反饋式gmi弱磁傳感器的設(shè)計(jì)

反饋式gmi弱磁傳感器的設(shè)計(jì)

隨著電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，磁敏傳感器在測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。它是電子測(cè)量和先進(jìn)電子控制體系的重要部件之一。從國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來看,由于磁通門傳感器、霍爾傳感器和磁阻傳感器等傳統(tǒng)的磁敏傳感器對(duì)微弱磁場(chǎng)的檢測(cè)不夠理想,而軍事探測(cè)、地質(zhì)勘探、醫(yī)療診斷等眾多領(lǐng)域又對(duì)弱磁檢測(cè)提出了越來越高的要求,故一個(gè)國(guó)家微弱磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)的研究水平在很大程度上反映了該國(guó)磁敏傳感器的發(fā)展水平,具有重要的研究意義。1992年,日本的Mohri等人首先在Co基非晶絲中發(fā)現(xiàn)了巨磁阻抗(Giantmagneto-impedance,GMI)效應(yīng),即非晶材料的交流阻抗隨外界磁場(chǎng)變化而發(fā)生顯著變化的效應(yīng)。利用GMI效應(yīng)設(shè)計(jì)的弱磁傳感器,與傳統(tǒng)的磁敏傳感器相比,具有靈敏度高、體積小、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為弱磁測(cè)量領(lǐng)域的熱門研究方向之一。2002年,日本的愛知鋼鐵公司開始生產(chǎn)集成芯片式的GMI弱磁傳感器;2004年和2008年,日本的名古屋大學(xué)又相繼設(shè)計(jì)出了頻率調(diào)制型和脈寬調(diào)制型的GMI弱磁傳感器;近年來,國(guó)內(nèi)的研究者也取得了一定的研究成果。在對(duì)國(guó)內(nèi)外GMI弱磁傳感器研究現(xiàn)狀的調(diào)研中發(fā)現(xiàn),GMI弱磁傳感器的精度主要取決于傳感器的非線性誤差和遲滯誤差,這些誤差主要由材料本身的特性所決定,很難簡(jiǎn)單地通過優(yōu)化調(diào)理電路的方式予以改進(jìn)。本文通過對(duì)傳感器系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)反饋設(shè)計(jì),使傳感器構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng),有效地減少了傳感器的非線性誤差和遲滯誤差,并且可以提高傳感器的截止頻率,改善其動(dòng)態(tài)特性。1縱向激勵(lì)的激勵(lì)過程本文選用Fe基非晶帶作為敏感材料,Fe基非晶材料和Co基非晶材料相比,具有熱穩(wěn)定性好、線性區(qū)域較大、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。為觀察到Fe基非晶帶的GMI效應(yīng),可采用兩種不同的激勵(lì)方式:環(huán)向激勵(lì)和縱向激勵(lì)。環(huán)向激勵(lì)是指直接向非晶帶通激勵(lì)電流,該電流在非晶帶周圍形成環(huán)形磁場(chǎng)?？v向激勵(lì)是指將線圈纏繞在非晶帶上,給線圈通一定頻率的脈沖激勵(lì)電流,使其產(chǎn)生沿著非晶帶的縱向磁場(chǎng)。與環(huán)向激勵(lì)相比,縱向激勵(lì)方式的激勵(lì)電流不直接進(jìn)入非晶帶,不僅制作工藝更加簡(jiǎn)單,而且可以減少非晶帶本身的熱損耗,更適合用于傳感器敏感頭的設(shè)計(jì)。在縱向激勵(lì)的情況下,線圈中通入脈沖激勵(lì)電流,非晶帶磁化,在激勵(lì)信號(hào)的下降沿,線圈兩端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電壓Ui。