基于非晶絲巨磁阻抗效應的微磁場探測系統

胡含凱，曹 霧

（西安機電信息技術研究所 陜西 西安 710065）

近炸引信系統大都是借助于探測器獲取目標信息，從而實現對目標的探測、識別、定位和毀傷。探測器因探測機理的不同形成了不同的探測體制，常用的探測器有無線電、激光、紅外、磁、聲等多種類型，其中磁探測由于可抵抗電子干擾且對鐵磁目標具有天然的探測優勢而被廣泛應用。目前，大多數磁傳感器的探測機理多是以磁膜探測、霍爾效應、巨磁阻抗（CMI）效應以及金屬渦流效應等為主[1]。發展和應用得比較成熟的如磁通門、霍爾元件和磁阻元件都不能完全滿足引信小型化、高靈敏度和低功耗的要求。盡管巨磁阻抗效應可以使磁靈敏度提高10倍左右，但必須在較高外磁場（1 MA/m）下才具有巨磁阻抗（GMI）效應，并且存在磁滯和溫度不穩定性等問題[2]。針對磁探測引信系統中體積小、靈敏度高和功耗低的要求，提出了基于非晶絲巨磁阻抗效應的微磁場探測系統。

1 非晶絲的巨磁阻抗效應

提高了非晶絲的微磁探測靈敏度[3]。為改善傳統磁探測系統的固有缺陷，這種新型材料可以在磁探測體制中進行應用。

非晶絲的巨磁阻抗（GMI）效應是由日本學者Mohri九十年代初在具有零或負磁致伸縮系數的Co（鈷）基非晶軟磁材料中發現的[4]，目前對它的研究已擴大到Co基非晶絲和納米晶軟磁合金薄帶和薄膜[5]。由于非晶絲材料克服了以往磁性元件要依賴較高磁場的缺點；在附加簡單的脈沖勵磁電路時，非晶絲在微磁場下就能發生強烈的巨磁阻抗（GMI）效應，且具有靈敏度高、溫度穩定性好、無磁滯等優點，因此在微磁探測領域中作為磁敏傳感器的敏感材料顯示出重要的應用價值。

巨磁阻抗效應表現在Co基非晶絲、非晶態薄膜或納米晶合金薄帶等材料中通入較高頻率電流時，材料兩端的阻抗會強烈地依賴于外加于材料軸向上的磁場[6]。通常用外磁場作用下的阻抗變化率來反映巨磁阻抗效應的強弱。若材料是非常好的軟磁材料，并且導電性能比較好，那么一個很小的外加磁場就能導致阻抗發生較大的變化，這就是巨磁阻抗效應。

非晶絲是一種新型磁性材料，其顯著特點在于：非晶絲的軟磁特性好，體積很小，非常有利于引信系統的微小型化；并在微磁場中非晶絲巨磁阻抗效應有一線性變化范圍，從而

2 基于非晶絲巨磁阻抗效應的微磁場探測系統

2.1 非晶絲巨磁阻抗效應微磁場探測系統的探測靈敏度

在非晶絲巨磁阻抗效應微磁場探測系統中，非晶絲微磁傳感器是系統獲取目標信息的主要組件，它的靈敏度高低將直接決定探測系統性能。在依靠非晶絲材料靈敏度的基礎上，對后續信號處理電路靈敏度的提高決定了能否有效提高系統的靈敏度。

同傳統磁探測系統比較，基于非晶絲巨磁阻抗效應的微磁場探測系統需要附加脈沖勵磁電路。為了提高系統的靈敏度和線性度。

為此，系統采用了如圖1所示的設計方案。

圖1 非晶絲微磁傳感器探測電路原理框圖Fig.1 Block diagram of the GMR detecting circuit

系統探測主電路部分采用單磁芯雙繞組多諧振蕩橋式電路，同單磁芯單線圈電路、雙磁芯雙線圈電路相比，橋式電路具有響應快、靈敏度高、定距定位精度好、噪聲小等優點。同時，也彌補了雙磁芯多諧振蕩探測器線性度及線性范圍差的缺陷，使得系統探測靈敏度得到提高的同時也保證了其線性度。單磁芯雙繞組多諧橋式電路的輸出電壓值與參考電壓值進入差動放大，經帶通濾波電路，將多諧信號的基波和次諧波分量濾除，并進行再次信號放大，經微處理器采樣變換處理后，通過檢波電路將其轉變為單極性信號，最終獲得反映目標信息的電信號。

