图1 HMC1021Z芯片上的元件[13]
Fig. 1 Components on HMC1021Z chip[13]
北京大学学报(自然科学版) 第61卷 第3期 2025年5月
Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, Vol. 61, No. 3 (May 2025)
doi: 10.13209/j.0479-8023.2025.039
中国子午工程二期项目(8201701679)和国家重大科研仪器研制项目(42127803)资助
收稿日期: 2024–03–30;
修回日期: 2024–07–13
摘要 针对磁源目标识别任务中对大量程、低噪声矢量磁场探测系统的需求, 提出一种基于磁阻传感器HMC1021Z 的矢量磁强计。经过实验测试, 该矢量磁强计的磁场探测量程可以高达±6×105nT, 同时具有较高的线性度, 非线性误差≤5.6‱; 方均根(RMS)噪声为 1.2611nT; 功率谱密度(PSD)噪声为 0.8nT/√Hz@1Hz; −3dB 带宽为 DC～8Hz。因此, 所提出的矢量磁强计能够满足磁源目标识别任务中大量程、低噪声的磁场探测需求。
关键词 磁阻传感器; 矢量磁强计; 大量程; 低噪声; 磁源目标识别
磁阻传感器因具有高灵敏度和抗干扰的特点, 在工业、交通、仪器仪表、医疗器械和探矿等领域得到广泛应用[1–2]。例如, 对长距离管道进行腐蚀磁异常检测和精确定位[3–4]、车辆检测[5]、磁导引[6]、铁矿矿浆浓度检测[7–8]、磁三分量测井仪[1]和体内胶囊内窥镜磁场定位[9]等。在这些应用场景, 为了提高对远距离磁源的识别能力, 需要低噪声磁强计; 当磁源目标较强或距离较近时, 为了避免磁强计出现饱和与识别盲区, 磁强计又需要大量程。此外, 磁源目标产生的磁场与地磁场相互叠加, 结果可能会高出地磁场一个量级。因此, 针对现有磁场探测系统在量程范围和噪声水平方面存在的技术瓶颈, 亟需开展大量程、低噪声矢量磁强计的研制工作。
在磁源目标识别领域, 目前主要采用 3 类具有低成本、大量程特性的磁强计: 霍尔传感器、感应式传感器以及磁阻传感器。磁阻传感器在灵敏度、噪声和资源消耗等方面明显优于霍尔传感器。尽管感应式传感器的噪声比磁阻传感器小, 但磁阻传感器具有低成本、低资源消耗等优势, 还具有从直流开始的频率响应, 亦适用于静态磁源目标的识别。
为满足磁源目标识别领域大量程和低噪声的磁场探测需求, 本文提出一种基于低成本磁阻传感器 HMC1021Z 的大量程、低噪声矢量磁强计。该矢量磁强计的磁场探测范围为±6×105nT, 约为地磁场的 10 倍以上; 方均根(RMS)噪声为 1.2611nT; 功率谱密度(PSD)噪声为 0.8nT/√Hz@1Hz。
磁阻传感器具有低功耗、低成本、小尺寸、高可靠性和低噪声等优点, 已成为磁源目标识别的理想选择器件[3,10]。磁阻类传感器可分为巨磁阻、隧道磁阻和各向异性磁阻传感器 3 类。巨磁阻传感器和隧道磁阻传感器的噪声通常高于各向异性磁阻传感器。各向异性磁阻传感器具有两种重要的影响低频测量的噪声类型: 1/f噪声和白噪声。1/f噪声通常采用“翻转调制”(通过应用大的双极磁场脉冲对传感器进行周期性再磁化)技术, 即斩波放大方式来抑制。各向异性磁阻传感器一般基于坡莫合金制作。坡莫合金是一类 NiFe 合金(如 80:20), 因其较大的各向异性磁阻比、优异的软磁性能和非常小的磁致伸缩常数, 成为各向异性磁阻传感器的常用材料。坡莫合金薄膜的最大电阻变化通常在 2%～3%之间, 因此本征噪声为各向异性磁阻传感器性能的关键限制因素[11]。所以, 各向异性磁阻传感器的噪声和量程很难兼顾。以美国 Honywell公司生产的磁阻传感器 HMC1001 和 HMC1021Z 为例, HMC1001的噪声为 29nV/√Hz@1Hz, 量程为± 2×105nT, 偏置电流带系数为 0.51mA/μT; HMC1021Z 的噪声为 48nV/√Hz@1Hz, 量程为±6×105nT, 偏置电流带系数为 0.05mA/μT。尽管HMC1021Z 的固有噪声水平比HMC1001 大, 但其总体性能更优越, 量程是HMC1001 的 3 倍; 偏置电流带系数是 HMC1001 的1/10。这使得闭环工作模式下的传感器 HMC1021Z的功耗显著降低[12]。
综合考虑, 本文采用 HMC1021Z 磁阻传感器。该传感器是在硅片上电镀一层坡莫合金薄膜, 并将薄膜图案化为 4 条电阻臂, 组成一个简单的惠斯通电阻桥(图 1)。当存在外加磁场时, 电桥电阻的变化会使电压输出产生相应的变化[13]。只需施加一个供电电压, 即可通过测量两个输出端的差分电压, 得到沿敏感轴方向的磁场。
