王言章， 李京杰， 刘 维， 赵辰阳， 陈思宇

(1.吉林大学 仪器科学与电气工程学院，吉林 长春 130021；2.吉林大学 地球信息探测仪器教育部重点实验室，吉林 长春 130021)



RTD型磁通门传感器检测系统设计*

王言章1,2， 李京杰1， 刘 维1， 赵辰阳1， 陈思宇1,2

(1.吉林大学 仪器科学与电气工程学院，吉林 长春 130021；2.吉林大学 地球信息探测仪器教育部重点实验室，吉林 长春 130021)

为了对外界静磁场进行检测，设计了滞留时间差(RTD)型磁通门传感器的检测系统。通过对检测系统信号调理电路、数字存储单元以及数据处理算法等方面的设计优化，提高了检测系统的检测精密度和准确度。在电磁屏蔽室中，利用赫姆霍兹线圈给定外磁场，对所设计的检测系统进行测试，实验结果表明:时间差波动小于±0.1 μs，在±5×104nT范围内线性度误差为±0.21 %，灵敏度为22.4 s/T，多次测量标准差不大于0.03，适合用于对静磁场的检测。

磁通门传感器； 滞留时间差； 信号调理； 数据处理

0 引 言

在诸多类型的磁场测量仪器中，磁通门传感器是综合性能最好的一种[1，2]。磁通门传感器具有体积小、灵敏度高、稳定性好、功耗低等优点，在地球和太空磁场测量、人造卫星和导弹的姿态控制、磁法勘探等方面具有广阔的应用前景[3～5]。

磁通门传感器是在周期性交变激励磁场的作用下，使软磁磁芯处于周期性过饱和状态，利用磁通量的变化对其轴向被测磁场进行调制，然后将被测目标磁场转换为电压信号输出的一种磁测技术。传统的偶次谐波型磁通门传感器的探头结构是差分对称的，由于敏感元件制作工艺水平、磁芯材料的性质以及复杂的检测电路所带来的电子噪声等因素，制约了其性能的发展[6，7]。滞留时间差(RTD)型磁通门传感器采用单磁芯结构，对磁通门探头输出信号峰值的时间差进行检测[8]。和偶次谐波型磁通门传感器相比，RTD型磁通门传感器体积小，而且不需要考虑磁芯的聚磁、涡流及对称性等问题，检测电路因避开了相敏检波和积分等环节而得到简化，抗干扰能力增强[9]。

本文设计了RTD型磁通门传感器检测系统，并在电磁屏蔽室中对自制的传感器探头进行了时间差的测量，得到了理想的测量结果。

1 RTD型磁通门的理论分析

RTD型磁通门传感器是单磁芯磁通门，激励线圈与感应线圈缠绕在同一磁芯骨架上,其结构与输出信号的波形如图1所示，其中，Hx为被测磁场，Ie为激励电流。

理想磁芯的静态磁滞回线如图2(a)所示。其中，H为磁场强度，Hc为磁芯矫顽力，B为磁感应强度，Bs为饱和磁感应强度。当加到磁芯轴向的磁场强度|He|

图1 RTD型磁通门传感器的结构与输出信号

图2 RTD型磁通门传感器的工作原理

假设作用于磁芯的激励磁场为周期为Te、幅值为Hm的正弦磁场He=Hmsinωt,其中,ω=2π/Te，磁芯轴向的被测磁场为Hx，则作用在磁芯轴向的总磁场强度为所示

H=Hx+He=Hx+Hmsinωt.

(1)

结合图2，可以得到时间差与被测磁场Hx的关系为

(2)

由式(1)和式(2)可以推出:在一个周期Te中，磁芯处于正饱和与负饱和状态的时间间隔为

(3)

那么,RTD型磁通门传感器输出时间差如式(4)所示

(4)

2 时间差的检测原理与时间差抖动分析

采用将磁通门输出信号迟滞整形并定时计数的检测方法，将磁通门输出信号放大后以VH和VL为阈值迟滞整形为高低电平，对高低电平进行计时来确定磁芯处于正、负饱和状态的时间，以此计算RTD。

由于磁通门探头输出信号的稳定性、电阻的热噪声、运算放大器的电压噪声和电流噪声(CMOS器件可以忽略)[10]、加法电路的偏置电压的波动和比较电路阈值的波动等，造成磁通门信号抖动和比较器阈值抖动，最终导致时间差产生波动。如图3所示，图中实线代表理想情况下的时间差输出信号，虚线表示实际情况下时间差输出信号会产生抖动，即tnoise。