2.2 非晶絲磁滯特性及其抑制補償方法

磁性材料有著不同的磁滯特性，不同的磁滯特性具有不同的磁滯回歸曲線。磁元件的磁滯特性對系統的探測性能有著很大的負面影響。非晶絲作為一種新型磁性材料具有很小的磁滯特性。在實際應用過程中，磁元件的磁滯現象的存在是不可避免的，但系統對探測目標識別、判斷的算法相當復雜；應對磁滯抑制和電路補償技術采取相應措施。

系統中采用兩級反饋的反向電流激勵技術設計磁滯抑制補償電路，即：一級反饋是把激勵電路輸出的電壓信號經電壓/電壓轉換后，作為激勵電路差動放大器的參考值，調節控制系統的輸入差量，減小系統的波動；二級反饋是將激勵電路差分放大器的輸出電壓，采用PID的控制方法，進行電壓電流負反饋電路的設計。使其輸出成為隨外磁場變化的電流信號，并在反饋線圈中產生與待測磁場相反的磁場，即可彌補非晶絲的磁滯現象。如果一級反饋的電壓轉化系數小、線性度好，提高了系統的穩定性，使系統的功耗得以降低；如二級反饋的電壓/電流轉化器的轉化系數足夠大，就可以使非晶絲工作在零磁場附近的線性區域。當系統的兩級閉環增益選擇適合時，傳感器的輸出電壓與外磁場的場強變化成一一對應關系。因此，通過兩級的閉環系統可以顯著提高微磁傳感器的性能。

2.3 非晶絲磁阻抗效應微磁場探測系統信號處理

非晶絲磁阻抗效應微磁場探測系統的信號處理采用兩級放大單元組合方案。為了減小噪聲的干擾，一級差分放大單元增益要足夠大，便于對微弱信號及噪聲的識別、處理。同時，采用帶通濾波器和低通濾波器進行濾波，消除直流擾動以及信號中的高頻成分，有效抑制噪聲、消除基波、次諧波分量等，使其具有較高的共模抑制比和截止頻率。

綜上，基于非晶絲微磁阻抗效應的微磁場探測系統，是設計勵磁電流信號產生電路具備極低的靜態功耗和噪聲干擾，引入兩級反饋閉環控制系統克制了噪聲干擾、降低了功耗，對非晶絲磁滯特性得以抑制、補償，提高了傳感器的探測性能；采用兩級放大單元組合方案實現高性能的信號處理電路，完成了系統整體的設計。

3 測 試

分別在同一距離、不同角角度下，測試探測系統的探測性能[8]。具體測試原理為，依某項目對近炸引信探測距離15m為列：當沒有被測目標（如裝甲車輛等）時，把微磁場探測系統輸出值作為它的初始值。當目標以微磁傳感器為中心，以15m為半徑進行轉動時（順時針轉180°），從示波器觀察到的輸出信號如圖2所示。

圖2 磁感信號示意圖Fig.2 Diagram ofmagnetic signals

當探測器的敏感軸與目標轉動的方向角由0°～45°時，因為有更多的磁力線彎向迎面而來的目標，所以從初始值開始的第一個畸變是曲線偏向正向，磁場變化量達到峰值；當目標繼續運動到90°時，磁力線將沿著敏感軸的反方向偏向目標，因此輸出曲線將會逐漸減小到初始值附近，因磁場磁通量不成線性變化，所以曲線呈內凹趨勢。當目標運動方向與探測器的敏感軸的方向角為90°～135°時，曲線偏向負向達到最大值，呈外凹曲勢；當目標運動到180°時，磁力線遠離迎面而來的目標，磁場逐漸反向減小，逐漸恢復至起始值。參照曲線特征，利用采樣點值的大小進行三角函數轉成距離/電壓信號，可以用此電平作為引信系統的工作信號。在室外對樣機進行簡單測試，結果如表1所示。

