線圈磁傳感器的發展現狀與空間應用

石 東，王三勝，易 忠

（1.航天東方紅衛星有限公司，北京 100094；2.北京航空航天大學 微納測控與低維物理教育部重點實驗室，北京 100191；3.北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

0 引言

在空間環境探測領域，線圈磁傳感器由于靈敏度和可靠性高成為磁探測傳感器的最佳選擇之 一[1-3]。針對磁場測量的不同要求，具有不同優點和性能的磁傳感器層出不窮，如磁通門傳感器、GMR、GMI、SQUID、核進動、光泵磁傳感器等[4-9]。線圈磁傳感器作為一種最古老的磁傳感器，具有可探測范圍寬（10-14～104T）、靈敏度高、噪聲低（達 fT 量級，通常用于深空弱磁場探測）、功耗低和制作簡單的優點，具有極廣泛的應用[10-13]。其缺點是體積比較大，難以微型化和集成化。因此，要獲得適用于空間應用任務的線圈磁傳感器，就需要綜合考慮其靈敏度、功耗、體積等因素，并采用相應優化技術進行優化。

本文對幾種主要的線圈傳感器性能優化方法進行介紹，并結合相關實際應用具體分析。同時簡要介紹了一些為線圈磁傳感器性能進一步提高提供了可能性的新技術的應用，如梯度信號測量技術、超導技術等。

1 提高線圈磁傳感器性能的主要技術

1.1 線圈磁傳感器靈敏度的提高——引入磁芯

線圈磁傳感器的工作原理是法拉第電磁感應基本定律，在均勻交變磁場下其感應電壓為

式中：Φ是通過線圈面積為A、匝數為n的線圈的磁通量；B為磁感應強度；H為磁場強度；μ0為真空磁導率常數，μ0= 4π×10-7N/A2。

通常，如果線圈要獲得高的靈敏度，可以通過較多的匝數n和較大的線圈面積A來實現，體積和質量都會比較大。例如，在帶寬為0.001～10 Hz的條件下，用于測量地球磁場微脈沖的感應線圈磁強計的分辨率為1 pT～1 nT，尺寸大小為m 級，重達好幾百kg。文獻[14]介紹的一個線圈傳感器的設計實例，其直徑達2 m，線圈匝數16 000，導線直徑為0.125 mm。

空間應用的線圈磁傳感器往往利用磁芯來實現高靈敏度以及微型化。當將鐵、鈷、鎳等磁性材料放入磁場中時，磁場中的磁力線通過這些磁性材料附近時就會改變原來的路徑而更多地穿過磁性材料返回到磁南極，如圖1所示。利用在磁性材料中比在空氣中更容易建立這種磁路的原理，將磁性材料放入線圈中，就會匯聚更多的磁通，從而增大式(1)中的Φ，進而增大感應電壓V的幅值，這就是制作磁芯線圈磁傳感器的原理。

圖1 磁性材料放入磁場前后的磁力線分布圖Fig.1 Distribution of the magnetic induction lines affected by the ferromagnetic materials

對于磁芯線圈磁傳感，感應電壓由式(1)變化為

其中μr是線圈中磁芯的相對磁導率。

目前的軟磁材料的相對磁導率μr都較容易做到104～105，可以顯著提高傳感器的靈敏度，同時大大縮減其體積。然而，由于磁場的消磁效應（其消磁系數為N），鐵芯的作用磁導率μc要比軟磁材料本身的磁導率小得多。

從式(3)可知，如果某材料的相對磁導率μr非常大（通常情況下都是這樣），作用磁導率μc的大小就主要依賴于消磁系數N。而消磁系數的大小依賴于鐵磁芯的幾何形狀，因此對于高磁導率材料，傳感器的靈敏度主要依賴于鐵磁芯的幾何形狀。

應用軟磁材料作為傳感器的鐵磁芯對其靈敏度的提高作用顯著，目前獲得的線圈傳感器的靈敏度在同體積時已經達到磁通門的水平然而，這種靈敏度的提高是以犧牲空心傳感器的最大優點——線性度為代價的。即使選用性能非常優越的鐵磁芯材料，仍然會給線圈磁傳感器引入一些非線性因素（這些因素依賴于溫度、頻率、磁通密度等），也會產生多余的磁噪聲（如巴克豪森效應噪聲）等。因此，高性能的線圈傳感器設計需要對以上因素進行綜合考慮。

