羅 云，葉凌云，黃添添，牟文杰

(浙江大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州310027)

0 引 言

磁懸浮技術(shù)是一種先進的支撐技術(shù)，具有無摩擦、無需潤滑、功耗低、清潔無污染等［1～3］其他支撐技術(shù)所無法比擬的優(yōu)勢。目前，磁懸浮技術(shù)已在磁懸浮列車、磁懸浮軸承等磁懸浮系統(tǒng)中有較多的應(yīng)用。磁懸浮系統(tǒng)通常利用電磁鐵實現(xiàn)懸浮體(被懸浮對象)的懸浮控制，電磁鐵與懸浮體之間的電磁力大小與兩者之間的磁場氣隙密切相關(guān)［1］，能否實現(xiàn)該磁場氣隙的高精度檢測對電磁力的精確計算和對懸浮控制的性能有著重要的意義。文獻［4］提出高速磁懸浮列車中氣隙磁場的分布和變化規(guī)律對列車的懸浮系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、推進系統(tǒng)的設(shè)計和控制以及改進、優(yōu)化列車參數(shù)有著重要的指導(dǎo)意義。文獻［5］指出磁懸浮軸承繞組間氣隙磁場對懸浮性能有影響，如何準確獲取兩套繞組氣隙磁場各自的分布情況成了磁懸浮軸承中實現(xiàn)懸浮控制的關(guān)鍵問題。因此，設(shè)法解決磁懸浮系統(tǒng)氣隙磁場的高精度檢測問題顯得很有必要。

在磁懸浮系統(tǒng)氣隙磁場檢測中，國內(nèi)外常用的方法有霍爾效應(yīng)法、感應(yīng)線圈法。感應(yīng)線圈法在進行磁場測量時，必須使通過探測線圈的磁通量發(fā)生變化，需要復(fù)雜的機械動作，而且感應(yīng)電勢要經(jīng)過積分器積分輸出，這里勢必存在累積積分漂移問題，測量精度受影響［6］。霍爾效應(yīng)法是目前國內(nèi)外學(xué)者最多采用和研究的一種氣隙磁場測量方案，由于霍爾片體積小，結(jié)構(gòu)簡單，可直接測量霍爾電勢，無需積分器，避免了積分漂移現(xiàn)象，測量精度能達到10－3～10－4量級［6］。但目前霍爾元件體積最小只能做到mm 級，對于更狹小氣隙磁場的測量沒有辦法。

本文以磁懸浮系統(tǒng)氣隙磁場的檢測為研究對象，提出了一種基于隧道型磁阻(TMR)傳感器陣列的氣隙磁場檢測方案，TMR 傳感器不僅具備了霍爾磁傳感器體積小、結(jié)構(gòu)簡單、可直接電壓輸出無需積分的優(yōu)點，而且有著更高的靈敏度、較低的噪聲輸出和相對較寬的測量范圍［7］。同時，TMR 傳感器本質(zhì)上是一種薄膜型器件，非常適合于做成傳感器陣列，實現(xiàn)多點測量，對于需要全面掌握氣隙磁場分布的磁懸浮系統(tǒng)來說，這無疑是理想的解決方案。

1 檢測原理

基于TMR 傳感器陣列的氣隙磁場檢測方案中，采用TMR 傳感器作為磁傳感元件，同時在氣隙磁場中進行傳感器的多點布控，利用傳感器陣列來全面掌握氣隙磁場的信息，從而準確得到電磁力的大小和變化。

TMR 傳感器是利用TMR 效應(yīng)來實現(xiàn)磁傳感作用的一類高靈敏度磁傳感元件。在體積方面，TMR 傳感器由磁性薄膜和非磁性薄膜的混合材料制成的薄膜型器件，厚度可以做到μm 級，尺寸上滿足狹小氣隙磁場的測量需求。在靈敏度和精度方面，TMR 傳感器超過傳統(tǒng)磁傳感器(包括霍爾磁傳感器、異性磁阻傳感器等)至少1 個數(shù)量級。TMR不但能測磁場大小，還能檢測磁場方向，能夠檢測出磁場極性正是系統(tǒng)所要求的。

