數字補償式巨磁阻抗傳感器設計

楊志成， 車　振

(中國船舶重工集團公司 第七一○研究所，湖北 宜昌 443003)

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數字補償式巨磁阻抗傳感器設計

楊志成， 車振

(中國船舶重工集團公司 第七一○研究所，湖北 宜昌 443003)

摘要:地磁環境下弱磁信號的檢測要求地磁傳感器具有靈敏度高、工作范圍寬的特點，非晶絲在高頻交流激勵下具有阻抗變化率高的特點，宜于用來作地磁傳感器。但非晶絲線性工作區較短，不能完全覆蓋地磁場范圍，通過采用數字補償技術可以補償大部分地磁場，使傳感器工作于非晶絲的線性區，提高了傳感器的靈敏度，擴展了傳感器的工作范圍。通過測試，采用數字補償技術的巨磁阻傳感器靈敏度為71.133 μV/nT，工作于-61 750.8～73 774.8 nT，與被測磁場的最大誤差為2.45 nT。

關鍵詞：數字補償； 巨磁阻抗； 地磁傳感器； 非晶絲；靈敏度；模塊

0引言

1992年，Mohri K教授等人發現了非晶態合金的交流磁阻抗隨外加磁場的變化而顯著變化的現象[1]，即巨磁阻抗(giant magneto impedance,GMI)效應。依據巨磁阻抗效應研制的傳感器具有靈敏度高、線性度好等優點[2,3]，我國也開展了相應的研究[4～7]，由于非晶絲在交流激勵下阻抗變化靈敏度高，線性工作區較短，在地磁環境下使用時很容易飽和，為改善傳感器性能，可以采用負反饋擴展傳感器的工作范圍，但負反饋會導致傳感器靈敏度的降低，同時深度負反饋會導致系統不穩定[8,9]。

本文提出了采用數字補償技術，在不降低傳感器靈敏度的基礎上擴展巨磁阻抗傳感器的工作范圍，使其能夠較好地在地磁場環境中使用。

1傳感器總體結構設計

數字補償式巨磁阻抗傳感器整體結構如圖1所示，該測量系統主要包括巨磁阻抗傳感器、AD采樣模塊、補償模塊、供電系統、上位機5個部分。其中，巨磁阻抗傳感器用于將磁場信號轉換為電壓信號。AD采樣模塊主要用于將巨磁傳感器的模擬電壓輸出轉換為數字量，AD采樣模塊一方面將該數字傳輸量給上位機，用于上位機數據的解算和顯示；另一方面，存儲巨磁阻抗傳感器的外加磁場和輸出電壓的特性曲線，用于補償模塊查詢使用。

2補償模塊工作原理與裝置實現

DA補償模塊主要用于補償地磁場，在未加補償模塊時測得的傳感器輸出與外加磁場的關系如圖2所示，傳感器輸出在磁場范圍為BC段時變化靈敏，且線性度較好，但其工作范圍約為-5 000～3 000 nT，在地磁場中容易飽和，在地磁環境中使用時需通過補償裝置進行補償，使補償后的磁場位于-5 000～3 000 nT范圍內。補償模塊可以通過控制輸出到傳感器補償線圈電流的大小控制補償磁場的大小，所需補償磁場值的大小由傳感器在被測磁場中所處的工作區間決定。

圖1　測量系統總體結構示意圖Fig 1　Overall structure of measuring system

圖2　巨磁阻抗傳感器輸出電壓與外加磁場的關系Fig 2　Relationship between output voltage of giant magnetoimpedance sensor and external magnetic field

2.1傳感器工作區間的確定

傳感器的工作特性曲線分為AB,BE,EC,CD四個區間，其中,E點為傳感器輸出為零的點。判斷傳感器工作區間的流程圖如圖3所示，首先判斷AD采集模塊輸出電壓是否大于零，若傳感器輸出大于零，則傳感器處于ED段，若小于零,則位于AE段，若傳感器位于DA段，則通過補償模塊向傳感器施加一定的正向磁場，該磁場值可以由程序設定，本文設定為5 nT，若傳感器輸出電壓增加，則傳感器位于BE段，若輸出電壓減小,則傳感器位于AB段；若第一次判斷傳感器位于AE段，則通過補償模塊向傳感器施加-5 nT磁場，若傳感器輸出電壓減少，則傳感器位于EC段，若輸出電壓增加，則傳感器位于CD段。

圖3　傳感器區間判斷流程圖Fig 3　Flow chart of sensor interval judgment

如圖2所示，傳感器工作于BC段時，其輸出電壓與外加磁場近似呈線性關系，可以用式(1)來表示

y=ax+b.

