基于非晶態(tài)合金的感應(yīng)式磁敏傳感器的研制

基于非晶態(tài)合金的感應(yīng)式磁敏傳感器的研制

1混場源電磁勘探應(yīng)用前景展望目前，國際上有很多基于感應(yīng)磁體的磁體市場，但價格高。使用的磁芯在低頻段主要為莫氏金，在高段內(nèi)使用氧化鐵。感應(yīng)式磁探頭是混場源(天然場和人工場)電磁法勘探不可缺少的部件,混場源勘探主要應(yīng)用于金屬礦產(chǎn)及石油資源的勘探,而近年來在地下水、地?zé)?、環(huán)境監(jiān)測、工程勘探、市政工程和土壤鹽堿化治理等領(lǐng)域也得到了應(yīng)用,并有著非常廣闊的應(yīng)用前景?；靾鲈措姶欧ㄑ芯考皟x器研制,為開展新一輪國土資源大調(diào)查提供技術(shù)支持和國產(chǎn)儀器設(shè)備、對解決西北干旱地區(qū)找水、研究大區(qū)域地球深部精細結(jié)構(gòu)等重大課題的實施具有重要意義。本文根據(jù)混場源磁法勘探探頭的要求,設(shè)計了基于非晶態(tài)合金的感應(yīng)式磁敏傳感器。2飽和磁感及最大相對磁導(dǎo)率實驗室采用的是經(jīng)特殊工藝生產(chǎn)的長度為50cm的納米晶合金帶,其基本特性如下:電阻率:90μΩ·cm;寬度:2cm;飽和磁感應(yīng)強度:1.25T;矯頑力:1.2A/m;剩余磁感應(yīng)強度:0.4T;比重:7.25g/cm3;最大相對磁導(dǎo)率:6×106;居里溫度:570℃;鐵損:<3.4(0.2T,20kHz)。3混場源的選擇整個傳感器由三部分組成:骨架、線圈、磁芯。骨架材料需要采用穩(wěn)定性好,線膨脹系數(shù)小的非鐵磁性材料,酚醛樹脂無論在溫度和應(yīng)力等穩(wěn)定性,還是在線膨脹系數(shù)等方面都是最好的,用它作為骨架的材料,可以滿足傳感器的要求。另外加入木料粉而成的電木,可以減少收縮、提高抗震能力,形成不融的固體。在混場源中,磁場較弱,頻帶比較豐富,磁場的溫度效應(yīng)和磁阻效應(yīng)很小,可以忽略不計。選擇0.1～0.3mm的銅導(dǎo)線足以能滿足要求。銅導(dǎo)線的導(dǎo)電率σ0=0.59×108Ω-1m-1,相對來說,有較好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性,機械性能也較高,易于線圈的繞制。4螺線管有效螺線管不斷完善模型根據(jù)法拉第(Faraday)電磁感應(yīng)定律,對于有磁芯的感應(yīng)式磁探頭,其感生電動勢為:em(t)=-ΝSeμ0μdΗdtem(t)=?NSeμ0μdHdt式中Se——螺線管的有效匝面積H——激勵磁場強度μ0——真空中的導(dǎo)磁率μ——相對導(dǎo)磁率根據(jù)激勵建模法,所建立的模型如圖1所示。圖中各參數(shù)的物理意義為:傳感器的等效電感L、阻值Rp、分布電容Cp、匹配電阻Rt。5放大器精密儀器在低頻段,為了提高信號的傳輸能力和探頭的靈敏度,濾除不必要的高頻噪聲,對感應(yīng)線圈輸出的信號進行放大和濾波后再傳送到接收機,從而構(gòu)成有源式磁探頭。感應(yīng)探頭的放大器要采用低噪聲設(shè)計,除了要考慮放大器的增益、帶寬,還要考慮線圈的阻抗匹配(保證線圈工作在臨界阻尼狀態(tài))、最佳源電阻匹配(保證放大器有最小的噪聲系數(shù))和功耗。放大器可以采用精密儀器放大器AD625等,也可以利用集成電路組建。其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。高頻段,主要考慮的是放大器的增益、帶寬,還要考慮線圈的阻抗匹配(保證線圈工作在臨界阻尼狀態(tài))、最佳源電阻匹配(保證放大器有最小的噪聲系數(shù))和功耗。本電路采用MAXIM公司的MAX4431,其增益帶寬積達180MHz,在100kHz下,MAX4431輸入噪聲功率為2.8nV/√Ηz2.8nV/Hz???√,輸入噪聲電流密度為1.8pA/√Ηz1.8pA/Hz???√。