进行功率放大后驱动探头，前置放大对探头的输出信号进行放大，带通滤波将二次谐波选出并再次放大，相敏检波以二倍激励频率的参考信号完成对二次谐波的提取，低通滤波把相敏检波的输出信号进行平滑后送入积分器，反馈环节将输出传至探头，使探头的磁芯始终工作在零磁场附近。当电路稳定后，积分器输出的电压便与外界磁场成正比，通过测量该电压便可计算出外界磁场。

3 磁通门传感器量程扩展原理及过程

参考传感器单通道信号调理电路结构框图（图1），在调理电路中设计反馈环路的目的是保证磁通门内部始终工作在零和磁场的情况下，从零点开始测量磁场，及时反映外部磁场的变化。进行传感器量程扩展就是加大反馈环节的能力，使反馈环路产生足够大电流，以抵消传感器内部磁场，进而实现外部磁场测量。根据磁通门技术原理，在磁场负反馈系统中，其反馈系数F公式如下：

式中Wf为反馈线圈的匝数；lf是等效铁芯长度；Rx表示反馈电阻；Rf为反馈线圈电阻。

在传感器探头设计固定的情况下，探头物理特性决定了反馈线圈的匝数。等效铁芯长度、反馈线圈、反馈电阻三个参数均固定不变，若试图加强传感器反馈能力（即扩展传感器量程），只能减小反馈电阻，由于电源电压恒定，减小反馈电阻便可增大反馈电流，可产生足够大的抵消磁场，实现其量程扩展。

将单分量磁通门传感器探头东西向放置在亥姆赫兹线圈的中心位置，通过水平仪来调整并固定，由缆线将采集到的信号传输到调理电路和数据处理系统，显控台实时显示数据，原始数据在后台同步记录，组成框图如2所示。

图2 磁通门磁力仪磁测系统结构框图

通过减小反馈环节的反馈电阻来扩展磁通门磁力仪的量程。在供电电压确定为±9 V的前提下，量程范围随着外界磁场的变化，输出电压在-8.8～+8.8 V之间线性变化。杭州地磁场水平分量最大约为36 000 nT，根据电压输出和磁场的线性关系，应通过调节反馈电阻将磁力仪在水平分量处最大输出设置为0.36 V，显控台处设置系数使之仍显示36 000 nT，至此便将其磁通门磁力仪的量程从理论上扩展到±880 000 nT，显控台实时显示数值。

4 传感器技术指标测试结果

4.1 扩展前后传感器极限量程对比

一台最大输出10 A电流的恒流源向138.2 nT/mA亥姆赫兹线圈供电，通过改变供电电流来改变亥姆赫兹线圈中心磁场的大小，整理数据绘制磁力仪输出和电流之间的关系便可发现：在±400 000 nT这个区间磁通门磁力仪具有比较好的线性度，但超过400 000 nT之后便出现饱和；随着外界磁场的变大，其输出不再同步线性增大而是保持稳定，测试结果如图3所示，扩展前传感器的极限量程测试如图4。

图3 量程测试

图4 扩展前极限量程

4.2 量程扩展后传感器幅频特性测试

在亥姆赫兹线圈加载一个大小恒定为10 V、频率从1～400 Hz变化的正弦信号，记录不同频率的信号输出的幅度。整理数据绘制出如图5所示的幅频特性曲线。黑线代表-3 dB衰减线，可见量程扩展后的磁通门磁力仪在1～400 Hz数据衰减均小于-3 dB，通带可达400 Hz。图5中纵坐标为磁场值，单位为nT，横坐标为施加信号频率。

图5 幅频特性曲线

4.3 量程扩展后传感器阶跃响应测试

加载脉冲信号测试三分量的阶跃响应，某一轴向输出峰峰值为7 140 nT，将时间轴放大，输出一个类似电容充电的波形，数据表明0.05 s即可上升至正常输出，性能良好，测试结果如图6所示。

图6 阶跃响应测试

4.4 外场测试试验

图7为在外场的一次实际测试，目标外部加载一个逐步衰减的磁场，实际测得最大是390 000 nT，随后检测到一个磁场逐步衰减过程，能够比较准确的反映外部磁场的变化，具有实时测量大范围（约地磁场的10倍）磁场的功能。其中纵坐标为磁场值，单位为nT，横坐标为采样点数，图8为测试时采用的亥姆赫兹线圈。

图7 外场测试试验

图8 亥姆赫兹线圈

5 结束语

由于三端式磁通门磁力仪探头本质上激励线圈、感应线圈、反馈线圈是共用的，且匝数较少，随着被测磁场的增大，反馈磁场Hf不能完全抵消传感器对外界磁场聚磁后的磁场H0，所以此三端式磁通门磁力仪具有测量上限。通过具体试验测得45 mm三端式磁通门磁力仪的最大量程为±400 000nT，超出这个数值就会造成饱和，量程扩展后的磁力仪各性能指标出现一定程度的下降，但在一些对精度要求不高的测试场合仍具有比较大的应用价值。在这个基础上如果想进一步扩展磁通门磁力仪的量程就需要更改探头和提高电源电压。由于三端式磁通门探头的先天缺陷，测量更大范围磁场已不适宜，此时应更改探头为激励线圈、感应线圈、反馈线圈分开绕线，通过增加反馈线圈的匝数，来提高反馈磁场的大小，使其能够抵消外界磁场，即令Hf=H0，提高电源电压至±15 V供电，电压的增大可使反馈线圈产生更大的电流，进而提高其反馈磁场的大小。

［1］毛振珑，杨成林，何有余.磁场测量［M］.北京：原子能出版社，1985.

［2］张学孚，陆怡良.磁通门技术［M］.北京：国防工业出版社，1995.

［3］尹春晓.磁通门传感器及其模拟处理电路的研究［D］.长春：吉林大学，2010.

［4］徐斌，顾伟，张松勇.基于三分量磁通门的消磁装置定向仪研制［J］.科技创新导报，2010，3: 10-13.

［5］胡星星，滕云田，谢凡，等.磁通门磁力仪背景磁场的自动补偿设计［J］.仪器仪表学报，2010，1:9-12.

［6］罗涛，刘大明，殷莎.磁通门信号处理电路的数字化设计［J］.海军工程大学学报，2010，（2）:17-21.

［7］董俅.方波激励磁通门接口 ASIC 设计［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.

［8］焦雄峰.三轴磁通门传感器及其在姿态测试中的应用研究［D］.太原: 华北工学院，2001.

［9］沈建华，杨艳琴，翟骁曙.MSP430 系列 16 位超低功耗单片机原理与应用［M］.北京: 清华大学出版社，2004.

［10］魏小龙.MSP430 系列单片机接口技术及系统设计实例［M］.北京: 北京航天航空大学出版社，2002.

［11］CHOI SEONG-HWAN，KIM YOUNG-HAK，YOON BYUNGWOO.Orthogonal fluxgate sensor fabricated with a co-based amorphous wire embedded onto surface of alumina substrate［C］.Conference on International Magnetics， OCT ，2011.

［12］BRETH L，DIMOPOULOS T，SCHOTTER J.Fluxgate principle applied to a magnetic tunnel junction for weak magnetic field sensing［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2011，2:16-18.

［13］MICHAL JANOŠEK，PAVEL RIPKA.PCB FLUXGATE GRADIOMETER MEASURING dBx/dy［C］.Journal of Electricsal Engineering［J］.2010，2:13-15.