由于激勵(lì)信號(hào)為高頻信號(hào),其變化速度遠(yuǎn)大于被測(cè)磁場(chǎng),此時(shí)的Ui為Ui=-NSμ0(1+dM/dH)dHe/dt(1)式中:N為線圈的匝數(shù),S為線圈的橫截面積,μ0為真空磁導(dǎo)率,M為Fe基非晶帶的磁化強(qiáng)度,H為線圈內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度,包括激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度He和被測(cè)磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hex兩部分。對(duì)于一定的電路參數(shù),在每次激勵(lì)信號(hào)的下降沿可認(rèn)為dHe/dt是一個(gè)常數(shù),則Ui只取決于dM/dH。非晶材料作為一種軟鐵材料,其M-H曲線為一條非線性曲線。因此,當(dāng)被測(cè)磁場(chǎng)Hex變化時(shí),會(huì)因H的變化獲得不同的dM/dH值,從而得到變化的Ui,這就是利用縱向激勵(lì)的方式測(cè)量磁場(chǎng)的基本原理。同時(shí),因?yàn)榉蔷Р牧系拇艑?dǎo)率μ也取決于其dM/dH值,而線圈的電感值又取決于其磁導(dǎo)率μ,Ui的變化可以歸于線圈的阻抗值發(fā)生了變化。因此材料的GMI效應(yīng)通常用材料的磁阻抗比值來表示,其定義如下ΔZ/Z=|Z(Hex)?Z(Hmax)|Z(Hmax)×100%(2)ΔΖ/Ζ=|Ζ(Ηex)-Ζ(Ηmax)|Ζ(Ηmax)×100%(2)式中:Z(Hex)為材料在外加磁場(chǎng)大小為Hex時(shí)的阻抗值,Z(Hmax)為材料外加磁場(chǎng)達(dá)到飽和時(shí)的阻抗值。為測(cè)量非晶帶的GMI特性,采用聚四氟乙烯制作空心骨架,用直徑0.08mm的漆包線在骨架上纏繞200匝,將非晶帶(20mm×1mm×20μm)置于骨架內(nèi)部,作為線圈的磁芯,如圖1所示。用HP4294型阻抗分析儀測(cè)量該線圈在不同激勵(lì)頻率下的阻抗值,得到該線圈的阻抗比值曲線,如圖2所示,當(dāng)激勵(lì)頻率在100～500kHz范圍內(nèi)時(shí),線圈的阻抗比值變化趨勢(shì)基本相同,且當(dāng)激勵(lì)頻率為100kHz時(shí)可以得到最大的阻抗比值——900%。但由于激勵(lì)頻率為100kHz時(shí)曲線的線性區(qū)域較短,無法滿足±2.5Oe的量程要求,而為300kHz時(shí)可在2～8Oe范圍內(nèi)得到比較理想的線性度,故選擇300kHz為激勵(lì)頻率。此時(shí),只需用偏置磁鋼提供一個(gè)約5Oe的偏置磁場(chǎng),敏感線圈便可在工作區(qū)間內(nèi)獲得較好的靈敏度與線性度。2反饋式vmi弱磁傳感器電路設(shè)計(jì)2.1深度負(fù)反饋的輸出含有負(fù)反饋的傳感器的傳遞函數(shù)方框圖如圖3所示,Hex為被測(cè)磁場(chǎng),Hf為反饋磁場(chǎng);F為磁場(chǎng)到電壓的轉(zhuǎn)換系數(shù),A為放大電路的放大倍數(shù),B為由輸出電壓到反饋磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)。環(huán)路增益G=|FAB|,當(dāng)G?1時(shí),系統(tǒng)構(gòu)成深度負(fù)反饋,此時(shí)的輸出值Vout為Vout=FA1+FABHex≈1BHex(3)Vout=FA1+FABΗex≈1BΗex(3)由式(3)可以看出,在深度負(fù)反饋系統(tǒng)中,由轉(zhuǎn)換系數(shù)F所引入的非線性誤差和遲滯誤差,以及溫度誤差都將被約去,傳感器精度將明顯提高。含有負(fù)反饋的傳感器的截止頻率fc為fc=fo(1+G)(4)式中:fo為不加負(fù)反饋時(shí)傳感器的截止頻率。由于G?1,傳感器的截止頻率可以得到明顯的提高。2.2反饋電路組成GMI弱磁傳感器的電路部分主要包括脈沖激勵(lì)電路、檢波濾波電路和放大跟隨電路等幾個(gè)部分。脈沖激勵(lì)電路由CMOS集成反相器和合適的電容電阻構(gòu)成;檢波電路采用由肖特基二極管構(gòu)成的峰值檢波電路,用于獲得感應(yīng)信號(hào)的負(fù)峰值;放大電路采用差分放大電路,將檢波得到的負(fù)峰值信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)參考信號(hào)進(jìn)行差分放大,再經(jīng)過電壓跟隨器進(jìn)行阻抗變換,最終得到傳感器的輸出電壓。