毕业论文磁通门传感器.docx

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毕业论文磁通门传感器

摘要

三分量磁通门地磁场检测装置是应用磁通门传感器对地磁场进行测量的矢量检测装置。

与其它类型测磁仪器相比，磁通门传感器具有分辨率高，测量弱磁场围宽，体积小、重量轻、功耗低，经济性好，能够直接测量磁场的失量和适于在高速运动系统中使用等特点，被广泛应用于各种领域。

本文分析了磁通门传感器的工作原理，详细论述了如何采用数字检波的方法进行信号处理.本文还介绍了三分量地磁场检测装置硬件电路的设计和单片机程序。

检测装置主要由三分量磁通门传感器、单片机最小系统、A/D数据采集电路和串口电路构成。

三分量磁通门传感器检测到磁场的矢量大小，输出信号经过有源滤波器和放大器处理后得到三路幅度与磁场各分量大小成正比的正弦信号。

A/D同时对三路信号进行4倍频采样，将两个周期的采样数据传送到单片机，然后单片机通过串行端口将数据发送到计算机，最后由计算机完成数据的处理和分析。

关键词三分量地磁场数字检波数据采集串行端口

TheDesignofGeomagneticFieldDetectionDeviceBasedonThree-componentFluxgateSensors

Abstrat

Thethree-componentfluxgategeoamagneticfielddetectiondeviceisakindofvectordetectiondevicewhichcanmeasurethegeoamagneticfielddirectly.Comparedwithotherinstrumentswhichcanmeasuregeomagneticfield,thefluxgatesensorhasthevirtueofsmallsize,lightweight,lowpowerconsumptionandgoodeconomy,isusedwidelyindifferentfields.

Thispaperintroducestheworkingprincipleofthefluxgatesensorandthedigitaldemodulationmethodindetail.Thedesignofhardwarecircuitofthethree-componentfluxgategeomagneticfielddetectiondeviceandprogammingofMCUarealsointroducedinthispaper.Thedetectiondeviceconsistsofthree-componentfluxgatesensors,MCUsystem,A/Ddataacquisitioncircuitandportcommunicationcircuit.Themagneticvectorisdetectedbythethree-componentfluxgatesensors,signalsoutputfromthesenorsareprocessedbyactivefiltersandamplifiers.Thentherearethreesinusoidalsignals,whoseamplitudeareproportionaltothemagnitudeofgeomagneticfieldcomponent.TheA/Dconvertorproduces4pointssamplingsignals,andtransmitsdataoftwocyclestoCPU,thenCPUsendthedatatocomputerviatheport.Finally,thedataisprocessedandanalyzedbycomputer.

KeywordsthreecomponentsgeomagneticfieldDigitaldemodulationDataAcquisitionComPort

1绪论

1.1研究三分量磁通门地磁场检测装置的目的和意义

在介绍三分量磁通门地磁场检测装置之前，首先介绍一下它的研究目的和意义。

检测装置主要是通过检测地磁场的大小来寻找铁磁性物质的。

铁磁性物质中很重要的一类就是铁。

我国是最早发现和使用铁的国家，同时铁也是世界上发现并使用最早的一种金属材料。

世界铁资源丰富，据美国地质调查所和矿业局1996年1月的统计，世界铁矿石资源量超过8000亿吨，折合金属量超过2300亿吨。

1995年世界铁矿石储量1500亿吨、储量基础2300亿吨，折合铁金属量分别为650亿吨、1000亿吨。

我国铁金属储量73.29亿吨，应在俄罗斯、澳大利亚、加拿大、巴西之后居世界第5位。

截至1996年底，全国共查明铁矿产地1834处。

累计探明铁矿石储量504.78亿吨，按全国铁矿石平均含铁品位33%计算，铁金属量为166.58亿吨。

扣除历年开采与损失，尚保有铁矿石储量463.47亿吨，铁金属152.95亿吨。

根据80年代中期地质科研部门对我国铁矿资源的预测，将全国大陆划分为17个预测区，共有有望航磁异常区1084处，预测资源潜力606亿t。

其中11个预测区分布在东经105°线以东地区，有望航磁异常区754处，预测资源潜力为317亿t，东部地区找矿程度较高，预测资源多以隐伏矿或盲矿体分布在已知矿带的深部和周边部。

