磁通門磁力儀工作原理結(jié)構(gòu)與使用

1、磁通門磁力儀磁通門式磁敏傳感器又稱為磁飽和式磁敏傳感器。它是利用某些高導(dǎo)磁率的軟磁性材料(如坡莫合金）作磁芯，以其在交直流磁場(chǎng)作用下的磁飽和特性及法拉第電磁感應(yīng)原理研制的測(cè)磁裝置。這種磁敏傳感器的最大特點(diǎn)是適合在零磁場(chǎng)附近工作的弱磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。傳感器可作成體積小，重量輕、功耗低，既可測(cè)T、Z，也可測(cè)T、Z，不受磁場(chǎng)梯度影響，測(cè)量的靈敏度可達(dá) 001 nT，且可和磁秤混合使用的磁測(cè)儀器。由于該磁測(cè)儀對(duì)資料解釋方便，故已較普遍地應(yīng)用于航空、地面、測(cè)井等方面的磁法勘探工作中，在軍事上，也可用于尋找地下武器（炮彈、地雷等）和反潛。還可用于預(yù)報(bào)天然地震及空間磁測(cè)等。4.1磁通門式磁敏傳感器的物理基礎(chǔ) （

2、一）磁滯回線和磁飽和現(xiàn)象鐵磁性材料的靜態(tài)磁滯回線，如圖135所示。在圖中當(dāng)磁化過程由完全退磁狀態(tài)開始，若磁化磁場(chǎng)等于零，則對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度也為零。隨著磁化磁場(chǎng)H的增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度B亦增大，扭曲線OA段所示。但當(dāng)H增加到某一值Hs之后，B就幾乎不隨H的增加而增強(qiáng)，通常將這種現(xiàn)象稱作磁飽和現(xiàn)象。開始飽和點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的Bs、H。，分別稱作飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度。圖1.35 靜態(tài)磁滯回線示意圖當(dāng)H增加到Hs后，如使H逐漸減小下來，磁感應(yīng)強(qiáng)度也就隨之減小下來。但實(shí)踐證明，一般這種減小都不是按照AO所示的規(guī)律減小，而是按照AB所示的軌跡進(jìn)行，并且當(dāng)磁場(chǎng)H減小到零時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B并不等于零，也就是說磁感應(yīng)

3、強(qiáng)度的變化滯后于磁場(chǎng)H的變化，這種現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象。當(dāng)H由HS減小到零時(shí)，B所保留的值Br被稱作最大剩磁，之所以叫最大剩磁是由于H從小于Hs的不同值減小到零，其所對(duì)應(yīng)的剩磁也是不同的，但以H從Hs減小到零時(shí)所對(duì)應(yīng)的剩磁Br最大。欲使剩磁去掉，就需加一個(gè)與原磁化磁場(chǎng)相反的磁場(chǎng)，如OC段所示。線段OC即表示使磁感應(yīng)強(qiáng)度B恢復(fù)到零時(shí)所需要的反向磁場(chǎng)強(qiáng)度，這一場(chǎng)強(qiáng)通常稱為矯頑力，并用Hc表示。最大剩磁Br飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度Hs及矯頑力Hc是磁性材料的四個(gè)重要參數(shù)，在設(shè)計(jì)制造磁力儀器時(shí)，必須予以重視。通常磁通門式磁敏傳感器使用軟磁性材料。所謂軟磁性材料，是指那些Hc小的磁性材料，特點(diǎn)是易去磁