本文提出的基于 HMC1021Z 的大量程、低噪声磁强计的电路原理如图 2 所示。HMC1021Z 的内部结构包括一个惠斯通电桥结构的磁电阻、一个偏置电流带和一个置位/复位电流带。与其他结构相比, 惠斯通电桥结构可以获得更佳的灵敏度和线性度[14]。惠斯通电桥的输出电压只有毫伏级别, 本文选择 AD620 作为放大元件。激励电路输出峰值为 5 V, 频率为 2kHz, 占空比为 50%的方波信号。激励电路的输出一路送至相敏解调电路, 作为相敏解调的同步信号, 另一路经过功率放大电路以及置位或复位电路后变成峰峰值为 24V、频率为 2kHz、宽度为 2μs的脉冲信号, 施加到 HMC1021Z 的置位或复位电流带上。施加在置位/复位电流带上的大功率脉冲产生强磁场, 该强磁场沿敏感轴方向, 会翻转敏感轴磁化的极性。电桥输出信号的极性取决于敏感轴磁化的方向。当置位信号来临时, 会驱动置位脉冲, 得到电桥输出 Vset, 当复位信号来临时, 会驱动复位脉冲, 得到电桥输出 Vreset。最终输出为Vout=(Vset −Vreset)/2, 相敏解调电路在同步信号的驱动下实现该功能。利用这种方法, 可消除因温度漂移和电路参数漂移等共模信号的影响[3]。
图1 HMC1021Z芯片上的元件[13]
Fig. 1 Components on HMC1021Z chip[13]
虚框内为HMC1021Z的内部结构。Vref为电桥提供基准电压, R1～R4为惠斯通电桥的4个磁电阻
图2 基于HMC1021Z的大量程、低噪声磁场探测器的电路原理图
Fig. 2 Circuit diagram of large range and low noise magnetic field detector based on HMC1021Z
相敏解调电路的输出信号送至低通滤波器, 输出与所施加磁场呈线性关系的电压信号。该电压信号中的一路作为最终的输出电压, 另一路送至偏置电路。偏置电路为一个压控电流源电路, 输出与施加电压成正比的电流信号, 施加到 HMC1021Z 的偏置电流带上。该偏置电流带可产生与外施加磁场相抵消的磁场信号, 使施加在磁电阻上的磁场处于“动态归零”状态。这样, 整个电路就工作在闭环模式下, 因此能够稳定电路的工作状态和放大倍数, 减小非线性失真, 扩展频带[15]。
设 HMC1021Z 的灵敏度(sensitivity)为 K, 供电电压为 Vref, 放大器的放大倍数为 A, 则对于外界磁场 B, 输出信号幅度为 Vout=K×Vref×A×B。当整个系统工作于闭环状态时, 零点偏移量最小, 工作状态最佳, 因此将输出信号 Vout 全部反馈到偏置电流带上。此时, 偏置电路的内阻 R=Vout/(B×K'), 其中, K'为偏置电流带系数。本文的设计目标值为 Vout=±10V (对应 B=±6×105nT), HMC1021Z 灵敏度 K 的典型值为 1mV/gauss, 偏置电流带系数 K'的典型值为 4.6mA/gauss[13]。将这些值带入 Vout=K×Vref×A×B 和 R= Vout/(B×K')中, 可得系统的放大倍数 A=667倍, 偏置电路的内阻 R=362Ω。
本文研制的三轴矢量磁强计尺寸为 95 mm×61mm×24mm, 重量≤150g, 功率≤1W。三轴矢量磁强计包含 3 个单轴磁场传感器, 实物照片见图 3。
为了减少地磁场和周围杂散磁场的干扰, 性能测试实验在屏蔽筒内进行。图 4 为一只由 6 层坡莫合金构成的磁场屏蔽筒以及其内部用于产生标准磁场的亥姆霍兹线圈。屏蔽筒内部尺寸为 Φ600mm× 2000mm, 屏蔽效率(适用频率高达 10kHz)≥80dB, 内部的剩余磁场可以减少到 1nT 以下。磁强计的性能测试指标主要包括噪声、量程和非线性度以及频率响应。
图3 三轴矢量磁强计照片
Fig. 3 Photograph of three axes vector magnetometer
磁强计的噪声水平表示可以测量的磁场的最小变化[16]。噪声测试在屏蔽筒内进行, 测试时间选择在地磁平静的夜晚, 此时各种外界杂散干扰磁场较弱。测试时间不低于 6 小时, 最后选择相对平静的0.5 小时数据进行噪声分析。噪声测试结果(图 5)表明, 测量数据具有明显的白噪声特性, 其噪声均方根(RMS)为 1.2611nT, 用于反映磁场测量值的离散程度。噪声功率谱密度(PSD)随频率变化, 通常呈现 1/f 特性。为了便于比较, 常将 1Hz 处的PSD 作为噪声指标。测量结果表明, 该传感器在 1Hz 处的PSD 为 0.8nT/√Hz。
图4 坡莫合金屏蔽筒及内部亥姆霍兹线圈
Fig. 4 Permalloy shield can and internal Helmholtz coil
图5 噪声测试结果
Fig. 5 Noise test results
为了使磁场测量结果真实可靠, 在整个测量范围内, 磁强计对外界施加磁场的响应应该是线性的, 且外界施加磁场不应超过磁强计的测量范围(即量程)[16]。
为了减少地磁场和周围杂散磁场的干扰, 量程和非线性度测试同样在屏蔽筒内进行。在屏蔽筒内, 使用亥姆霍兹线圈产生沿传感器的敏感轴方向的磁场, 在±6×105nT 之间选取若干测试点。在每个磁场施加值下, 微调传感器被测轴的指向, 使输出值达到最大。传感器在每个磁场施加值下至少测量 100 秒, 最后选取 100 秒的平均值作为该测量点的输出。根据实际测量值进行数值拟合, 得到传感器的转换系数、非线性误差及量程范围等参数, 结果如图 6 所示。