东经105°线以区，包括6个预测区，有望航磁异常330处，预测资源潜力为289亿t，西部地区找矿和研究工作程度较低或很低，尚有发现新矿区的前景。

中国的铁矿资源很丰富，但铁矿石进口量却居世界第一。

近年来，中国主要进口铁矿石的一些来源国不断调高铁矿石的出口价格。

面对这种形势，中国自己开采铁矿的需求越来越迫切。

中国铁矿资源有两个特点：

一是贫矿多，贫矿出储量占总储量的80%；二是多元素共生的复合矿石较多。

此外矿体复杂；有些贫铁矿床上部为赤铁矿，下部为磁铁矿。

因此，开采铁矿不能漫无目的，我们需要有效的探测手段确保有价值的开采，所以地磁检测装置的研究是非常必要的。

本文要介绍的基于三分量磁通门测磁法的地磁检测装置就是一种高效的测磁手段。

磁通门测磁法问世后不久，在第二次世界大战中就被应用于探雷、探潜等方面，战后又被广泛应用于地面磁场研究、航空磁测、地震预报研究、地下矿床勘探、生物医学研究、星际间磁测等领域。

几十年来，尽管测量磁场的新方法不断涌现，磁通门传感器仍以其测量灵敏度高、坚固小巧、使用灵活、工作可靠，电路功耗低、结构简单等显著优点，被普遍应用于弱磁场测量领域。

目前地磁测量所使用的测磁仪器多数是进口产品，价格昂贵，维修比较困难。

基于该现状，本文主要介绍一种新型地磁检测装置。

该检测装置电路简单，测量数据的处理完全数字化，操作方便，成本较低，设计模块化，并且易于维修。

而且，与大多数测磁仪器相比，检测装置的功耗非常低，采用±12V外部电源供电，测量数据可以通过串口发送到计算机进行处理和分析，方便研究。

下面先介绍一下各种测磁仪器。

1.2各种测磁仪器

测磁仪器根据采用磁敏传感器的种类分为很多种。

已经被淘汰的是采用机械式磁敏传感器的机械式磁力仪；目前应用比较广泛的磁敏传感器有磁通门式磁敏传感器、质子旋进式磁敏传感器、光泵式磁敏传感器、SQUID（超导量子干涉器）磁敏传感器、光纤式磁敏传感器、半导体磁敏传感器；处于研究、试验阶段的测磁仪器有固体电子自旋共振磁力仪、原子磁力仪等。