4、。軟磁性材料在儀器中是工作在周期性變化的磁場(chǎng)（一般為正弦交變磁場(chǎng)）中的，故其磁化過程是周期性進(jìn)行的，其結(jié)果便形成動(dòng)態(tài)磁滯回線（它與圖1.35靜態(tài)磁滯回線形狀大致相同，面積比靜態(tài)磁滯回線面積大些），由于動(dòng)態(tài)磁滯回線的面積等于反復(fù)磁化一周所損耗的能量，所以動(dòng)態(tài)磁滯回線的形狀和大小隨磁化磁場(chǎng)頻率而變。在動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)作用下，除磁滯損耗之外，還有渦流損耗和其它損耗。這些損耗均與磁化磁場(chǎng)的頻率有關(guān)。磁通門式磁敏傳感器設(shè)計(jì)中所用到的磁滯回線是動(dòng)態(tài)飽和磁滯回線，（即磁滯回線中最大的一條回線）。動(dòng)態(tài)磁滯回線上各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的斜率，d=dB/dH叫做該點(diǎn)的動(dòng)態(tài)導(dǎo)磁率。磁通門磁力儀是利用具有高導(dǎo)磁率的軟磁鐵芯在外磁場(chǎng)作用下的

5、電磁感應(yīng)現(xiàn)象測(cè)定外磁場(chǎng)的儀器。它的傳感器的基本原理是基于磁芯材料的非線性磁化特性。其敏感元件是由高導(dǎo)磁系數(shù)、易飽和材料制成的磁芯，有兩個(gè)繞組圍繞該磁芯;一個(gè)是激勵(lì)線圈，另一個(gè)則是信號(hào)線圈。在交變激勵(lì)信號(hào)f的磁化作用下，磁芯的導(dǎo)磁特性發(fā)生周期性飽和與非飽和變化，從而使圍繞在磁芯上的感應(yīng)線圈感應(yīng)輸出與外磁場(chǎng)成正比的信號(hào)，該感應(yīng)信號(hào)包含f、2f及其它諧波成分，其中偶次諧波含有外磁場(chǎng)的信息，可以通過特定的檢測(cè)電路提取出來。1.坡莫合金片的磁滯迥線特點(diǎn)坡莫合金與一般的鐵磁性物質(zhì)比較，具有很高的導(dǎo)磁率(u=dB/dH)，比如國(guó)產(chǎn)IJ86型的坡莫合金，起始導(dǎo)磁率u0=150000CGSM單位。很小的矯頑磁力

6、(Hc)和很小的飽和磁場(chǎng)(Hs)，因此坡莫合金的磁滯回線窄而且陡，但是一般的鐵磁性物質(zhì)的磁滯回線寬而且緩，如圖3一l和3一2所示。分析坡莫合金的磁滯迥線可以知道，當(dāng)外磁場(chǎng)有微弱變化時(shí)候，就會(huì)引起磁感B的顯著變化，可以說磁感應(yīng)強(qiáng)度B對(duì)外磁場(chǎng)H的變化有放大的作用，或者說坡莫合金對(duì)外磁場(chǎng)感覺靈敏。由于坡莫合金磁滯迥線所包含的面積很小，可以近似地看成一條曲線，B隨H的變化特點(diǎn)就與一般鐵磁性物質(zhì)所表現(xiàn)者有所不同了。2.偶次諧波的產(chǎn)生在無外磁場(chǎng)狀況下，當(dāng)初級(jí)線圈中供一個(gè)交流電壓E=Em*COSwt時(shí)，則在坡莫合金中將產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)表達(dá)式如下:H= 一Hmcoswt其中Hm>Hs 飽和磁場(chǎng)由于H隨時(shí)

7、間變化將引起B(yǎng)隨時(shí)間變化，當(dāng)一Hs<H<HS時(shí)，B-H曲線可以近似看作直線，故在這一段時(shí)間B隨時(shí)間的變化是正弦波形。當(dāng)HHs時(shí)，B達(dá)到飽和值Bm，保持一個(gè)常值，因此曲線頂部是平的，并且正負(fù)半周的振幅相等，保持B>Bm的這段時(shí)間也相等。從B曲線來看，相當(dāng)于一段失真的正弦曲線。此曲線可以看成由基波和三次諧波合成。如圖3一3所示。當(dāng)有外磁場(chǎng)存在時(shí)，作用在坡莫合金的總磁場(chǎng)為:H=H0+HmCOS 其中(H0十Hm)>Hs同樣在一HS<H<Hs時(shí)，B-H曲線可以近似看作直線，這一段B隨時(shí)間變化是正弦波形的。H>Hs時(shí)，B達(dá)到飽和值。由于磁場(chǎng)的變化是在外磁場(chǎng)Ho的