本方案中選擇Micro Magnetics 公司的STJ 系列產(chǎn)品，其測量范圍為±50 Oe，測量精度為5nT。

2 方案設(shè)計

為降低設(shè)計的復(fù)雜度，設(shè)計了基于單TMR 傳感器的氣隙磁場檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示，包括標準磁場產(chǎn)生裝置(基于亥姆霍茲線圈)，傳感器電路、信號調(diào)理電路、控制采集系統(tǒng)和上位機。

系統(tǒng)設(shè)計了一個亥姆霍茲線圈作為磁場產(chǎn)生裝置，磁場大小由恒流源電流控制。

圖1 基于TMR 傳感器的氣隙磁場檢測系統(tǒng)的總體框圖Fig 1 Overall block diagram of air-gap magnetic field detecting system based on TMR sensor

磁傳感元件采用Micro Magnetics 的STJ—340 的TMR全橋傳感器，TMR傳感器置于亥姆霍茲線圈中心，檢測磁場。傳感器電路就是為全橋提供低噪聲穩(wěn)壓供電。系統(tǒng)采用低噪聲線性穩(wěn)壓芯片LT3032 提供±2.5 V 供電電壓，+2.5 V電壓輸出噪聲僅為20 μV，－2.5 V 電壓輸出噪聲僅為30 μV。傳感器輸出信號經(jīng)調(diào)理電路放大和濾波，最終調(diào)理到AD 可采樣的范圍內(nèi)。放大電路采用TI 的INA118儀用放大器，濾波器采用2 個相同的二階巴特沃斯低通濾波器組成，低通濾波器截止頻率設(shè)為100 Hz。經(jīng)過濾波后的信號最后傳輸至DSP 實驗板上的高精度A/D 轉(zhuǎn)換器，DSP 實驗板控制AD 采樣，并將數(shù)據(jù)傳送到上位機。上位機采用Matlab 編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和分析，最終獲得TMR傳感器輸出電壓與施加磁場激勵的關(guān)系曲線。

2.1 亥姆霍茲線圈設(shè)計

當(dāng)所需產(chǎn)生的磁場不太強時，使用亥姆霍茲線圈是比較方便的。亥姆霍茲線圈的設(shè)計需要確定5 個參數(shù)，它們分別為漆包線外徑D、軸向線線圈匝數(shù)M、徑向線圈匝數(shù)N、最內(nèi)層線圈的半徑R0和兩組線圈之間的間距L0，如圖2所示。確定這5 個參數(shù)就可以唯一地確定一個亥姆霍茲線圈。

圖2 亥姆霍茲線圈特征參數(shù)Fig 2 Characteristic parameters of Helmholtz coil

確定這5 個參數(shù)后，可進一步推導(dǎo)出

取R0=15 mm，D=0.5 mm，M=25，N=25，用Mathcad計算可得，當(dāng)L0=10 mm 時，線圈間的磁場均勻性最好，所設(shè)計的亥姆霍茲線圈中心最大磁感應(yīng)強度為25 Gs，均勻區(qū)長度為5.2 mm，最大非均勻度為6×10－5。用Solidworks 繪制的亥姆霍茲線圈如圖3 所示。

2.2 電磁兼容設(shè)計

為了提供一個可靠的測試環(huán)境，必須對整個測試系統(tǒng)進行磁屏蔽。對于地磁場和低頻磁場都要用高磁導(dǎo)率的鐵磁材料來屏蔽，且磁導(dǎo)率越高，屏蔽層越厚，屏蔽效果越好。

圖3 亥姆霍茲線圈剖視圖Fig 3 Sectional view of Helmholtz coil

屏蔽的效果取決于屏蔽材料和屏蔽體的結(jié)構(gòu)。屏蔽材料選擇低碳鋼，相對磁導(dǎo)率μr≈1 000。最終的屏蔽殼結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 屏蔽殼剖面圖Fig 4 Sectional view of shielding shell

