李 沅，胡冠华，李 凯，吴晓华

（1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西太原 030051；2.北方自动控制技术研究所，山西太原 030006；3.北京交通运输职业学院，北京 100096）

人类赖以生存的地球是一个巨大的磁场，铁磁体处于地磁场环境中会受到地磁场的磁化，同时使地磁场本身产生磁异信号，根据这种原理，可以实现对铁磁性目标运动识别.磁异信号的探测可以视作对传统目标探测的补充，给探测鱼雷或沉船等隐蔽性较强的目标提供了一种新的方式［1－3］，可以用其获取目标的参数信息［4］，应用于雷弹智能化引信前端设计.而磁通门传感器具有高分辨率和良好的稳定性，是目前磁场探测中较为理想的一种测量传感器.

本系统采用三轴三端式磁通门传感器对铁磁体产生的磁异信号进行探测，通过实验及对铁磁体产生的磁异信号进行获取［5－6］.

1 三端式磁通门传感器工作原理

磁通门传感是根据高磁导率铁芯在交变磁场的饱和激励下，外界磁场强度与线圈感应电压输出的非线性关系而设计的.其结构与变压器类似，取高磁导率、易饱和的材料作为磁芯［7－8］，在其上面分别绕两组线圈：一组作为激励线圈，另一组作为感应线圈.在交流信号的激励下，使磁芯处于周期性饱和状态，这样就通过感应线圈的偶次谐波分量得到与外界磁场变化成正比的输出值.

图1 三端式磁通门传感器示意图Fig.1 The schematic diagram of fluxgate sensor with three tips

三端式磁通门传感器采用双探头结构，即将两个绕有相同匝数线圈的磁通门传感器平行对称放置，将其并联后一端作为激励信号的输入端，另一端相互连接后中间引出抽头作为信号的输出端.主要是为了抵消由于变压器效应产生的感应电动势.这种结构相对普通磁通门传感器具有噪声低、基波分量小、灵敏度高和性能好等优点［9－10］.

先对三端式磁通门上半轴进行分析，上半轴上磁场强度总和为外界磁场强度H0和两个激励线圈在磁芯轴向上产生的磁场强度H e之和.其中：H e＝＋，＝H1sinωt，H e2＝H2sinωt.根据法拉第电磁感应定律，当磁芯远未饱和状态时，这时磁导率μ视为常数，产生的感应电动势为

式中：μ为铁芯磁导率；S为横截面积；N为感应线圈匝数.

当在交流激励的作用下，磁芯充磁达到饱和状态，磁导率μ成为随时间变化的一个变量，这时线圈产生的感应电动势

同理，对于下半轴铁心，由于下半轴激励方向和上半轴相反，其线圈产生的感应电动势

由于三端式磁通门传感器结构为差分输出，总感应电动势为上下半轴磁芯感应电动势之和，如式（4）

式中：μ（t）为时变函数，将μ（t）傅立叶展开，代入式（4）可以得出

通过式（5）得出，三端式磁通门传感器的输出信号为与外界磁场变化成正比的偶次谐波，奇次谐波分量得到有效抑制.

2 磁通门探头结构

本设计中磁通门传感器探头采用三端式结构，即将一对高磁导率、低矫顽力的铁芯（选取型号为1J86的坡莫合金）平行放置，其磁芯的饱和磁通为Bs＝0.6 T，最大磁导率为100 000.磁芯截面积约为6 mm2，假设探头激励电压幅值为24 V，频率为4 k Hz，根据文献［2］中公式，利用磁芯磁通达到饱和确定线圈匝数，经计算线圈匝数为149.实验中在磁芯上各绕一组匝数为150的线圈，这种结构主要是为了相互抑制由于变压器效应而引起的感应电动势.为了使传感器探头具有较高的灵敏度，设计中适当加大了磁芯探头与横截面直径的比值，设计的磁芯探头长度为20 mm，横截面直径为7.5 mm.

3 系统设计

铁磁体探测系统主要包括激励电路、磁通门探头、信号调理电路、数据采集模块、上位机几部分，如图2所示.通过这个模块得到的信号就是与外界磁场强度成正比的电信号.

图2 系统结构图Fig.2 The figure of system components

3.1 激励电路

磁通门探头激励电路对系统的性能和测量结果有较大影响，为了提高测量系统的稳定性，需要激励信号在频率、幅值、相位等方面具有较高的稳定度.设计中采用8M晶振经分频器SN74HC4060分别输出4 k Hz，8 k Hz的方波信号，使其分别作为激励信号源和相敏检波的基准信号.将激励信号源通过功率放大器和二阶带通滤波器，目的是为了得到波形稳定的输出信号，并且可以使磁芯处于周期性饱和状态.为了减小激励信号对探头的干扰，在探头前端加装隔离变压器.

3.2 信号调理电路

磁通门信号的调理电路一般采用二次谐波法，由LC并联谐振电路、低噪声放大电路、带通滤波器、积分器和反馈电路几个环节构成.由于磁通门探头阻抗特性以电感为主，通过并联电容使二次谐波频率达到谐振状态.探头二次谐波信号比较微弱，在对其进行滤波前设置前置放大电路，滤波采用二阶有源带通滤波器，中心频率为31.25 k Hz，品质因素Q为9.8，增益为15.把滤波后的信号与相敏检波的基准信号经过相敏检波电路进行全波整流，消除基波信号和奇次谐波信号的影响，得到信号的幅度大小.

3.3 信号采集电路

探测系统采用可编程逻辑器件EP3C10E144型FPGA作为控制芯片来控制AD，实现3路信号采集，将采集后的数据先存入FPGA的RAM中，对数据进行中值滤波和频谱分析.为了减少脉动的干扰，采集的信号进行中值滤波，其方法为信号采样N次后，对其进行排序取中间值.本系统采样5次后排序，选取中间值作为有效值.在FPGA内部对信号进行FFT运算，应用于对不同频率的目标进行识别.

4 实验

图3 目标运动时传感器的输出Fig.3 The output of the sensor while target movement

当有铁磁性目标在一定范围内经过磁通门传感器时，系统就会获取目标的磁场信号.当目标移动方向和传感器敏感轴方向一致靠近传感器时，首先测到的磁场强度是减小，而后逐渐增大；当目标与传感器在一条线时，寄传感器与目标距离最小时，系统测到的磁场强度为0；当目标继续移动远离传感器时，传感器输出值会先增大后减小为初值，如图3（1）所示.当目标移动方向和传感器敏感轴方向刚好相反时，信号变化方向也会变反，如图3（2）所示.

实验中选体积约为1 cm3的磁铁作为待测磁异目标，将三轴磁通门传感安装于试验台上，磁铁先沿传感器X轴敏感方向反向匀速移动，移动一段距离后改变运动方向，而后读取传感器输出信号值，结果如图4所示.实验结果显示正向运动与反向运动波形对称，与预期的变化一致.

图4 磁通门传感输出信号Fig.4 Fluxgate sensor output signal

5 结 论

本文设计了基于三端式磁通门传感器的铁磁性目标探测系统，系统能感测到铁磁性目标的运动情况，实现了磁性目标的三分量测量.系统具有功耗低、灵敏度高、稳定性好等优点.

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