下面就以下几种测磁仪器做简单介绍：

机械式磁力仪（mechanicalmagnetometer）又称作磁秤，利用一个可绕固定轴自由旋转的磁棒，其偏转角的大小与外磁场强度成比例的关系来测量磁场大小。

利用磁棒放置位置的不同可以分别测定垂直磁异常和水平磁异常，其相应的仪器为垂直磁秤和水平磁秤。

由于是用重力矩来平衡磁力矩，所以只能测垂直（或水平）地磁场相对于一个固定点的改变值。

从制造工艺上讲，要采用精度很高的设备加工机械零件和光学零件，调试过程也比较复杂。

总之，无论是操作使用还是制造工艺，跟电子测磁仪器相比，都很复杂。

机械式磁力仪于1991年停产，取而代之的是电子磁力仪。

超导磁力仪（superconductingmagnetometer,SQUID）是利用约瑟夫逊效应测量磁场的测磁仪器。

测量仪器应用了超导量子干涉器。

采用超导材料制成的闭合环对外磁场会产生周期效应，其磁通变化与外磁场变化成正比。

超导磁力仪正是利用这个原理来测量磁场的。

这种仪器的灵敏度可达10-5～10-6纳特。

可制成航空磁力梯度仪，也可用于地面磁场的研究及弱磁性岩石的磁性测定。

常用在对测量精度要求高的地方，成本相对稍高一些。

质子磁力仪（protonprecessionmagnetometer）是应用质子旋进式磁敏传感器制成的测磁仪器。

氢原子核的质子是一种带有正电荷的粒子，其本身在不停地自旋，具有一定的磁性。

在外磁场的作用下自旋质子将按一定方向排列，称为核子顺磁性。

但其磁性甚微，只是在一些磁化率很低的逆磁性物质中才能反映出来，如某些碳氢氧化合物液体（水、酒精、甘油等）。

在这些样品中质子受某强磁场激发而具有—定方向排列，去掉外磁场，则质子在地磁场作用下将以同—相位绕地磁场T旋进，其旋进频率f与地磁场T有以下关系：

T=2.34872f，单位为纳特。

当测定出频率f以后即可计算出总磁场强度T的数值。

利用这种原理制成的仪器称为质子旋进式磁力仪，或称核子旋进式磁力仪。

质子旋进磁力仪稳定性好。

温度影响小、没有零点掉格、精度高，可观测弱磁异常工作时不必准确定向，适于在运动状态下观测。

仪器灵敏度一般为0.1纳特。

但这类仪器的使用要受到磁场梯度围的限制，常用于地面、航空和海洋磁测等一些要求准确测量出绝对磁场大小的研究领域。

我国生产的这类仪器有302型海空核子旋进磁力仪灵敏度可达0.1纳特，CHD型地面核子旋进磁力仪灵敏度可达0.15纳特。

光泵磁力仪（opticalpumpingmagnetometer）是应用光泵式磁敏传感器制成的测磁仪器。

因为由光泵作用排列好的原子磁矩，在特定频率的交变电磁场的作用下，又将产生共振吸收作用，打乱原子的排列情况。

发生共振吸收现象的电磁场的频率与样品所在点的外磁场强度成一比例关系，故测定这一频率就可以测出外磁场的值。

常用的工作元素有；铷（Rb87，Rb85）；铯（Cs133）；氦（He4，He3）等。

光泵磁力仪按线路结构特点又可分为跟踪式及自激式两大类。

这类磁力仪的特点是灵敏度高，可达0.001纳特。

可以测定总磁场强度的绝对值，没有零点掉格及温度影响，工作时不需准确定向，适于在运动条件下进行高精度快速连续测量，如航空磁测和海洋磁测等。

磁通门磁力仪（fluxgatemagnetometer，FGM），又称饱和式磁力仪。

它是一种电子磁力仪。

它利用高磁导率的坡莫合金作灵敏元件，在弱磁场中就能达到磁饱和。

灵敏元件的磁芯为闭合磁路，在其两边绕以匝数相同、绕向相反的激励绕组，外侧是输出绕组。

对激励绕组给以交变电压，使灵敏元件达到近于饱和，若无外磁场存在，则两边磁芯产生的磁通波形对称而反向，这时讯号绕组将没有感应电压输出。

当沿元件轴向存在有外磁场，则两边磁芯在正、负半周饱和程度不一，产生的磁通量不能互相抵消，将有感应电压脉冲输出。

其幅度与外磁场大小成正比，据此即可测定外磁场的大小。

可用于地面、航空或井中磁测。

由上面的介绍可以看出磁通门测磁仪器有它自身的优势，是其他测磁仪器无法替代的。

磁通门是第一种实际投入使用的电子式磁力仪。

现在的磁通门测磁仪器做得非常小型化，携带方便，仪器使用简单，成本相对比较低，因此在一般测量中使用的较多。

1.3磁通门测磁仪器的研究现状

磁通门测磁仪器是利用磁芯在交变磁场激励下发生导磁特性变化从而调制被测磁场，通过对调制信号的检测实现对外磁场的测量。

磁通门测磁法以其测量围宽、分辨率高、频带宽及经济实用的特点，早在20世纪30年代就开始应用于地磁测量，经过后来的不断完善与发展，目前已成为国际地磁相对记录的主流设备。