(1)

其中,y為傳感器輸出模擬電壓，μV;x為外加磁場，nT;a為傳感器靈敏度。傳感器所處的磁場可以由式(2)計算

(2)

其中,N為由AB段或CD段調整到BC段所需要調整的次數，C為每次調整的磁場值，yn為經過n次調整后傳感器的輸出。

2.2補償裝置實現

補償模塊模塊示意圖如圖4所示，補償模塊選用單片機STM32F103ZET6作為主控單元，通過單片機控制D/A轉換芯片，輸出幅值可調的模擬電壓，用該模擬電壓控制恒流源，輸出恒定電流驅動巨磁阻抗傳感器偏置線圈，為巨磁阻抗傳感器提供一個偏置磁場。為保證恒流源輸出電流精度，在恒流源輸出端外接一個采樣電阻器，將恒流源輸出電流以電壓的形式通過D/A轉換輸出到單片機，與單片機中預設值進行比較，形成負反饋，提高恒流源輸出精度。同時，將單片機與上位機和AD采樣模塊相連，上位機主要實現線圈常數設定、偏置磁場的設定、顯示等功能，AD采樣模塊負責向反饋模塊提供傳感器輸出電壓，為傳感器工作區間確定提供依據。

圖4　補償模塊示意圖Fig 4　Diagram of compensation module

3測試結果與討論

3.1巨磁阻抗傳感器靈敏度測試

由式(1)可知，被測磁場的求取與靈敏度有關，需通過測試獲取。測試裝置如圖5所示，將巨磁阻抗傳感器置于螺線管線圈線性區內，將傳感器探頭敏感方向與螺線管軸向平行放置，將標準電流源通過1通道與線圈相連，通過控制電流源輸出實現傳感器外部磁場的變化。為減少地磁場干擾，將傳感器置于屏蔽桶內。

圖5　傳感器側裝置示意圖Fig 5　Diagram of sensor side device

通過測試，傳感器輸出電壓y與外部磁場x的關系如圖6所示，數學表達式為

y=71.133x+809 337,

(3)

則由式(3)可知傳感器靈敏度為71.133 μV/nT。

圖6　傳感器輸出電壓與外界磁場關系Fig 6　Relationship between output voltage of sensorand external magnetic field

3.2反饋線圈常數測定

如圖4所示，測量裝置通過控制恒流源輸出電流的大小來控制補償磁場的大小，所以,需獲取補償線圈常數，補償線圈常數可以通過計算法或實驗室測試法獲取，為提高線圈常數的準確性，本文采用實驗室測試法。測試裝置如圖5所示，將電流源通過2通道與傳感器反饋線圈相連，調節電流源輸出并用數字式萬用表Agilent34401記錄傳感器輸出電壓，測試結果如圖7所示。

圖7　反饋線圈輸入電流與傳感器輸出關系圖Fig 7　Relationship between feedback coil input currentand sensor output

傳感器輸出電壓與電流源輸出近似呈線性關系

u=2.742 9i-0.405 9.

(4)

結合式(3)、式(4)可求出傳感器反饋線圈常數為38 590.2 nT/mA。

3.3傳感器工作特性測試

將傳感器通過RS—232串口與計算機相連，并通過圖5裝置向傳感器施加磁場，記錄下電流源輸出電流和上位機輸出電壓，其中，螺線管線圈常數為2 020 nT/mA，測試結果如圖8所示，曲線B表示外加磁場與傳感器輸出磁場的關系，曲線C表示傳感器輸出磁場和外加磁場的差值與外加磁場的關系。

圖8　外部磁場與傳感器輸出磁場關系Fig 8　Relationship between external magnetic fieldand output magnetic field of sensor

傳感器的工作范圍為-61 750.8～73 774.8 nT；傳感器輸出磁場與螺線管線圈最大差值為2.45 nT。

4結論

本文以非晶絲為敏感材料，設計了一種數字補償式巨磁阻抗傳感器，極大程度地擴展了巨磁阻抗傳感器的量程，解決了巨磁阻抗傳感器量程小的問題，使其可以在地磁環境下應用。和反饋法擴大巨磁阻抗傳感器量程的方法相比，該方法不減小傳感器的靈敏度，不受反饋深度等因素的影響。實驗表明：采用數字補償技術的巨磁阻抗傳感器靈敏度為71.133 μV/nT,在61750.8～73774.8 nT范圍內，磁場最大誤差為2.45 nT。該裝置工作穩定，輸出磁場可靠，為磁場測量提供了一條新思路，有望應用于磁探測和磁定位領域。

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Design of digital compensation type giant magneto impedance sensor

YANG Zhi-cheng, CHE Zhen

(710 Research Institute,China Shipbuilding Industry Corporation,Yichang 443003,China)

Abstract:To detect weak magnetic signal under geomagnetic field,geomagnetic sensor that have characteristics of high sensitivity and wide operating range should be used，amorphous wire that has characteristic of high impedance variation rate in high frequency alternating current excitation is suitably used as magnetic sensor.But region of amorphous wire is too short to completely cover range of geomagnetic field,digital compensation technology can be used to compensate most of geomagnetic field,the sensor can work in the linear region of the amorphous wire,sensitivity of the sensor can be improved and working range can be extended.Through the test,the sensitivity of the sensor that using the digital compensation technology is 71.33 μV/nT,the working range is -61 750.8 nT～73 774.8 nT and the maximum error of the detected magnetic field is 2.45 nT.

Key words:digital compensation; giant magneto impedance(GMI); geomagnetic sensor; amorphous wire;sensitivity;module

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0100—03

收稿日期：2015—04—29

中圖分類號：TJ 02

文獻標識碼：B

文章編號：1000—9787(2016)02—0100—03

作者簡介:

楊志成(1991-)，男，河南許昌人，碩士研究生，研究方向為地磁傳感器與微弱信號處理。