本文在此電路的基礎(chǔ)上,從傳感器的輸出端引出反饋電壓,將此電壓轉(zhuǎn)化為電流后加在敏感線圈上,形成反饋磁場(chǎng),構(gòu)成負(fù)反饋,其電路原理框圖如圖4所示。為了避免兩級(jí)線圈之間發(fā)生互相耦合,沒有采用激勵(lì)線圈與反饋線圈分離的方式,而是將反饋電流直接加載在激勵(lì)線圈之上。由畢奧-薩伐爾定律可知,線圈內(nèi)部反饋磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為Hf=nI(5)式中:n為單位長(zhǎng)度內(nèi)的線圈匝數(shù),I為線圈中流過電流的大小?？梢?反饋磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度與線圈中流入的反饋電流成正比,為了使反饋磁場(chǎng)的大小與傳感器的反饋電壓成正比,就要求反饋電路為一個(gè)恒流源。所設(shè)計(jì)的反饋電路采用儀用放大電路,將傳感器的輸出信號(hào)Vout與相當(dāng)于無外加磁場(chǎng)時(shí)的輸出電壓Vref進(jìn)行差分放大,儀用放大器的輸出串聯(lián)一個(gè)電阻R和電感L后加在敏感線圈上。R的阻值為200Ω,而線圈的直流電阻只有3Ω左右,其變化量相對(duì)于R可以忽略不計(jì)。因此,可以認(rèn)為儀用放大器的負(fù)載為恒定值,反饋電流的大小與儀用放大器的輸出電壓成正比。電感L的作用是通直流、阻交流:反饋信號(hào)為低頻信號(hào),反饋電流通過L流入線圈基本不受影響;而激勵(lì)信號(hào)為高頻信號(hào),L可阻止激勵(lì)電流流入反饋回路,使其絕大部分流向激勵(lì)線圈。同時(shí),在敏感線圈和檢波電路之間可增加高通濾波電路,用于消除由線圈的內(nèi)阻造成的感應(yīng)信號(hào)平臺(tái)值的抬升或下降。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析為測(cè)試所設(shè)計(jì)傳感器的輸出特性,分別對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)標(biāo)定。靜態(tài)標(biāo)定的實(shí)驗(yàn)過程為:將所設(shè)計(jì)的傳感器放置于Helmholtz線圈之中,使其敏感軸方向與Helmholtz線圈的軸線平行并與地磁場(chǎng)的方向垂直。用標(biāo)準(zhǔn)恒流電源向Helmholtz線圈中通入直流電流,產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng),對(duì)傳感器進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定,傳感器的輸出由NIDAQPad-6016數(shù)據(jù)采集卡讀取。未加反饋和加反饋時(shí)的傳感器輸出特性曲線如圖5所示。將傳感器加反饋前后的各項(xiàng)靜態(tài)特性指標(biāo)對(duì)比列于表1,傳感器在加入了負(fù)反饋模塊之后,靜態(tài)特性得到了改善,尤其是線性度指標(biāo)提高了41%。對(duì)傳感器的輸出穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試,在保證外磁場(chǎng)不變的情況下,記錄傳感器的輸出隨時(shí)間的漂移。加入負(fù)反饋之后,傳感器的輸出在無外加磁場(chǎng)時(shí)隨時(shí)間的漂移為2mV/h,在外加磁場(chǎng)Hex=2.5Oe時(shí)隨時(shí)間的漂移為3mV/h,比不加反饋時(shí)的漂移10～20mV/h有了明顯改善。動(dòng)態(tài)標(biāo)定的實(shí)驗(yàn)過程為:用信號(hào)發(fā)生器和功率放大器向Helmholtz線圈中通入交流電流,不斷改變交流信號(hào)的頻率,通過調(diào)節(jié)功率放大器的增益,使得Helmholtz線圈中電流的峰-峰值保持不變,對(duì)所設(shè)計(jì)的傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定,得到未加反饋和加反饋時(shí)傳感器的幅頻特性曲線如圖6所示。可以看出,傳感器的截止頻率(±3dB)在未加反饋時(shí)約為2kHz,加入負(fù)反饋后提高到了4kHz以上,傳感器