8、基礎(chǔ)上變化的，所以在H與Ho同向時(shí)，B先達(dá)到飽和，保持在常值Bm的時(shí)間比較長(zhǎng)，當(dāng)H與Ho反向時(shí)，B保持在常值Bm的時(shí)間比較短。這個(gè)B隨時(shí)間變化的曲線由于頂部是平的，可以看作是其基波和三次諧波合成，但是由于正負(fù)半周不對(duì)稱，還應(yīng)該有二次諧波的成分，這個(gè)二次諧波的曲線和外磁場(chǎng)的存在有關(guān)，如圖3一4所示。括弧內(nèi)由于Hm>(Hs+Ho)，按二項(xiàng)式定理展開，并略去(Hs+Ho)/Ho的4次方以上的高次項(xiàng)，經(jīng)過整理后得到:H0式中右端除了Ho以外都為與靈敏元件繞制等有關(guān)的常數(shù)，可見輸出電壓振幅與外磁場(chǎng)H。成正比。3.3環(huán)型芯磁通門傳感器的工作原理單線圈型磁通門傳感器的激勵(lì)線圈和感應(yīng)線圈使用同一組線圈，

9、產(chǎn)生的感應(yīng)電壓含有很大并且又無益的基波分量。為了抑制這些基波信號(hào)的干擾，出現(xiàn)了環(huán)型和管型等其他結(jié)構(gòu)的傳感器。環(huán)型傳感器可以看成雙棒型傳感器的延伸，并且形成了閉合回路，因?yàn)樗?lì)磁場(chǎng)在左右兩邊對(duì)稱的磁芯中心大小相等、而且方向相反，所以產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的基波分量相互抵消。因此環(huán)型磁通門傳感器輸出的感應(yīng)電壓大小為:由上式表明，在這樣的傳感器中，理論上激勵(lì)磁線圈都不產(chǎn)生感應(yīng)電壓，激勵(lì)磁場(chǎng)存在只是使磁芯的導(dǎo)磁系數(shù)發(fā)生周期性的變化。坡莫合金磁芯在交變磁場(chǎng)的激勵(lì)下，它的導(dǎo)磁系數(shù)隨時(shí)間發(fā)生周期性變化，當(dāng)還沒有被磁化到飽和的時(shí)候，導(dǎo)磁系數(shù)很大，磁通的閘門打開，磁通量很大;當(dāng)磁芯飽和的時(shí)候，導(dǎo)磁系數(shù)很小，閘門關(guān)閉，

10、磁通量就很小。當(dāng)平行于感應(yīng)線圈軸向有外磁場(chǎng)存在的時(shí)候，感應(yīng)線圈內(nèi)部的磁通量也發(fā)生周期性的改變，外磁場(chǎng)受到周期性變化的磁通的調(diào)制，在感應(yīng)線圈兩端感應(yīng)出電壓，用合適的方法測(cè)量該感應(yīng)電壓就能夠得出外磁場(chǎng)的大小。由于兩個(gè)半芯的二次諧波電壓的頻率、振幅和相位都一樣，因此靈敏元件的總輸出振幅電壓為2倍二次諧波電壓振幅，即:磁通門磁力儀的主要性能1.分辨率磁通門磁力儀的分辨率(對(duì)微弱信號(hào)變化量的反應(yīng)能力)相當(dāng)高，一般可以達(dá)到110nT，相當(dāng)于地磁場(chǎng)強(qiáng)度的0.000010.0001倍。特殊制造的磁通門磁力儀的分辨率可以達(dá)到0.001nT，因此可以用于測(cè)量地磁脈動(dòng)。衛(wèi)星載磁通門式向量磁力儀的分辨率因量程而異，在

