汪雪蓮 朱旭輝 龔凱（第七一五研究所，杭州，310023）

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抗傾斜小尺寸高精度地磁傳感器研究

汪雪蓮 朱旭輝 龔凱
（第七一五研究所，杭州，310023）

摘要為提高磁通門羅盤的可靠性和測量精度、擴(kuò)大其適用性，對抗傾斜小尺寸高精度地磁傳感器的磁通門羅盤探頭的電路進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)。經(jīng)實(shí)際測量，探頭均能達(dá)到小于0.3°的精度，實(shí)現(xiàn)?20°～20°的抗傾斜，均方誤差精度也小于0.5°。

關(guān)鍵詞地磁傳感器；磁通門羅盤；探頭電路設(shè)計(jì)；高精度

目前方位測定主要有地磁傳感器（也稱地磁羅盤）和慣性導(dǎo)航兩種。慣性導(dǎo)航如陀螺儀是基于感受地球自轉(zhuǎn)角速度來定位的，雖然能實(shí)現(xiàn)高精度定位，但技術(shù)復(fù)雜、價(jià)格高昂、維護(hù)困難、體積大且啟動時(shí)間長，除了遠(yuǎn)洋船艦、飛機(jī)、衛(wèi)星導(dǎo)航定位測地車等少數(shù)貴重載體外，其它很少選用。地磁傳感器是地球范圍內(nèi)以地球自轉(zhuǎn)軸（磁北）為標(biāo)定基準(zhǔn)，大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域唯一可選的定向設(shè)備。磁通門羅盤是地磁傳感器的一種，具有簡單、高精度、高可靠性、響應(yīng)時(shí)間短、小體積、低成本等卓越的綜合特性，優(yōu)于其它地磁測向設(shè)備。磁通門羅盤探頭（以下簡稱磁通門探頭）是磁通門羅盤的核心元件，它決定了磁通門羅盤的主要性能。本文介紹一種抗傾斜小尺寸高精度地磁傳感器磁通門探頭的設(shè)計(jì)方法，及相應(yīng)的具體電路設(shè)計(jì)。

1　磁通門工作原理[1]

磁通門的基本工作原理是電磁感應(yīng)并服從法拉第電磁感應(yīng)定律，下面以簡易模型介紹磁通門的工作原理。在一根軟磁鐵芯上纏繞勵磁線圈和感應(yīng)線圈，鐵芯截面積為S，磁導(dǎo)率為μ，勵磁線圈在鐵芯上建立的勵磁磁場為H～，感應(yīng)線圈的有效匝數(shù)為W2，則感應(yīng)線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為：

這是變壓器理想模型，但實(shí)際由于鐵芯磁化曲線的非線性，勵磁磁場瞬時(shí)值變化難免會引起鐵芯磁導(dǎo)率的變化，因此實(shí)際變壓器的數(shù)學(xué)模型為：

其中勵磁磁場強(qiáng)度：

式中，f1為勵磁頻率。

鐵芯的外加磁場除了勵磁磁場外還有環(huán)境磁場。如果考慮到環(huán)境磁場加在鐵芯軸向的分量H0時(shí)，則感應(yīng)線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)動勢可表示為：

因?yàn)閯畲糯艌鏊矔r(shí)值呈周期性變化，但鐵芯磁導(dǎo)率μ變化無正負(fù)之分，所以μ(t)是偶函數(shù)，表達(dá)式為：

式中，μ0m是μ(t)的常值分量；μ2m、μ4m、μ6m…為μ(t)的偶次諧波分量幅值。

當(dāng)H0比鐵芯飽和磁場強(qiáng)度Hs和勵磁磁場強(qiáng)度幅值Hm都小得多時(shí)，它對鐵芯磁導(dǎo)率μ(t)的影響可以忽略，（3）式末項(xiàng)就是環(huán)境磁場H0引起的感應(yīng)電動勢e的增量e(H0)，則：