图3 输出信号抖动

针对上述出现的时间差输出信号抖动，为了尽可能地减小时间差输出信号的抖动，对检测电路进行优化，并且设计了数据处理算法对噪声进行处理。

3 检测电路优化

RTD型磁通门传感器检测电路由模拟(信号调理)电路部分和数字(时间差计数存储)电路部分组成。对检测电路进行如下几方面的优化：

1)为了减小检测电路中运算放大器的噪声，选取了噪声只有35nV峰—峰值的超低噪声精密放大器；

2)为了减小加法电路偏置电压的波动，选取了噪声只有1.2μV峰—峰值的超低噪声LDOXFET基准电压源;

3)为了减小比较器阈值的波动，选取了噪声只有1.4μV峰—峰值的超低噪声LDOXFET基准电压源。

4)为了减少外界环境对检测电路的影响，以SD卡直接存储时间差数据代替了电脑串口接收并间接存储数据，避免了外界接地对电路的影响。

优化后的检测电路的模拟部分如图4所示，其中A1～A4放大器为LT1028，C比较器为AD8561，VREF1和VREF2分别由ADR441和ADR443电压基准芯片提供。传感器探头输出信号与Vm+和Vm-相连接入电路，经过前置放大电路(如图4(a)所示)放大和同相加法电路(如图4(b)所示)电压抬升后，经过滞回比较电路(如图4(c)所示)输出载有时间差信息的矩形信号。数字部分由FPGA(主频为200MHz)和MSP430组成，FPGA负责对矩形信号高低电平时间进行计时，由MSP430计算出时间差并进行SD卡存储。

图4 滞留时间差型磁通门检测电路的模拟部分

在电磁屏蔽室内，相同的实验环境下，对优化前后的检测电路进行测试，并通过时间差波动大小对比优化前后电路的性能。通过对比图5和图6明显可以得到：优化前检测电路的时间差波动在±2.5μs左右，优化后时间差波动在±1μs左右，优化后时间差波动明显减小。

图5 优化前检测电路的时间差波动

图6 优化后检测电路的时间差波动

4 检测系统的数据处理算法

在长时间测试测量过程中，由于环境温度的变化、电源电压的波动、地基振动和元器件稳定性(主要是热噪声)等因素，引起传感器探头输出信号抖动和检测电路产生噪声，造成读取的时间差数据中存在疏失误差和随机误差[11]。

针对测量数据中出现的疏失误差(坏值)，采用限幅滤波方法将其判别和剔除。对于每组时间差数据，通过Bessel公式计算出标准差σ，如式(5)所示

(5)

图7 限幅滤波前时间差数据的波动

图8 限幅滤波后时间差数据的波动

针对测量数据中出现的随机误差，由于其具有有界性和对称性的特点，可以采用多次测量取算术平均值的方法来减弱随机误差对测量结果的影响[13,14]，即均值滤波方法。对进行限幅滤波后的每组时间差数据取算术平均值，作为该组数据的时间差数据。通过对比限幅滤波后时间差的波动(如图8所示)和均值滤波处理后时间差的波动(如图9所示)，可以看出：均值滤波算法可以有效地减小时间差数据中的随机误差，处理后的时间差数据波动在±0.1 μs内。

图9 均值滤波后时间差数据的波动

5 实验与测试结果

为了测试所设计的RTD型磁通门传感器检测系统的性能，对一组外磁场进行测量。将传感器探头置于电磁屏蔽室中的麦克斯韦线圈(用于产生被测外磁场)内，使用所设计的检测系统对磁通门探头输出信号进行测量和数据处理。

实验中，给定的激励信号为频率为300 Hz、幅值为40 mA的正弦电流信号。每秒存储300个时间差数据，数据处理中每300个数据为一组进行处理。图10为时间差数据随被测磁场变化的测试图。由图10可以得到，在±50 000 nT范围内具有很好的线性度。被测磁场在±50 000 nT范围内变化时，时间差的变化大约为±1 122 μs。

图10 时间差随被测磁场变化的测试图

对时间差数据应用线性回归技术(最小二乘法)进行曲线拟合。给定n个数据点(xi,yi)(i=1,2,…,n)，假设线性拟合多项式为y=ax+b(a≠0)，则各数据点到拟合曲线的偏差平方和如式(6)所示