11、測(cè)量弱磁場(chǎng)的時(shí)候分辨率可以達(dá)到0.002nT。限制分辨率的主要因素是電子線路前置放大器的噪聲以及探頭的靈敏度和噪聲。2.測(cè)量范圍磁通門磁力儀的測(cè)量范圍是65000到65000nT之間。為了提高靈敏度和免受磁化產(chǎn)生永久磁場(chǎng)，磁通門磁力儀的探頭鐵芯由高導(dǎo)磁率軟磁材料制作。這些材料的飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度Hs只有0.0001T左右。如果待測(cè)磁場(chǎng)達(dá)到或超過這個(gè)強(qiáng)度，激勵(lì)磁場(chǎng)的調(diào)制功能就明顯受限，被測(cè)磁場(chǎng)更強(qiáng)時(shí)，甚至可以將鐵芯磁化，必須退磁才能消除剩磁。所以，磁通門磁力儀被認(rèn)為只適用于弱磁場(chǎng)的測(cè)量， 3.頻率響應(yīng)磁通門磁力儀頻率響應(yīng)范圍大約在10Hz以內(nèi)，一般適用于測(cè)量緩慢變化的穩(wěn)恒磁場(chǎng)。監(jiān)測(cè)交變，脈動(dòng)或擾動(dòng)磁場(chǎng)

12、時(shí)，需要特殊制作的磁強(qiáng)計(jì)。二、磁通門式磁敏傳感器的二次諧波法測(cè)磁原理一般地說，磁通門傳感器的磁芯幾何形狀有下面幾種：在閉合式磁芯中，有長(zhǎng)方形磁芯、跑道形磁芯、圓形磁芯三種；在非閉合式磁芯中，有長(zhǎng)條形單磁芯和長(zhǎng)條形雙磁芯兩種。從這幾種磁芯的性能來說，以圓形較好，跑道形次之。在地球物理的磁法勘探的測(cè)量中，用跑道形磁芯較多。下面就以跑道形磁芯為例來分析磁通門式磁敏傳感器的測(cè)磁原理及有關(guān)問題。 （一）長(zhǎng)軸狀跑道形磁芯如圖137所示，一般沿長(zhǎng)軸方向的尺寸遠(yuǎn)大于短軸方向的尺寸，故當(dāng)沿長(zhǎng)軸方向磁化時(shí)，要比沿短軸方向磁化時(shí)的退磁作用及退磁系數(shù)小得多。這樣，就可以認(rèn)為跑道形磁芯僅被沿長(zhǎng)軸方向的磁場(chǎng)所磁化。在實(shí)踐

13、中，亦僅測(cè)量沿長(zhǎng)軸方向的磁場(chǎng)分量。 圖137 跑道形磁芯結(jié)構(gòu)示意圖L靈敏元件架；2初級(jí)線圈；3輸出線圈；4坡莫合金環(huán)若在跑道形磁芯的彼此平行的兩長(zhǎng)邊上，分別繞一組匝數(shù)相同的線圈w1、w2則同向串聯(lián)在一起作為激勵(lì)線圈；在w1、w2的外邊繞一公用的測(cè)量線圈（稱作訊號(hào)線圈）wS，則當(dāng)在激勵(lì)線圈w2通入一正弦交變電流 II MSint時(shí)，假定由w1產(chǎn)生的磁場(chǎng)為 H1HmSint，那么，在w2中必然產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)為H2-HmSint。由圖137可見，對(duì)于激勵(lì)交變場(chǎng)來講，其磁路為一閉合磁路，故沒有退磁作用，對(duì)于正弦交變磁場(chǎng)來說，導(dǎo)磁率即為材料的動(dòng)態(tài)相對(duì)導(dǎo)磁率，由于高達(dá)幾十萬，而在真空中的動(dòng)態(tài)相對(duì)導(dǎo)磁率近似為