式（5）證明只要鐵芯磁導(dǎo)率μ隨勵磁磁場強(qiáng)度而變，感應(yīng)電動勢中就會出現(xiàn)隨環(huán)境磁場強(qiáng)度而變的偶次諧波增量e(H0)，當(dāng)鐵芯處于周期性過飽和工作狀態(tài)時(shí)，e(H0)將顯著增大，磁通門探頭就是利用這一原理來測試地磁場大小和方向的。

2　磁通門探頭的設(shè)計(jì)

測量地磁方位的磁通門羅盤一般采用二維磁通門探頭，本設(shè)計(jì)的磁通門探頭由軟磁材料鐵芯、鐵芯固定支架、繞線骨架、勵磁線圈、感應(yīng)線圈等組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1　磁通門探頭結(jié)構(gòu)示意圖

勵磁線圈每隔90°分匝數(shù)相等的四部分均勻繞在圓環(huán)形鐵芯心上，在圓環(huán)鐵芯心外圍正交的繞制兩路感應(yīng)線圈。

從磁通門工作原理可以看到磁通門探頭是一種變壓器式的器件。只不過有用信號是變壓器不希望出現(xiàn)的磁通門信號，變壓器效應(yīng)感應(yīng)電動勢卻成了對磁通門探頭有害的探頭噪躁聲，在設(shè)計(jì)中要盡量減小。

2.1探頭鐵芯設(shè)計(jì)

2.1.1形狀選擇

對單鐵芯探頭來說，感應(yīng)線圈輸出的磁通門信號相比變壓器效應(yīng)信號非常微弱。為實(shí)現(xiàn)精確測量，必須設(shè)法減小磁通門探頭變壓器效應(yīng)的感應(yīng)電動勢，最好的辦法是設(shè)計(jì)出雙鐵芯差分探頭。通常的辦法是采用兩個平行的單鐵芯探頭，它們的勵磁線圈反向串聯(lián)，感應(yīng)線圈同向組成，才能使變壓器效應(yīng)的感應(yīng)電動勢相抵消，而磁通門信號疊加。這種方法存在鐵芯匹配、安裝困難，由于鐵芯和繞線很難一致，精度不會太高。同時(shí)兩路需要四個匹配的單鐵芯，體積和調(diào)試難度也會加大。

如圖1的磁通門探頭設(shè)計(jì)采用一片圓形鐵芯，勵磁線圈由4組互相正交、大小相等、方向相同串聯(lián)的線圈組成；感應(yīng)線圈由兩組正交的大小相等的線圈組成。勵磁磁場在同一組感應(yīng)線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電流相互抵消，而由于地磁場方向在同一地點(diǎn)是穩(wěn)定不變的，所以它在感應(yīng)線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電流是相互疊加的。對同一片小軟磁圓片材料來說，達(dá)到磁性能相近相對來說是很容易實(shí)現(xiàn)的，這樣設(shè)計(jì)對線圈的一致性要求也降低了很多，從結(jié)構(gòu)上保證了高精度測量。

2.1.2材料選擇

鐵芯是磁通門探頭的核心器件，決定著磁通門探頭的所有性能。磁通門探頭要求軟磁材料具有高磁導(dǎo)率、低矯頑力和損耗、磁性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。比較適合磁通門的軟磁材料有坡莫合金和鈷基非晶合金等，坡莫合金對應(yīng)力比較敏感、加工和熱處理復(fù)雜，鈷基非晶合金具有接近于零的飽和磁致伸縮系數(shù)，對應(yīng)力不敏感，但價(jià)格昂貴。

2.2勵磁線圈和感應(yīng)線圈設(shè)計(jì)

勵磁線圈根據(jù)鐵芯材料的特點(diǎn)和磁化曲線設(shè)計(jì)，線圈產(chǎn)生的勵磁磁場使鐵芯工作在飽和區(qū)附近，這樣地磁場產(chǎn)生的感應(yīng)信號就能達(dá)到最大，最佳圈數(shù)和勵磁電壓可根據(jù)實(shí)際調(diào)整。

感應(yīng)線圈一般根據(jù)最大體積盡可能多的圈數(shù)，以增加探頭靈敏度。但是如果層數(shù)太多，漏磁增加也會帶來噪躁聲，所以最后也是通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行最后調(diào)整。