3 實驗與數(shù)據(jù)處理

測試在磁屏蔽房中完成，室內(nèi)溫度保持在25 ℃左右。調(diào)節(jié)流過亥姆霍茲線圈的電流，使電流從0 開始，逐漸增大至50 mA，間隔為1 mA;又從50 mA 逐漸降低至－50 mA;最后逐漸增大至50 mA。用列向量V 表示每個電流值對應(yīng)得電壓值，同時將電流值折算成磁感應(yīng)強度值，將得到向量M。M 和V 都是251 個元素的列向量，用Malab 作出V 和M 的關(guān)系圖，如圖5 所示。

圖5 TMR 輸出電壓與施加磁場的關(guān)系圖Fig 5 Diagram of relationship between TMR output voltage and exerted magnetic field

對數(shù)據(jù)進行進一步分析，采用最小二乘法來擬合。考慮以X 的線性函數(shù)a+bX 來近似表示Y。以均方誤差σ2=E［(Y－(a+bX)2］來衡量以a+bX 近似表示Y 的好壞程度。σ2的值越小，表示a+bX 與Y 的近似程度越好。這樣，將σ2分別關(guān)于a，b 求偏導(dǎo)數(shù)，并令它們等于0，解得系數(shù)a，b 的值

用Matlab 來實現(xiàn)計算，可得擬合曲線方程為:y=16.753 9x+8.252 3，如圖6 所示。原始曲線與擬合曲線之間的誤差如圖7 所示。

圖6 最小二乘法擬合直線Fig 6 Fitting curve of least square method

圖7 誤差曲線Fig 7 Error curve

由誤差曲線圖可以得出，TMR 的最大非線性誤差為δL≈4.3%。

由于TMR 傳感器的零點偏移和非線性誤差屬于系統(tǒng)誤差，系統(tǒng)誤差由于知道其規(guī)律，通過補償?shù)姆椒梢赃M行修正［8］。而隨機誤差無法修正，因此，隨機誤差決定了測量系統(tǒng)所能達到的精度。而磁滯占了隨機誤差的絕大部分，所以，影響測量精度的主要是磁滯。如果采取補償方法后，影響測量精度的因素主要是磁滯，最理想的情況，測量不確定可以達到±0.5%FS。

4 結(jié) 論

基于TMR 傳感器陣列的氣隙磁場檢測方案為磁懸浮系統(tǒng)的氣隙磁場檢測提供了新的途徑和方法?；谠摲桨秆兄频膶嶒炏到y(tǒng)取得了比較好的磁場檢測結(jié)果，實驗測試發(fā)現(xiàn)，影響磁場測量精度的主要因素是磁滯，要想進一步提高磁場的檢測精度，必須設(shè)法消除磁傳感器的磁滯影響。

［1］ 曹廣忠，潘劍飛，黃蘇丹，等.磁懸浮系統(tǒng)控制算法及實現(xiàn)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2013.

［2］ 胡業(yè)發(fā)，周祖德，江征風(fēng).磁力軸承的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006:3.

［3］ 練 斌，葉凌云，黃添添，等.磁懸浮式加速度計前期研究［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2012，31(7):70－72.

［4］ 田武剛，潘孟春，羅飛路，等.高速磁懸浮列車磁場測量系統(tǒng)的設(shè)計［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2004(4):15－17.

［5］ 王曉林，林盈杰，鄧智泉，等.基于探測線圈的無軸承異步電機氣隙磁場測量方法研究［J］.中國電機工程學(xué)報，2004，24(10):109－114.

［6］ 王國安，閻和平.霍爾元件特性的研究及其在加速器磁場測量中的應(yīng)用［J］.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報，1982，12(4):124－132.

［7］ Ripka P，Janosek M.Advances in magnetic field sensors［J］.Sensors Journal，IEEE，2010，10(6):1108－1116.

［8］ Bernieri A，F(xiàn)errigno L，Laracca M，et al.Improving GMR magnetometer sensor uncertainty by implementing an automatic procedure for calibration and adjustment［C］∥Proceedings of Instrumentation and Measurement Technology Conference，IMTC 2007，IEEE，2007.