14、1，所以，w1及w2所產(chǎn)生的磁力線在磁芯未達(dá)到飽和之前，均可視為無漏磁的通過整個(gè)閉合磁路的。作用于兩長(zhǎng)邊的交變磁化磁場(chǎng)，可分別等效為：H1 = 2Hmsint; H2= - 2Hmsint對(duì)于被測(cè)恒定地磁場(chǎng)He來講，其磁路是一開斷磁路，并有退磁場(chǎng)Hd的存在。故磁芯對(duì)外加恒定磁場(chǎng)He的有效導(dǎo)磁率，是物體的動(dòng)態(tài)相對(duì)導(dǎo)磁率d 磁性材料的動(dòng)態(tài)磁滯回線形狀比較復(fù)雜，極難用一簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)模型加以描述。但為了對(duì)探頭進(jìn)行理論分析，并進(jìn)行具體計(jì)算，必須把實(shí)際的軟磁性材料的最大動(dòng)態(tài)磁滯回線加以近似化、理想化，即用一個(gè)足以表征其特性（飽和特性）的模型來表示之。圖1.38中的三折線模型，就是常用的一種。 圖1.38 傳感

15、器測(cè)磁原理圖當(dāng)外加磁場(chǎng)He0時(shí)，作用于磁芯兩長(zhǎng)邊的總磁化磁場(chǎng)僅是交變磁化磁場(chǎng)，但如果兩個(gè)激勵(lì)線圈的匝數(shù)w1=w2 則H12HmSint=-H2，再假定磁芯的兩長(zhǎng)邊的幾何尺寸及電磁參數(shù)完全相同，測(cè)量線圈的安裝位置也非常對(duì)稱時(shí)，則在長(zhǎng)邊1和長(zhǎng)邊2中產(chǎn)生的通過測(cè)量線圈的磁通量，每時(shí)每刻都大小相等、方向相反，從而使通過測(cè)量線圈的總磁通量恒等于零。因此，在測(cè)量線圈中所感生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及二次諧波均為零。 當(dāng)沿磁芯長(zhǎng)軸方向作用的外加恒定地磁場(chǎng)He不為零時(shí)，由于疊加恒定磁場(chǎng)的結(jié)果，使長(zhǎng)邊1與長(zhǎng)邊2中的總磁化磁場(chǎng)的對(duì)稱性遭破壞，其情況如圖1.38(b）所示。于是，長(zhǎng)邊1與長(zhǎng)邊2中的總磁化磁場(chǎng)分別為：H1 = H

16、e + H1 = He + 2HmSint (1.33)H2 = He + H2 = He - 2HmSint (1.34)長(zhǎng)邊1與長(zhǎng)邊2中的磁感應(yīng)強(qiáng)度在未飽和段分別為：B1 =dHe + 2Hm.Sint (1.35)B2 =dHe - 2Hm.Sint (1.36)式中B1和B2的曲線表示法分別如圖138(c) 所示。 由B1和B2的數(shù)學(xué)表達(dá)式及圖138(c)可見，由于迭加恒定磁場(chǎng)的結(jié)果，使長(zhǎng)邊1與長(zhǎng)邊2中的磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)于時(shí)間軸的對(duì)稱性破壞了。B1在-/2到/2區(qū)間內(nèi)，可用下述函數(shù)來表示：在-/22范圍內(nèi)： B1 =-BS BS為一常數(shù)。 在12范圍內(nèi)： B1 =-dHe + 2 HmSi

17、n (1.37)在1/2范圍內(nèi)： B1 = BSB2在-/2到/2區(qū)間內(nèi)，可用下述函數(shù)來表示：在-/22范圍內(nèi)： B2 =BS BS為一常數(shù)。在12范圍內(nèi)： B2 =-dHe - 2 HmSin (1.38)在1/2范圍內(nèi)： B2 = - BS對(duì)式中飽和點(diǎn)的坐標(biāo)點(diǎn)的求取，可如下述：令：dHe + 2 HmSin= BS=HS則有：Sin1=(HS -dHe)/(2Hm) (1.39) Sin2=(HS +dHe)/(2Hm) (1.40)從物理學(xué)中得知：磁芯中磁通量為其磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁芯截面積S的乘積。故假定長(zhǎng)邊1和長(zhǎng)邊2的截面積相等，即：S1=S2=S，則利用法拉第電磁感應(yīng)定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式便