2.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1骨架設(shè)計(jì)

骨架是安裝鐵芯和繞線的支架，骨架的設(shè)計(jì)核心是定位基準(zhǔn)精確。磁通門探頭由下腔體、上蓋以及限位擋圈等幾個零件組成，這幾個零件全部采用聚碳酸脂注塑成型，限位擋圈的作用是防止鐵芯在腔體內(nèi)部旋轉(zhuǎn)，上蓋和腔體之間配合面均勻涂密封膠，保證腔體內(nèi)密封。腔體和上蓋圓周方向外表面均勻分布8槽，勵磁感應(yīng)線圈繞在槽內(nèi)，結(jié)構(gòu)外圍開小孔用于裝配焊腳，方便羅盤直接裝配在印制板上，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖2　骨架結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.2抗傾斜設(shè)計(jì)

磁通門探頭采用鐵芯漂浮在骨架內(nèi)的液體內(nèi)實(shí)現(xiàn)一定角度的抗傾斜，比起設(shè)計(jì)復(fù)雜的機(jī)械抗傾斜裝置，這種方法更簡單、可靠。由于鐵芯材料是金屬材料，比重偏大，比重大的無毒、絕緣、熔點(diǎn)低于?40℃的溶劑稀有，因此必須通過固定鐵芯保護(hù)殼的設(shè)計(jì)，降低鐵芯套件的比重。受體積的限制鐵芯保護(hù)殼只能超薄，但同時(shí)必須保證一定的剛度和較小的密度。本鐵芯保護(hù)殼采用特定的浮力材料設(shè)計(jì)，既具有一定的剛度又能有效地降低鐵芯套件的比重，使其能漂浮在比重為0.95的無毒硅油溶劑中。

3　電路設(shè)計(jì)

羅盤電路主要包括激勵電路和感應(yīng)信號調(diào)理等電路，其中激勵信號產(chǎn)生激磁線圈的激勵源，感應(yīng)信號調(diào)理電路接收感應(yīng)線圈的信號并經(jīng)處理得到兩路攜帶地磁信息的直流信號。激勵電路由信號發(fā)生器和驅(qū)動電路組成，信號發(fā)生電路產(chǎn)生3～6 kHz的激勵信號，通過驅(qū)動電路驅(qū)動磁傳感器探頭的勵磁線圈，其中原理電路如圖3。

圖3　驅(qū)動電路原理圖

感應(yīng)信號調(diào)理電路由鑒相電路、放大濾波、電平調(diào)整等電路組成，主要實(shí)現(xiàn)接收并檢測感應(yīng)線圈中與地磁場強(qiáng)度有關(guān)的信息，主要原理圖如圖4。

圖4　感應(yīng)信號調(diào)理電路原理圖

4　結(jié)論

經(jīng)測試坡莫合金J79和J85兩種材料的磁通門探頭均能達(dá)到小于0.3°的精度，經(jīng)過?40℃～55℃溫度試驗(yàn)后測試性能穩(wěn)定，能實(shí)現(xiàn)?20°～20°的抗傾斜，均方誤差精度也小于0.5°，具體誤差分布見圖5 J85材料磁通門誤差分布圖和圖6 J79材料磁通門誤差分布圖。

圖5　J85材料磁通門誤差分布圖

圖6　J79材料磁通門誤差分布圖

目前國內(nèi)使用的磁通門探頭采用雙差分磁芯設(shè)計(jì)，匹配調(diào)試復(fù)雜、安裝困難，二維磁通門傳感器采用機(jī)械傾斜，存在加工難度大和體積巨大等問題。本磁通門探頭設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，以此磁通門探頭為基礎(chǔ)元件設(shè)計(jì)的磁通門羅盤具有成本低、精度高、調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，能廣泛應(yīng)用于航海、船舶、工程等需要測向定位的領(lǐng)域，具有廣闊的使用前景。

參考文獻(xiàn) ：

[1]張學(xué)孚, 陸怡良. 磁通門技術(shù)[M]. 北京:國防工業(yè)出版社，1995.