第一台磁通门磁力仪产生于20世纪30年代，迄今己有多种不同类型的磁通门磁力仪。

因其分辨率、频率响应、动态围和线性特性都能满足记录地磁场各分量变化的要求，具有轻便、价格低廉、安装调试简单和容易实现数字化等特点，所以世界大多数地磁台站都使用磁通门测磁仪器作为变化磁场的记录仪器，代替了传统的磁变仪。

国际上比较有代表性的磁通门磁力仪有加拿大的FM20型和CANMOS型磁通门磁力仪、奥地利的CHIMAG型磁通门磁力仪、英国的FLARE磁通门磁力仪、美国的SMALL磁通门磁力仪。

这些磁通门磁力仪代表了该仪器技术的先进水平，它们都具有低噪声、采样率高、温度性能良好、数字化等特点。

在我国，早在20世纪80年代就开始将磁通门磁力仪应用于地磁观测的技术研究。

在2002年时中国地震局地球物理研究所己经研制成功了GM-1型、GM-2型单向模拟记录磁通门磁力仪和GM3型三分量数字记录磁通门磁力仪。

但由于仪器的长期稳定性、温度特性等还不能满足地磁台站日常观测的基本要求，所以未能得到广泛应用。

因此降低仪器的温度系数、提高仪器的稳定性，降低安装的复杂程度、减小仪器的体积、提高仪器的自动化程度一直是仪器研制者持续开发与改进的目标。

本文讨论的这种三分量磁通门地磁场将测装置具有的主要特点是体积小、安装简单、稳定性高，由于它可以同时测量磁场在三个方向的分量，然后进行矢量合成，所以测得的数据有很高的可靠性。

2检测装置的工作原理

2.1磁通门传感器的工作原理

磁通门传感器就是利用某些高磁导率的软磁材料（如坡莫合金）作磁芯，以其一起在交流磁场作用下的次饱和特性及法拉第电磁感应原理研制成的测磁装置。

其结构可以看成一个特殊的变压器，磁通门测磁是利用这种特殊变压器的磁芯，当交变电流流过该变压器原边线圈时，磁芯反复被交变过饱和励磁所磁化，当有外磁场存在时，励磁变得不对称，变压器的输出信号受到外磁场的调制。