可以得到线性拟合方程为
B =K·V +B0,
其中, B 为所施加的磁场值, 为已知数值; V 为磁强计的输出电压, 为测量值; K 为线性拟合系数, 为拟合值; B0 为线性拟合零点, 为拟合值。K 的拟合数值为 5.6042×104nT/V, 反映每单位输出电压代表的磁场值, 即灵敏度。B0 的拟合数值为 1.5562×103nT, 此数值不一定是磁强计的真实“零点”, 它与磁场屏蔽筒内的剩余磁场和磁场传感器的零位相关。测试结果表明, 该仪器的量程可以满足±6×105nT 的要求, 在量程范围内, 最大非线性误差为 5.6‱。
图6 量程和非线性度测试结果
Fig. 6 Range and nonlinearity test results
为了识别磁源目标, 磁强计必须能够在特定频率范围内准确地响应磁场的动态变化, 因此我们在屏蔽效率≥80dB 的屏蔽筒内进行频率响应测试。由于实验室中最强的交流磁场干扰来自 50Hz 工频干扰, 屏蔽筒可有效地抑制此类低频干扰。假定实验室 50Hz 干扰幅度为 1000nT, 屏蔽筒内的磁场衰减量为 99.99%, 即屏蔽筒内的工频磁干扰≤0.1nT, 不会影响频率响应测量。在屏蔽筒内部, 使用亥姆霍兹线圈产生标准正弦磁场。亥姆霍兹线圈是一种产生小范围区均匀磁场的器件, 其产生的磁场主要在线圈内部, 不会与屏蔽筒发生相互作用。将磁场传感器置于线圈的中心位置, 同时微调传感器被测轴的指向, 使输出电压峰峰值最大。频率响应指在恒定幅值的正弦磁场激励下, 输出电压随激励频率变化的特性。通过在不同频率(DC～10Hz)施加同幅值的正弦磁场, 测量并记录各频率下的输出电压, 即可绘制出频率响应曲线(图 7)。在工程应用中, 通常将响应幅度下降到最大值的–3dB 处对应的频率定义为带宽。由图 7 可见, 磁强计的−3dB 带宽为DC～8Hz。
针对磁源目标识别领域对大动态范围以及低噪声矢量磁场探测系统的需求, 本文提出一种基于Honywell 公司生产的磁阻传感器 HMC1021Z 的探测方案, 并设计了配套的测量电路。实验结果表明, 本文提出的矢量磁强计的磁场探测范围能够满足±6×105nT 的量程要求, 同时具有较高的探测精度,方均根(RMS)噪声为 1.2611nT; 功率谱密度(PSD)噪声为 0.8nT/√Hz@1Hz, −3dB 带宽为 DC～8Hz。该系统既具备大量程、低噪声的性能, 又能响应一定频率范围内的磁场变化, 完全能够满足磁源目标识别中对磁场探测的严格要求。
纵坐标带宽的计算公式为20log(Vout/Vmax), Vout为各个频率下的输出电压, Vmax为各个频率下的输出电压最大值
图7 磁场传感器的频率响应曲线
Fig. 7 Frequency response curve of magnetic field sensor
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A Large Range and Low Noise Vector Magnetometer for Magnetic Target Recognition
Abstract According to the need for large range, low noise vector magnetic field detection systems in magnetic source target recognition, a vector magnetometer based on magnetoresistive sensor HMC1021Z is proposed. Through experimental testing, the magnetic field detection range of the vector magnetometer can be as high as ± 6×105 nT. At the same time, it has a high linearity, and the nonlinear error is ≤5.6‱. Root mean square (RMS) noise is 1.2611 nT and power spectral density (PSD) noise is 0.8 nT/√Hz@1 Hz. −3 dB bandwidth is DC to 8 Hz. All these characteristics make the proposed vector magnetometer meet the requirements of magnetic field detection with large range and low noise in magnetic target recognition applications.
Key words magnetoresistive sensor; vector magnetometer; large range; low noise; magnetic target recognition