正交磁通門羅盤設計*

李宏宇，李 昆，張明瑞

(哈爾濱工程大學，黑龍江 哈爾濱150001)

0 引 言

在航天航海環境中，測量運動載體的方位和姿態角時，如，流向、風向、航向、方位、海洋機器人水下運動姿態等都要用到方位傳感器。由于工作環境條件十分惡劣，對傳感器的要求也極其嚴格。以往常用的磁羅盤或慣性平臺多為有觸點部件，易于磨損，其工作可靠性較差，而且結構復雜、功耗大、使用維修都比較困難。磁通門羅盤能從根本上克服以上的缺點，能夠提升測量準確度［1］。它無觸點部件、無軸承、無永久磁鐵，所以，具有功耗小、結構簡單、可靠性高、壽命長、使用維修方便等特點。

本文根據實際工程的需要，改善了磁通門探頭的制作工藝，設計了環型正交磁通門探頭，并采用硅油作為阻尼液來保持探頭的穩定性和水平。激勵磁場均勻作用于磁芯上，呈正交的兩路感應線圈產生的二次諧波信號可用于地磁方位角測量，并通過硬件實現和軟件補償方式保證航向角度值測量精度。磁通門羅盤具有數字輸出的功能，可在ms 級時間內提供數據，方便與高速采樣的計算機相連。

1 正交磁通門設計

磁通門羅盤是利用被測磁場中軟磁材料在交變電場的飽和激勵下其磁感應強度與磁場強度的非線性關系制作的測磁傳感器［2］。磁通門探頭制作過程中磁芯的選擇和探頭的制備工藝是影響磁通門羅盤的主要因素。

傳統的正交磁通門制作是選擇高導磁材料如坡莫合金作為磁芯，纏繞在無磁鋼制作的骨架上，經高溫煅燒、釋放應力等過程使磁芯磁滯回線達到預定要求。采用非導磁性材料制作外殼，在外殼內部腔體中放入阻尼液以浮起磁芯骨架，激勵線圈和感應線圈纏繞在外殼外部。本文主要對磁芯的制作工藝進行改善，選取聚四氟乙烯制作磁芯的支撐骨架，將磁芯處理后纏繞在骨架上并釋放應力，同時在阻尼液的選取上能夠節約成本。阻尼液的作用是使磁芯能夠在一定程度上保持水平狀態，無磁鋼作為骨架時需選取密度較大的氟油作為阻尼液以浮起磁芯線圈，而聚四氟乙烯作為骨架時，所需阻尼液密度較小，可供選擇種類繁多，價格低廉。磁通門探頭示意圖如圖1。

2 磁通門二次諧波法原理

磁芯磁導率的變化對環境場起到濾波作用，相應的磁通量被調制并產生感應電勢，這種器件稱為磁通門探頭，它能將環境磁場調制成偶次諧波感應電勢，這就是磁通門現象［3］。

圖1 正交磁通門探頭簡圖Fig 1 Diagram of orthogonal fluxgate probe

鐵芯的磁導率隨激勵磁場強度產生變化時，感應電勢中會出現隨被測環境磁場強度而變化的偶次諧波增量。理論上，任意偶次諧波電壓都可以用來度量被測磁場，然而當飽和深度發生變化時，高次諧波分量的穩定性很差，并且諧波電壓會隨著諧波次數的增加而逐漸衰減，所以，通常都選擇二次諧波法來測量被測磁場［4～8］。

被測磁場的磁場強度H0非常小，遠小于飽和磁場強度Hs以及激勵磁場強度幅值Hm，且當時，如施加激勵磁場H=Hmcos2πft，二次諧波幅值簡化后表達式為

式中 μ 為磁導率，W 為感應線圈匝數，S 為探頭截面積。

正交磁通門輸出信號為呈正交的X，Y 兩路信號

3 硬件電路的實現

電路設計的整體包括磁通門激勵電路、探頭輸出模擬處理部分、探頭輸出數字處理部分、輸出顯示部分。總體方案圖如圖2 所示。

圖2 硬件電路整體方案圖Fig 2 Overall scheme of hardware circuit

1)激勵電路

3.840 MHz 的晶振產生標準正弦波信號，CD4060 芯片分頻得到標準的7.5 kHz 激勵信號和15 kHz 檢波信號。

2)模擬處理部分

a.帶通濾波

用于提取輸出信號中的二次諧波，基波和三次諧波是最大的干擾信號，因此，其性能直接影響系統的精確度。

b.相敏檢波

通過標準15 kHz 方波對濾波器輸出信號進行截取，進一步濾除干擾噪聲，采用雙向傳輸門實現。

3)數字處理部分

單片機控制AD7705(雙通道全差分模擬輸入)對X，Y 軸方向感應電動勢進行采樣進而求得方位角。

4)輸出顯示部分

輸出水平航向角，并繪制曲線。

4 實驗測試

4.1 實驗數據

磁通門羅盤測試時用無磁轉臺作為標準角度尺，等角度轉動，記錄誤差，實驗數據如表1。

表1 實驗數據Tab 1 Experimental datas

4.2 誤差分析

影響磁通門羅盤精度的因素很多，主要分析以下因素造成的影響［8，9］:

1)探頭固有零誤差

誤差主要由磁導材料的磁滯現象和特性曲線受干擾呈非對稱性而引起，通常選用矯頑力較小的高導磁材料做成環形鐵芯來減小。有效抑制和減小探頭的噪聲和固有零誤差的措施為確保足夠激勵靈敏度和強度前提下，磁芯疊厚應盡量薄，這樣，鐵芯材料能充分飽和且鐵芯內磁場均勻分布。

2)外部誤差

激勵信號的不對稱分量即偶次諧波成分是引起外部誤差的因素之一。為減少這一干擾，應采用高穩定度晶振，且在振蕩電路與輸出電路之間充分去耦。外界磁場的干擾也會產生外部誤差，在實際應用中可以采用無定向結構或屏蔽措施防止外界磁體所產生的磁場影響。通常磁體對2 m外物質產生的磁場影響可忽略。

3)模擬電路不穩定引起的誤差

作為模擬電路最重要部分的帶通濾波器，它的性能直接影響測量精確度。對于基波，三次諧波的抑制作用和對本底噪聲的限制作用是衡量濾波器性能的主要指標。移相電路也需要穩定可靠，能夠準確移相，否則，會引起輸出信號產生不必要的相移。因此，濾波器和移相電路所選用的元器件應高可靠、高穩定、低噪聲、低溫漂。

5 結 論

相比于傳統工藝制作的磁通門探頭，本文設計的探頭具有工藝簡單、可靠性高、穩定性好等特點，適用于大批量生產。測試結果表明:電子羅盤最大誤差度為3°，滿足導航性能要求。

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