通过检测输出的调制信号就可以实现对外磁场的测量。

磁通门探头的输出主要是激励信号的二次谐波，需要经过处理得到测量数据。

根据磁通门传感器的磁芯几何形状分为闭合式和非闭合式两类：

从这几种磁芯的性能来说，以圆形较好，跑道形次之。

在磁场的分量测量中，用跑道形磁芯（如图2.1）较多。

跑道型磁芯的长轴场边尺寸远大于短轴尺寸，因此，认为跑道型磁芯仅被延长轴方向的磁场所磁化。

在实际应用中，也仅用它来测量延长轴方向的磁场分量。

图2.1所示为跑道型磁芯的二次谐波法测磁原理。

图2.1跑道型磁芯机构示意图

1—灵敏元件架；2—初级线圈

3—输出线圈；4—坡莫合金环

若在跑道形磁芯的彼此平行的两长边上，分别绕一组匝数相同的线圈L1、L2，同向串联作为激励线圈；在L1、L2外侧绕一公用的测量线圈Ls。

在激励线圈中输入正弦交变电流I=Imsinωt，假定L1中磁场H1=2Hmsinωt，L2中磁场H2=-2Hmsinωt。

传感器的输出电压如图2.2（d）所示，可以表示成下面的分段函数的形式：

2.1

Es是属周期性的重复脉冲，故可用富氏分解法计算Es的二次谐波分量：

2.2

图2.2磁通门式磁敏传感器测磁原理

（a）软磁材料动态磁回滞曲线的理想化模型

（b）外加磁场时，两线圈中的磁场不再对称

（c）外加磁场时，两线圈中磁场出现饱和段

（d）传感器在正弦波激励时的理论输出波形

2.2检测装置的工作原理

三分量磁通门地磁场检测装置主要利用法拉第电磁感应原理实现对地磁场的检测。

传感器将地磁信号转化为电信号，检测装置通过检测这种电信号来判断地磁信号大小，进而判断检测地点的状况。

实现这种判断主要依靠三分量磁通门传感器，它的每个传感器都采用双铁芯结构，在两根铁芯上缠绕的激励线圈反向串联（如图2.1所示），励磁电流通过激励线圈时，在两铁芯中产生的激励磁场方向相反，若两铁芯形状尺寸和电磁场参数完全对称，两铁芯中的磁通在测量线圈中产生的感应电势互相抵消，输出为零；当沿铁芯长轴方向施加外部磁场时，其中一个铁芯的磁场先于另一个达到饱和，造成测量线圈中的感应电势不能互相抵消，输出非对称的波形，波形的主要成分是激励信号的二次谐波。

由于外磁场产生的感应电势的幅值与外磁场大小成正比，可通过测量输出信号的二次谐波分量来测量外磁场。

为便于研究，将式2.2改写成如下形式：

2.3

传统的处理方法是采用模拟电路进行相敏检波，具体做法是：

用两路频率与ES相同的参考信号，两者相位相差90度，假设分别为

和

，这时ES与参考信号相比有一个相移

，表达为示成式2.4的形式：

2.4

ES分别乘以参考信号，得到如下结果：

2.5

2.6

2.7

2.8

2.9

传统的方法要通过硬件电路实现模拟信号的乘法运算和积分运算，这对乘法器和积分电路的精度等参数要求很高，而且要求参考信号的幅度稳定，两参考信号的相位差必须保证是90度。

这种处理方法数字化程度低,信号处理过程中易受干扰，所以设计采用数字检波的方法。

下面详细论述如何采用数字检波的方法得到测量数据：

首先，我们不用正弦波作参考信号，换作与正弦波参考信号相位相同的方波

和

：

2.10

2.11

我们对信号进行4倍频采样，采样点设为

，

，

，

。

在这里，我们假设

为初始采样点的相位。

那么，原信号可以表示为：

2.12

2.13

2.14

2.15

2.16

其一，

2.17

采样信号为

2.18

其二，

2.19

采样信号为

2.20

对这两种信号分别进行采样求和后取平均值（与模拟信号的积分类似），得到以下结果：

2.21

2.22

对采样信号进行求和去均值运算，相当于对原信号进行以下处理：

2.23

2.24

式中

为采样周期，即

。

经过上述分析，我们可以通过下面的计算得到最终的结果：

2.25

2.3地磁检测装置的主要功能

三分量磁通门地磁场检测装置主要是通过检测地磁场在三个互相垂直的方向上的分量来测量地磁场总场强度的。

三分量磁通门式磁敏传感器能检测到地磁场的各个分量被调制后的信号，经选频放大电路得到幅值与分量大小成正比的二次谐波，用16位A/D对这些信号进行4倍频采样，通过外部中断的方式将采样数据分别送入单片机，单片机在读够两个周期的采样数据（共三组，每组16个字节即8个16位数据）后，经MAX232进行电平转换通过串口发送的方式将数据送到计算机，有计算机完成最终的数据处理和分析。