MAX4431增益、帶寬和噪聲水平均能滿足感應(yīng)式磁探頭的要求,為了使線圈工作在臨界阻尼狀態(tài),必須在線圈與放大器之間加匹配電阻Rt,匹配電阻的大小可以計算為:Rt=L2√LCp-RpCpRt=L2LCp√?RpCp6等式補償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計開環(huán)網(wǎng)絡(luò)的補償原理圖如圖3所示。根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型,補償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為:理想的補償網(wǎng)絡(luò)H(s)應(yīng)具有被補償系統(tǒng)的倒數(shù)傳遞函數(shù)的形式,即:H(s)=T(s)-1對于二階的磁敏傳感器通用形式:Τ(s)=(s+z1)(s+z2)(s+p1)(s+p2)Η(s)=(s+p1)(s+p2)(s+z1)(s+z2)T(s)=(s+z1)(s+z2)(s+p1)(s+p2)H(s)=(s+p1)(s+p2)(s+z1)(s+z2)式中z1,z2——T(s)的零點p1,p2——T(s)的極點所以,開環(huán)補償?shù)木W(wǎng)絡(luò)是用電子網(wǎng)絡(luò)的零點和極點去抵消測量系統(tǒng)(感應(yīng)式磁探頭)的極點和零點。這樣補償后,系統(tǒng)的幅值和相位均不會失真。實際上傳感器內(nèi)在的儲能將會引起T(s)隨頻率的變化而變化,H(s)將是一微分環(huán)節(jié),其增益也將隨頻率的增加而增加。此外,外界的干擾也會直接影響網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。所以上面的理想條件是無法實現(xiàn)的,只能用電子網(wǎng)絡(luò)來逼近。實際使用時,串聯(lián)的補償網(wǎng)絡(luò)不僅需要在高頻端保持恒定的增益,也應(yīng)具有良好的低端特性。所以補償網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的分母階次至少等于分子的階次。設(shè):Η(s)=Q(s)Ρ(s)=Τ(s)-1Ρ(s)=Μ(s)Τ(s)-1H(s)=Q(s)P(s)=T(s)?1P(s)=M(s)T(s)?1即:Q(s)=T(s)-1M(s)=P(s)-1因此,整個系統(tǒng)的動態(tài)特性完全等同于M(s)的特性,對于二階系統(tǒng)可以等效為:Μ(ω)=ω20ω2+2ξω0ω+ω20M(ω)=ω20ω2+2ξω0ω+ω20則對任一頻率ω而言,M(s)的幅值平方為ω2的函數(shù):|Μ(ω)|2=ω40ω4+2ω20(2ξ2-1)ω2+ω40|M(ω)|2=ω40ω4+2ω20(2ξ2?1)ω2+ω40為使幅值平坦,在數(shù)學(xué)上要求:d|Μ(ω)|2dω2=0d|M(ω)|2dω2=0即:-ω4040[2ω2+2ω20(2ξ2-1)]/[ω4+(4ξ2-2ω20)ω2+ω40]=0根據(jù)上式可知:ξ=1√2=0.707因此:Η(s)=Τ(s)-1?ω20s2+1.41ω0s+ω20如前所述,電感L是頻率的函數(shù),所以從單一的電路上進行補償是很困難的,而且根據(jù)佩利-微納定律,它也是一個不可實現(xiàn)的物理系統(tǒng)。所以,實際的補償系統(tǒng)是電路和磁路相結(jié)合的補償環(huán)節(jié)。這種補償?shù)脑韴D如圖4所示。電路補償?shù)幕舅枷胧窃谥C振頻率的兩邊按曲線的梯度進行放大,而在諧振頻率點及其周圍很小的區(qū)域保持其信號幅度不變。7混場混場激發(fā)曲線本設(shè)計對磁探頭分別進行了靈敏度、低頻段和高頻段的電路補償。其測試結(jié)果分別如圖6、圖7、圖8所示。從圖可以看出:未經(jīng)補償?shù)那€是不理想的,即使給出擬合曲線,在混場源勘探中,也極大地限制了計算機的處理速度。補償后的曲線相對比較平坦,頻率對幅值產(chǎn)生的畸變較小,配以相應(yīng)的軟