(6)

使d2=min(d2)，代入时间差数据求得a=0.022 4,b=4.040 6,即在±50 000 nT范围内，时间差ΔT与被测磁场Hx的关系式为ΔT=0.022 4Hx+4.040 6，线性度误差为γl=±0.11 %，传感器灵敏度约为22.4 s/T。

每隔5 000 nT选取一组待测磁场，对每个待测磁场进行多次测量，重复性测量误差较小，样本标准差不大于0.03，测量结果比较理想。测量结果及计算出的样本标准差如表1所示。

表1 不同被测磁场下多次测量结果与样本标准差

Tab 1 Multiple measurements results under different magnetic field and standard deviation of sample

Hx(nT)ΔT(μs)标准差S500001122.11791122.13181122.10071122.14181122.09941122.11590.0168450001010.06281010.08691010.07821010.06091010.02521010.06300.021140000899.7107899.6692899.7279899.7054899.7168899.73220.022635000789.3279789.3270789.3183789.3285789.3294789.33660.005930000678.8909678.8686678.9061678.8880678.8898678.90190.013125000567.1618567.1513567.1521567.1729567.1784567.15410.011520000454.9151454.9261454.9402454.8952454.9092454.90490.016015000342.6880342.6832342.6946342.6986342.6972342.66620.012210000230.2609230.2364230.2664230.2624230.2661230.27290.01275000117.5102117.4986117.5285117.5197117.4985117.50580.012003.75413.76253.74763.75273.75493.75290.0048-5000-109.6262-109.6029-109.6258-109.6407-109.6150-109.64630.0160-10000-222.2665-222.2673-222.2642-222.2671-222.2587-222.27540.0054-15000-335.0474-335.0264-335.0527-335.0593-335.0426-335.05830.0123-20000-446.8633-446.8591-446.8499-446.8688-446.8818-446.85700.0110-25000-559.3833-559.3792-559.3960-559.4022-559.3774-559.36160.0144-30000-670.9705-670.9830-670.9474-670.9620-671.0049-670.95550.0208-35000-781.5557-781.5547-781.5601-781.5536-781.5767-781.53320.0139-40000-891.3556-891.3401-891.3570-891.3520-891.3635-891.36540.0091-45000-1001.0527-1001.0579-1001.0637-1001.0602-1001.0392-1001.04260.0099-50000-1113.4267-1113.3829-1113.4137-1113.4471-1113.4633-1113.42640.0277

6 结 论

本文设计了由优化后的检测电路和限幅均值滤波算法组成的RTD型磁通门传感器检测系统，并通过实验室自制的RTD型磁通门传感器探头在电磁屏蔽室对系统进行实验测试。实验结果表明:时间差波动在±0.1 μs内，在±5×104nT范围内灵敏度为22.4 s/T，多次测量标准差不大于0.03，适合用于对静磁场的检测。

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李京杰，通讯作者,E—mail:1569394708@qq.com。

Design of detection system for RTD fluxgate sensor*

WANG Yan-zhang1,2, LI Jing-jie1, LIU Wei1, ZHAO Chen-yang1, CHEN Si-yu1,2

(1.College of Instrumentation & Electrical Engineering,Jilin University,Changchun 130021,China;2.Key Laboratory of Geo-Exploration Instrumentation,Ministry of Education, Jilin University,Changchun 130021,China)

To measure static magnetic field, a detection system for residence times difference(RTD)fluxgate sensor is developed.To improve the precision and accuracy of the detection system,the design optimization of the system is carried out in three aspects of signal conditioning circuit,data storage and processing algorithm.In electromagnetic shielding enclosure,the detection system is tested on self-designed detector with given external field by Helmholtz coil.Results show that in the range of ±5×104nT,the fluctuation of time difference is less than ±0.1 μs,linearity error is±0.21 %,sensitivity is 22.4 ns/nT and repetitive error is not more than 0.03,which is suitable for the detection of static magnetic field.

fluxgate sensor; residence time difference(RTD); signal conditioning; data processing

2015—02—29

国家自然科学基金资助项目(41274183)； 吉林大学大学生创新项目(2014A65294)

10.13873/J.1000—9787(2015)09—0104—04

TP 212

A

1000—9787(2015)09—0104—04

王言章(1979-)，男，山东菏泽人，副教授，主要研究方向为弱磁信号检测、地球电磁探测仪器和数字信号处理。