18、可求得長(zhǎng)邊1與長(zhǎng)邊2中B的變化，在信號(hào)線圈S中所感生的電壓，可分別用下列函數(shù)表示：E1在-/2到/2區(qū)間內(nèi)，可用下述函數(shù)來表示：在-/22范圍內(nèi)： E1 = 0 在12范圍內(nèi)： E1 = -2×10-8Hm SSCos (1.41)在1/2范圍內(nèi)： E1 = 0E2在-/2到/2區(qū)間內(nèi)，可用下述函數(shù)來表示：在-/22范圍內(nèi)： E2 = 0 在12范圍內(nèi)： E2 = 2×10-8Hm SSCos (1.42)在2/2范圍內(nèi)： E2 = 0函數(shù)的變化規(guī)律如圖1.38(d)中的e1、 e2所示。由以兩組分段函數(shù)式（1.41）和（1.42）中或由圖138(d)可見：在-1到2的任何

19、時(shí)刻，對(duì)應(yīng)el、e2內(nèi)都大小相等，極性相反，因而互相抵消。于是在-/2到/2區(qū)間內(nèi),在S中感生的總感應(yīng)電壓為：在-/2-2范圍內(nèi)： ES = 0 在12范圍內(nèi)： ES = -2×10-8Hm SSCos (1.43)在-11范圍內(nèi)： ES = 0在12范圍內(nèi)： ES = 2×10-8Hm SSCos (1.44)在2/2范圍內(nèi)： ES = 0由上述分析可以看出：當(dāng)兩半芯完全對(duì)稱時(shí)，在外加磁場(chǎng)He=0的情況，測(cè)量線圈S中產(chǎn)生的總感應(yīng)電壓Es的重復(fù)頻率，為激勵(lì)頻率的二倍。這就是通常所說的二次諧波法的基本分析。這個(gè)結(jié)果在客觀上就提出了一個(gè)新的問題，即在設(shè)計(jì)傳感器時(shí)，必須保持兩半芯

20、的對(duì)稱性，否則，在-11區(qū)間內(nèi)，兩半芯的感生電壓不能得以抵消掉。又因Es的重復(fù)頻率仍等于激勵(lì)頻率，故在Es中將含有激勵(lì)頻率的奇次諧波。為消除奇次諧波的影響，必須使磁芯保持對(duì)稱。由于Es是屬周期性的重復(fù)脈沖，故可用富氏分解法來計(jì)算Es的二次諧波分量的大小。由上述分段函數(shù)組式可知，Es是一奇函數(shù)。富氏分解中的余弦項(xiàng)的系數(shù)an=0。現(xiàn)在計(jì)算富氏分解中正弦項(xiàng)的系數(shù)b2 。經(jīng)過計(jì)算：b2=16×10-8dSfS (Hs/Hm)×He (1.45)Es = 16×10-8dSfS (Hs/Hm)×HeSin2t (1.46)式(1.45)便是測(cè)量線圈中輸出二次諧波電

21、壓的振幅表達(dá)式；式(1.46）是測(cè)量線圈中感應(yīng)電壓信號(hào)的完整表達(dá)式。 從上述兩式中可得以下結(jié)論：1傳感器測(cè)量線圈輸出二次諧波的電壓振幅與被測(cè)磁場(chǎng)He的大小近似成正比關(guān)系，根據(jù)這種關(guān)系可以測(cè)量外磁場(chǎng)。2被測(cè)磁場(chǎng)的變號(hào)(改變方向)，二次諧波電壓的極性隨之改變。3傳感器輸出二次諧波電壓的大小，除與被測(cè)磁場(chǎng)He近似成正比關(guān)系外，還與傳感器磁芯對(duì)于He的有效動(dòng)態(tài)相對(duì)導(dǎo)磁率d接收線圈的匝數(shù)S，磁芯有效面積S，激勵(lì)磁場(chǎng)的頻率f，磁芯的飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度Hs成正比關(guān)系，而與激勵(lì)磁場(chǎng)的振幅Hm成反比。這些將是設(shè)計(jì)與制造傳感器時(shí)的重要參數(shù)。 三、磁通門式磁敏傳感器的應(yīng)用用磁通門式磁敏傳感器可以構(gòu)成多種不同用途的測(cè)磁儀器

