一種反饋式自平衡弱磁傳感器設(shè)計

中國人民解放軍第五七一五工廠，河南洛陽 471000

一、引言

弱磁傳感器是磁場探測的核心元件，可應(yīng)用于磁開關(guān)、微電流檢測和無損探傷等領(lǐng)域，市場應(yīng)用前景廣泛。

現(xiàn)有弱磁傳感器雖然靈敏度高，但存在動態(tài)范圍小、容易飽和等缺點。鑒于此現(xiàn)狀，以軟磁材料[1]為電感磁芯，應(yīng)用其高磁導(dǎo)率特點，輔之自動積分式反饋補償電路，開發(fā)出高靈敏度、大動態(tài)測量范圍磁場傳感器，測試靈敏度可達40mV/Gs以上，測量動態(tài)范圍能夠大至250Gs以上，使其在磁傳感器領(lǐng)域獨樹一幟。

二、總體設(shè)計

弱磁傳感器由磁感應(yīng)探頭、振蕩器、鑒頻器、積分器和驅(qū)動器組成，如圖1所示。

磁感應(yīng)探頭由雙電感構(gòu)成，分別接入LC振蕩器和驅(qū)動器。傳感器上電后，積分器開始正向積分驅(qū)動磁化電感并促使磁感應(yīng)電感進入敏感區(qū)域，此時，振蕩器開始工作，隨著振蕩器頻率穩(wěn)步升高，鑒頻電壓也不斷上升，當積分運放正反相端電壓相等時，傳感器進入動態(tài)平衡，當外部磁場變化時，傳感器會進入新的平衡狀態(tài)，而積分器輸出的電壓差值ΔU就是變化磁場差值ΔH。

1、磁感應(yīng)探頭設(shè)計

磁感應(yīng)探頭中的雙電感分別稱為磁感應(yīng)電感和磁化電感[2]，磁感應(yīng)電感能夠感應(yīng)外部磁場變化，其電感值隨外部磁場變化而變化，探頭依靠其材料的特性及相關(guān)結(jié)構(gòu)來保證其對外部磁場的感應(yīng)特性。

磁感應(yīng)電感和磁化電感為同型結(jié)構(gòu)，均由內(nèi)部軟磁材料磁芯和外部漆包線圈組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中，磁感應(yīng)電感與磁化電感軸心平行，軸心間距4mm±0.5mm，軟磁材料比重為1:70，漆包線徑為0.15mm，單位體積內(nèi)漆包線圈匝數(shù)比為1:5。此種結(jié)構(gòu)既能保證磁感應(yīng)電感磁芯均勻磁化，又能保證磁感應(yīng)電感對磁化電感的互感影響降到可控范圍之內(nèi)。

軟磁材料具有以下特點：高飽和磁感應(yīng)強度、高磁導(dǎo)率、低矯頑力、低損耗、良好的溫度穩(wěn)定性和時效穩(wěn)定性，將其制作成電感后，其電感值為：

式中，μ—軟磁材料磁導(dǎo)率；

n—漆包線圈單位長度匝數(shù)；

τ—電感體積。

對于一個n和τ值已經(jīng)確定的電感，磁導(dǎo)率μ則是影響其電感值的唯一參數(shù)。而μ作為一個變化量，它將受到與軸向方向一致的磁場強度控制，所以改變電感值可以通過改變軟磁材料磁導(dǎo)率μ值獲得，磁導(dǎo)率μ為軟磁材料磁感應(yīng)強度B和外部磁場強度H的比值，即：

磁感應(yīng)強度B和磁場強度H關(guān)系圖[1]如圖3所示。

圖3中，軟磁材料磁化曲線包含兩個區(qū)域，分別為動態(tài)區(qū)和飽和區(qū)。在動態(tài)區(qū)內(nèi)，B會隨著H變化而同向變化，在飽和區(qū)內(nèi)，無論H如何變化，B基本保持不變，趨于定值。磁化曲線上各點處切線斜率為該點磁導(dǎo)率μ的變化率，μ變化顯著的區(qū)域稱為敏感區(qū)域，我們就利用軟磁材料在該區(qū)域的特性制作磁感應(yīng)電感。