1.2 梯度信號的獲取

環境（外）磁場是由一個大而且遠距離的磁場源產生，例如地球磁場，因此假定磁場是均勻統一的。如果將兩個距離很近的線圈傳感器放進這樣的磁場里，它們就會敏感到同樣的磁場；又由于兩線圈是差分連接的（如圖2所示），外磁場的作用就相互抵消了。如果在兩個線圈之間同時放一個小的磁場源，則距離磁場源近的線圈處磁場強度比另一個線圈處磁場強度大。這個細小的差別就是磁場梯度，可以被梯度傳感器靈敏檢測到。在遠距離處有較大磁場情況下，用這種方法可以測量出局部相對小的磁場變化。

圖2所示為梯度線圈傳感器的典型分類：垂直型、平面型和非對稱結構型。當梯度線圈傳感器被放置在均勻場中時，其輸出信號應該為0。對于非對稱結構類型，其敏感線圈比較小，為了補償由較大線圈測的磁場，它就需要有更多的匝數。

圖2 梯度線圈傳感器分類Fig.2 The classification of the gradiometer coils

同時用幾個梯度傳感器消除公共成分可以提高測量性能，圖3(a)～(c)所示分別為一階、二階和三階梯度傳感器。更高階的梯度傳感器反而減小了傳感器的靈敏度和信噪比，研究和應用價值不大。

圖3 梯度線圈傳感器Fig.3 Gradiometers of different orders梯度傳感器的質量通常用下面公式描述，

其中：G為被測磁場的梯度；H為均勻場強度。在超導器件中，系數β可以小至1/107，這意味著可以在磁場為mT 的均勻背景下測到十幾個fT 的磁場變化。

1.3 超導線圈磁傳感器的發展

超導電現象以及超導約瑟夫森效應發現以來，超導材料和超導應用技術，尤其是具有實用性能的高溫超導材料與技術得到重大發展[15]。應用超導材料制作的各種高、精、尖電子器件推動了現代測量技術的深刻變革。其中超導量子干涉儀（SQUID）已經廣泛應用于醫學核磁共振領域；目前應用高溫超導技術制備線圈磁傳感器也表現出良好的應用前景[16]。

日本九州大學Ichiro Sasada[17]報道過使用高溫超導線材制成的感應線圈傳感器。該傳感器包括一個探測線圈和一個放大器結構，及磁場輸入到電壓 輸出之間的簡單信號轉換電路，其原理及等效電路如圖4所示。線圈由5 mm 寬、0.23 mm 厚的BSCCO超導線圈制成，其內徑18 cm，外徑23 cm，92 匝，電感為3.23 mL。傳感器工作基于法拉第電磁感應定律，其截止頻率為R/2πL，其中R為線圈的電阻，L為線圈電感。得到傳感器的截止頻率為1.7 Hz。而且由于超導線圈在實驗時電阻基本為0，主要考慮的噪聲就是放大器的噪聲了，得出傳感器的靈敏度為0.54 V/μT。可見，超導線圈在制備高靈敏度和高分辨率線圈磁傳感器上具有一定的優勢。

圖4 超導平板線圈磁傳感器原理及等效電路Fig.4 Schematic diagram of an induction magnetometer using a high-Tc pancake coil

2 線圈磁傳感器空間典型應用及發展趨勢

線圈傳感器以其高靈敏度、高可靠性、低功耗等突出優點在眾多空間探測項目中尤其是在弱磁場探測方面發揮著重要作用。近些年來，使用線圈傳感器的主要國際空間環境探測任務有：2010年發射的CLUSTER 衛星[18]以及2004年發射的進行補充性任務的Double Star 衛星，其任務是對地球磁層的磁場重連臨界區域進行研究[19]；2006年THEMIS 的任務是對地球磁層亞暴的相關研究[20]；2014年發射的Bepi Colombo 其任務是對水星的磁場進行探索[21]。以上任務中線圈傳感器的具體參數性能如表1所示。