表1 裝甲車室外測試結果Tab.2 Test result outdoor of arm ored car

由測試結果數據可以看出，系統在不同環境下，均能有效覆蓋近場目標，在各個角度下均產生有效輸出，適合于近炸引信的探測使用；即使對于較遠距離，也具備一定的探測能力，相對傳統磁場探測系統具備良好可靠的近場探測性能。證明了基于非晶絲巨磁阻抗的微磁場探測系統的性能優勢。

4 結 論

文中提出了基于非晶絲巨磁阻抗效應的微磁場探測系統，是設計勵磁電流信號產生電路具備極低的靜態功耗，引入負反饋閉環系統對非晶絲磁滯特性進行了抑制補償，提高了探測傳感器的性能；采用兩級放大單元組合方案實現高性能的信號處理電路，完成了整體系統的設計。所設計的微磁場探測系統具備了非晶絲巨磁阻抗效應的優勢，實驗測試表明，基于非晶絲巨磁阻抗效應設計實現的微磁場探測系統，具備良好探測性能，可應用于近炸引信進行微磁場探測。

[1]鄧甲昊.基于巨磁阻抗效應的非晶絲微磁物理場探測新體制[J].科技導報，2009，27（6）:38-41.DENG Jia-hao.Based on the giantmagneto-impedance effect ofwhiskersmicromagnetic physics field detection of the new system[J].Science and Technology Leader，2009，27（6）:38-41.

[2]孫驥，鄧甲昊，高珍，等.基于巨磁阻抗效應的非晶絲微磁傳感器[J].儀表技術與傳感器，2009（4）:93-96.SUN Ji，DENG Jia-hao，GAO Zhen，et al.Based on the giant magneto-impedanceeffectofwhiskersmicromagnetic sensor[J].Instrument Technique and Sensor，2009（4）:93-96.

[3]安康，胡季帆，秦宏偉，等.Co-Fe-Si-B非晶絲的巨磁阻抗效應研究[J].金屬功能材料，2004（4）:22-25.AN Kang，HU ji-fan，QIN Hong-wei，et al.Co-Fe-Si-B of the giant magneto-impedance effect of whiskers study[J].Metal FunctionalMaterials，2004（4）:2004-25.

[4]Mohri K，Kohzawa，Kawashima K，et al Magneto-Inductive Effect（MIeffect） in AmorphousWires[J].IEEE TransMagn，1992，28（5）：3150-3152.

[5]楊燮龍.Fe基軟磁納米微晶磁致電阻抗效應的研究[J].科學通報，1997（3）:28-31.YANG Xie-long.Fe based softmagnetic nanometer crystallite magnetic contactimpedanceeffect research[J].Chinese Science Bulletin，1997（3）:28-31.

[6]蘇達義.高頻電子線路的理論與設計[M].北京：航空工業出版社，1989.

[7]楊介信.一種新型的縱向驅動巨磁致阻抗效應[J].科學通報，1998，43（10）:1051-1053.YANG Jie-xin.Anew type of vertical drive the giantmagneto impedance effect[J].Chinese Science Bulletin，1998，43（10）:1051-1053.

[8]程引會，馬良，李進璽，等.確定高空電磁脈沖標準波形參數的頻域方法[J].現代應用物理，2014（2）：135-139.CHENG Yin-hui，MA Liang，LIJin-xi，etal.Frequency domain method for determining the parameters of high altitude electromagnetic pulse[J].Modern Applied Physics，2014（2）：135-139.