22、。例如，用于磁測(cè)量的有：地面磁通門磁力儀，航空磁通門磁力儀，磁通門磁力梯度儀，三分量高分辨率磁通門磁力儀，小口徑井中磁力儀，微機(jī)型磁通門磁力儀以及用于探測(cè)地下炸彈、地雷等鐵磁性物體的探測(cè)儀器等。重新對(duì)磁通門磁力儀的數(shù)據(jù)采集部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，用微處理器代替原來的硬件環(huán)路。使原來完全由硬件控制的閉環(huán)系統(tǒng)的控制任務(wù)用軟件來完成。新設(shè)計(jì)的磁通門磁力儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用MSP430FXXX系統(tǒng)的16位單片機(jī)作為微處理器。其大概的框圖如圖2一4所示。波形發(fā)生電路信號(hào)發(fā)生器電路非常重要，它要為磁通門傳感器探頭提供激勵(lì)信號(hào)，從某種意義上講它是激勵(lì)信號(hào)發(fā)生電路的核心部分。從第三章我們可以知道只要是交變電流都可以作為

23、磁通門激勵(lì)信號(hào)，但是從探頭的靈敏度和線性度考慮，用正弦波激勵(lì)信號(hào)最為理想。為了減少元?dú)饧臄?shù)量，在綜合了現(xiàn)有的各種信號(hào)發(fā)生電路后決定采用美國(guó)AD公司的AD9833。這種能輸出正弦波和三角波的函數(shù)發(fā)生器電路具有頻率范圍寬、正弦波失真低、三角波的線性度好和溫度漂移低等特點(diǎn)。圖4一5為所設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生電路的原理圖。將低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)就可以得到帶通濾波器了。設(shè)前者的截止頻率為f1，后者的截止頻率為f2，f2應(yīng)該小于fl，那么通帶為(f2一fl)。在實(shí)用的電路中也經(jīng)常采用單個(gè)集成運(yùn)放構(gòu)成壓控電壓源二階帶通濾波電路其中心頻率為:電路原理圖如圖4一6所示。4.4選頻放大電路磁通門檢測(cè)電路需要用到一

24、個(gè)選頻放大電路，即在檢測(cè)線圈后面需要加一個(gè)選頻電路，其主要功能是濾出探頭輸出信號(hào)的二次諧波分量，并使盡可能少的非二次諧波分量進(jìn)入后級(jí)的放大電路。根據(jù)第三章有關(guān)磁通門傳感器工作原理的數(shù)值分析結(jié)果，我們可以知道，磁通門傳感器探頭輸出信號(hào)含有多次諧波分量，其中奇次諧波和被測(cè)磁場(chǎng)沒有關(guān)系，而所有的偶次諧波都與被測(cè)磁場(chǎng)有關(guān)，所以各種不同類型的磁通門傳感器的差別在很大程度上取決于對(duì)這個(gè)輸出信號(hào)的檢測(cè)方法。當(dāng)然也可以采用同時(shí)檢測(cè)所有偶次諧波的方法，利用所有偶次諧波共同作用來檢測(cè)被測(cè)磁場(chǎng)的大小，應(yīng)該采用多諧振電路進(jìn)行檢測(cè)。選頻電路其選頻頻率為:電路原理圖如圖4一7所示4.5A/D采用電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的A/D采樣電路主要用到了linear公司的LT