3三分量磁通门地磁场检测装置的硬件电路设计

3.1前置检测电路的设计

前置检测电路的原理方框图如下：

图3.1前置检测电路原理框图

分频电路采用20MHz晶振，分频输出用212倍分频作为驱动电路的输入信号，经功率放大用作传感器激励信号；29倍分频经信号转换电路整形，用作A/D转换的时钟信号。

下面具体介绍一下各部分电路：

分频电路和信号转换电路的设计：

磁通门传感器需要5kHz激励信号，需要有振荡电路为其提供频率源。

石英晶振振荡器产生的信号频率为20MHz，需要进行4000倍（约2^12=4096倍）分频。

同时，A/D进行4倍频采样，需要40kHz的时钟信号，并且要求占空比接近100%（详见AD7656工作时序），所以分频器的29倍分频输出需要接信号转换电路。

分频器采用14位二进制计数\分频器74HC4060，电路原理图如图3.2。

图中13脚为29倍分频输出，1nF电容和1.6k电阻形成微分电路，和与非门整形电路构成信号转换电路，为A/D转换电路提供启动信号。

图3.2分频电路及信号转换电路

驱动电路的设计：

分频器输出带载能力较弱，不能直接用作激励因此需要驱动电路进行功率放大。

理想的激励信号应该是频率为5kHz、幅度为3V的正弦波，要求正弦波的幅度非常稳定，所以实际激励信号采用5kHz的方波，幅度为3v。

分频器的输出幅度约为6V，经5.6k缓冲电阻减压，功放电路输出幅度约为4V，需要进行变压处理，电路设计如图3.3：

图中的隔离线圈是手工绕制成的，其中，初级线圈的计算匝数为：

≈29匝（式中

为线圈两端交流电压的幅度，取4V；

为信号频率，取4.88×10^3Hz；B为磁环磁通量，一般取0.3Wb，A为磁环截面积，取2.4×10^-5

），实际绕了50匝，次级为40匝。

图3.3驱动电路

选频放大电路的设计：

测量需要传感器输出的二次谐波成分，因此，传感器的输出信号不能直接进行放大、采样，必须经过带通滤波器滤出二次谐波，放大后在进行采样处理。

滤波器的设计采用压控电压源型二阶带通滤波器，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低，而且电路结构简单。

滤波器要求的设计参数为：

中心频率为10kHz，Q值为10，对中心频率的放大倍数为30倍。

实际电路形式如图3.4所示。

传感器的输出信号经滤波处理后其幅度不足以进行采样，故加一级放大。

图3.4选频放大电路

仿真结果如下图所示：

图3.5带通滤波器伯德图仿真结果

从上图可以看到，滤波器设计合理，而且仿真结果接近设计目标，实际仿真参数如下：

中心频率为9.573kHz，Q值为9.4，中心频率出放大倍数为28.548dB（26.75倍），对二次谐波（实际频率为9.76kHz）的放大倍数为27.645dB（24.15倍），符合设计要求。

3.216位A/D转换器4倍频采样的硬件设计

根据A/D采集电路的设计要求选择合适的A/D：

由于课题设计要求A/D实现对二次谐波的四倍频采样，所以，所选A/D的转换速率必须在40kHz以上；分辨率课题要求16位以上；由于采样频率必须精确为四倍频，因此A/D采样率应该可变；由于是对交流信号采样，故A/D应能进行正负采样；课题要实现三分量测量，有三路信号输入，要求同时对三路信号采样，故要求A/D能实现三路以上同时采样。

根据以上要求，最终选择逐次逼近型16位A/D数据采集电路AD7656。

AD7656的最高采样频率可达到250kHz，属于逐次逼近型，采样频率可变，通过转换使能脚输入启动信号，控制六个通道同时进行数据转换，这里我们只用其中三个通道。

各通道的转换结果在每次转换结束后可通过16位并行数据线依次传送到单片机。

图3.6是AD7656的工作时序图：

图3.6AD7656的时序图

3.2.2A/D采集电路的设计：

图3.7AD7656部结构框图

从AD7656的部结构图和时序图可以看出，AD7656既可以用硬件电路控制，也可以通过软件编程来操作，使用起来方便灵活。

使用软件操作时，数据的传输可以以字节的形式，即进行8位数据的并行传输（详见AD7656资料翻译中的管脚说明），此时的工作时序如图3.8所示。

考虑到数据传输的效率，我们需要16位数据并行传输，采用硬件电路控制即可,数据的读取采用硬件中断的方法。

具体的电路形式如图3.9所示。

在图中，为保证电路看起来清楚、方便，电路中所有AD7656的电源引脚都没有连接。

在此加以说明：

AVCC和DVCC均接+5V电源，AGND和DGND分别接数字地和模拟地（实际电路对模拟和数字接地并没有加以区分），VSS接-9V电源，VDD接+9V电源，其余管脚做悬空处理。

图3.8AD7656采用字节传送方