表1 空間探測任務中線圈傳感器性能參數Table 1 Inductive sensor performance in recent space missions

2.1 線圈磁傳感器的高靈敏度與寬頻帶設計

法國H.C.Séran 等人[22]給出了空間應用中的高靈敏線圈磁傳感器的詳細設計和優化過程。以此原則為指導設計的微衛星DEMETER 的三軸線圈磁傳感器如圖5所示。為了提高探測的靈敏度，需要鐵芯的磁導率要高，線圈直徑要盡量小，線圈直接繞制在鐵芯之上。在優化設計之后，該磁傳感器在6 Hz 條件下的噪聲水平達到傳感器的鐵芯由退火鐵鎳鉬15-80-5 鎳鐵導磁合金片制成，長170 mm、厚50 μm、截面積4.2 cm×4.2 cm。

圖5 DEMETER 衛星三軸線圈磁傳感器Fig.5 Three-axial search coil magnetometer for DEMETER

對于一定體積的銅線，線圈匝數和線徑是相關的，即減小線徑可以增加繞制匝數。因此，磁傳感器的熱噪聲取決于所用銅線的體積，而非線徑或者匝數。線圈匝數等特征會對磁傳感器的低頻特性產生影響，為了在前置放大器的電壓噪聲之上得到理想共振頻率和電阻噪聲，該設計中選用了直徑為71 μm 的銅線，線圈匝數為12 200。

該三軸線圈磁傳感器包含外殼的總質量僅有430 g，性能指標達到了空間測試的需求，自2004年來工作于DEMETER 微型衛星上。

2.2 線圈磁傳感器的微型化和低功耗

在空間環境探測應用中，傳感器的體積以及功耗是重要的考慮內容。因此，除了保證較高的磁場分辨率外，對于體積、尺寸、質量、功耗的優化設計對于傳感器的應用同樣重要。不同于磁通門等傳感器，線圈傳感器是一種完全被動型的傳感器，不需要內部電源進行激勵，能量消耗僅僅來自對被測信號的處理，通常其功耗可以比磁通門類磁傳感器小2 個數量級。

通常，線圈磁傳感器的靈敏度越高所需要的線圈尺寸就越大。磁通匯聚器以及磁芯的合理設置可以在不降低探測靈敏度的前提之下，極大減小傳感器體積和質量。以色列Asaf Grosz 等人[23]針對三軸線圈磁傳感器的體積和質量進行了充分的優化（參見圖6），該傳感器磁場分辨率達到體積只有350 cm3（7.2 cm×6.9 cm×6.9 cm），只相當于相同功耗和相同靈敏度的磁通門磁傳感器的1/3，可持續工作7年；與傳統設計的空間應用線圈磁傳感器[22]相比，該新型線圈傳感器體積只有其1/22，質量只有其60%。

圖6 DEMETER 衛星三軸線圈磁傳感器的優化結構Fig.6 New design of a three-axial search coil magnetometer for DEMETER

2.3 與其他磁傳感器協同工作

線圈磁傳感器與磁通門傳感器在性能方面各有優勢，經常同時應用于空間磁場探測。它們的基本物理工作原理決定了它們適用于不同頻段弱磁場的探測，磁通門的測量范圍從直流磁場至十幾Hz，線圈磁傳感器的測量范圍則從零點幾個Hz 直到約 1 MHz。在頻率10 Hz 以上，線圈磁傳感器具有更高靈敏度。而磁通門傳感器在頻率幾百Hz 之內具有更大的優勢。目前在空間微弱磁場測量方面，從直流磁場到1 MHz 左右的磁場，利用磁通門和線圈磁傳感器的組合能完全勝任。日本Feng Han等人[24]設計的磁通門與線圈復合型傳感器具有低噪聲、寬頻帶的優越特性，可以實現直流至30 kHz頻率范圍的磁場測量，其分辨率在 1 Hz 為在10～200 Hz 為

3 結束語

目前線圈磁傳感器的研究正在向微型化、低頻段磁測量、低噪聲方向發展。例如，磁通門及線圈傳感器協同工作實現直流-交流磁場的寬頻帶信號測量；使用磁導率高的磁芯并配以低噪聲前置放大器來制作微型化線圈磁傳感器；使用高溫超導線材制備線圈來制作低截止頻率的線圈磁傳感器，從而克服其不便于集成和不能測量準直流磁場的弱點；結合其超低功耗的優點，線圈磁傳感器的應用必將進一步擴大。與其他類型的磁傳感器相比，線圈磁傳感器在各個方面已經展現出相同甚至更高的性能，在空間弱磁場探測中具有重要研究價值和良好應用前景，將繼續發揮重要的作用。

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