將軟磁材料磁芯磁化至敏感區(qū)域是傳感器工作的必要先決條件。為使其磁化穩(wěn)定、均勻，這就要求外界磁場方向必須與磁感應(yīng)電感軸向方向一致。為滿足上述要求，故磁感應(yīng)探頭設(shè)計有磁化電感，以保證磁感應(yīng)電感敏感特性。

2、振蕩器[3]電路設(shè)計

振蕩器電路采用LC振蕩電路，工作在高頻狀態(tài)下（＞1MHz），接入了磁感應(yīng)電感的振蕩器作為弱磁傳感器的一部分，是感應(yīng)外部磁場變化的接收組件，磁感應(yīng)電感和電容一同構(gòu)成LC振蕩器的反饋網(wǎng)絡(luò)，同時，磁感應(yīng)電感擔(dān)負著磁場敏感元件的角色，在外部磁場的作用下，振蕩器輸出振蕩信號頻率大小與磁感應(yīng)電感軸向磁場強度同步一致。振蕩器電路原理圖如圖4所示。

從圖4看到，該振蕩器為電容三點式LC振蕩器，也叫考爾比茲振蕩器。振蕩器反饋電壓取自C9，故振蕩器高頻諧波分量小，輸出波形較好，這也是選擇此種結(jié)構(gòu)電路的原因。

振蕩器工作在最佳狀態(tài)是保證弱磁傳感器穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一，要求振蕩器輸出振蕩信號幅度穩(wěn)定，頻帶寬，線性度好，所以必須合理配置硬件參數(shù)，在設(shè)計初期，設(shè)計人員通過理論計算初步確定振蕩器各元器件量值和振蕩器工作參數(shù)。在調(diào)試階段，又通過對關(guān)鍵器件量值進行微調(diào)整使振蕩器工作在最佳狀態(tài)。

3、鑒頻電路設(shè)計

為從調(diào)頻信號中解調(diào)出與磁場對應(yīng)的電壓信號，系統(tǒng)設(shè)計有單失諧回路斜率鑒頻電路[3]，該電路采用三極管共射放大、諧振選頻、二極管包絡(luò)檢波方式實現(xiàn)。電路原理圖如圖5所示。

圖5中，“fosc”為振蕩器輸出信號，“Vout”為鑒頻輸出信號。單失諧回路斜率鑒頻器由LC諧振放大器和二極管檢波電路組成。調(diào)試時，將諧振放大電路[4]的諧振頻率調(diào)試到fc+Δfm，其中fc為振蕩器中心頻率。

4、積分電路和驅(qū)動電路設(shè)計

磁化電感控制電路原理圖如圖6所示。

積分器[4]是用來平衡外部磁場的核心組件，運放的正反相端電壓相等時傳感器處在動態(tài)平衡狀態(tài)，當外部磁場增大時，積分器反向積分，通過三極管驅(qū)動器減小磁化電感電流，使積分器再次進入平衡狀態(tài)。當外部磁場減小時，積分器正向積分，通過三極管驅(qū)動器增大磁化電感電流，使積分器再次進入平衡狀態(tài)。

三、性能驗證

將組裝調(diào)試好的傳感器探頭水平放置，磁感應(yīng)探頭東西朝向，如圖7所示。

四、結(jié)論

應(yīng)用軟磁材料，設(shè)計出一種反饋式自平衡弱磁傳感器，該型弱磁傳感器性能可靠，線性度好，靈敏度高，最大優(yōu)勢是動態(tài)范圍大，可批量生產(chǎn)應(yīng)用，為新型傳感器開拓了一片新的技術(shù)領(lǐng)域。