張君盛，潘孟春，胡佳飛，杜青法，孫 琨，張欣苗

(國防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410000)

0 引 言

隧道磁電阻(tunnel magnetoresistance,TMR)磁傳感器具有高靈敏、低功耗、小型化等顯著優(yōu)勢，在生物磁場、目標(biāo)探測、地磁導(dǎo)航、無損檢測等領(lǐng)域均有極大的發(fā)展?jié)摿Γ?/f噪聲極大限制了其低頻磁場探測能力[1]。國內(nèi)外學(xué)者提出了多種磁通調(diào)制方法用于抑制1/f噪聲，但這些方法存在調(diào)制效率低、抗干擾能力弱、溫度適用范圍小等問題，距離實用化還有較大的差距[2～4]。

由于調(diào)制結(jié)構(gòu)自身材料特性和應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)與溫度緊密相關(guān)，基于壓電諧振的磁通調(diào)制技術(shù)存在振幅溫漂大、溫度穩(wěn)定性差的問題。目前,主要的壓電諧振控制方式包括:基于電流搜索或鎖相環(huán)的諧振頻率控制方法、基于電容式或壓電式的幅度控制以及將頻率控制和幅度控制相結(jié)合的雙控制方法[6～8]。這些方式對于穩(wěn)定調(diào)制結(jié)構(gòu)諧振特性起到了一定的作用，但未將溫度等環(huán)境因素對控制環(huán)路本身的影響納入其中，因此溫度穩(wěn)定性較差，適用范圍較小。

為解決上述問題，本文提出了一種相幅雙閉環(huán)溫補(bǔ)控制方法，該方法能夠?qū)崟r跟蹤控制諧振頻率和振動幅值，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)外界溫度信息補(bǔ)償參考電壓，完成控制環(huán)路的更新，增強(qiáng)了調(diào)制結(jié)構(gòu)的溫度穩(wěn)定性。

1 基于壓電諧振的磁通調(diào)制結(jié)構(gòu)與原理

基于壓電諧振的磁通調(diào)制方法能夠?qū)?/f噪聲降低近2個量級。結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，主要由壓電驅(qū)動諧振主梁、支撐梁、底部帶有調(diào)制膜的懸臂梁以及硅基基底等部分組成。基于壓電諧振的磁通調(diào)制原理如圖1(b)所示。調(diào)制膜在壓電結(jié)構(gòu)驅(qū)動下周期振動，振動過程中利用其自身的磁力線聚集作用將聚集器氣隙內(nèi)的靜磁場或低頻磁場調(diào)制為高頻磁場[5]。

圖1 基于壓電諧振的磁通調(diào)制結(jié)構(gòu)和原理

2 相幅雙閉環(huán)溫補(bǔ)控制原理與方法

相幅雙閉環(huán)溫補(bǔ)控制方法通過基于鎖相環(huán)和自動增益的雙閉環(huán)控制環(huán)路完成諧振頻率和幅度的跟蹤控制，通過參考電壓溫漂補(bǔ)償模塊完成控制信息更新，最終實現(xiàn)變溫條件下的調(diào)制結(jié)構(gòu)諧振控制。

2.1 基于鎖相環(huán)和自動增益的雙閉環(huán)控制方法

調(diào)制結(jié)構(gòu)在工作過程中由于環(huán)境的干擾、自身的漂移等因素會導(dǎo)致諧振頻率及幅度發(fā)生變化，因此為保證振動穩(wěn)定性，要對其諧振頻率和幅度進(jìn)行跟蹤控制。磁通調(diào)制結(jié)構(gòu)采用壓電諧振實現(xiàn)結(jié)構(gòu)驅(qū)動，可以采用圖2所示的等效電路模型進(jìn)行描述。其中，C0為靜電容，與振動無關(guān)；RLC支路中的電阻R1，電感L1及電容C1為與振動相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。調(diào)制結(jié)構(gòu)達(dá)到諧振狀態(tài)時RLC支路等效為純電阻。

圖2 壓電振子等效電路

等效電路的電導(dǎo)G及電納B分別為

(1)

(2)

根據(jù)電導(dǎo)及電納可以得到傳遞函數(shù)的相位θ為

(3)

當(dāng)達(dá)到諧振狀態(tài)時，RLC支路等效為純電阻，可求得諧振頻率為

(4)

將諧振頻率ω0代入到傳遞函數(shù)的相位θ中，可得到串聯(lián)諧振條件下的相位θ0為

(5)

該相位與頻率ω?zé)o關(guān)，僅與等效電路的參數(shù)相關(guān)，即諧振狀態(tài)下系統(tǒng)輸出與輸入之間的相位差為固定值。調(diào)制結(jié)構(gòu)利用逆壓電效應(yīng)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的驅(qū)動，利用壓電效應(yīng)實現(xiàn)振動的檢測,因此諧振狀態(tài)下檢測信號與激勵信號之間的相位差是特定的恒定值，具有鎖相環(huán)控制的條件。通過調(diào)整激勵頻率使得激勵信號與檢測信號之間相位差始終與諧振狀態(tài)下的相位差保持一致，即可實現(xiàn)對諧振頻率的跟蹤控制。

調(diào)制結(jié)構(gòu)的調(diào)制效率受振動幅度的直接影響[5]，而調(diào)制結(jié)構(gòu)自身材料特性、阻尼特性受外界條件影響會發(fā)生改變[9]，因此在激勵滿足諧振頻率的條件下其振動幅度不一定維持最佳狀態(tài)，需要在對諧振頻率跟蹤控制的基礎(chǔ)上同時對諧振的振幅狀態(tài)進(jìn)行跟蹤控制。采用壓電層電極圖形化的方式設(shè)計了檢測電極，利用壓電效應(yīng)反映振動的幅度狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。在諧振頻率實時跟蹤的基礎(chǔ)上，采用自動增益控制方法得到最佳振幅狀態(tài)所對應(yīng)的檢測電壓值，將其設(shè)為參考電壓，只需對參考電壓進(jìn)行跟蹤并以此為根據(jù)對激勵電壓幅度進(jìn)行實時調(diào)控，即可完成調(diào)制結(jié)構(gòu)振幅跟蹤控制。

圖3 激勵電極與檢測電極結(jié)構(gòu)位置

綜上所述，設(shè)計的磁通調(diào)制結(jié)構(gòu)雙閉環(huán)控制環(huán)路如圖4所示，主要包含兩個反饋控制環(huán)路：基于鎖相環(huán)的諧振頻率跟蹤控制環(huán)路和基于自動增益的振幅控制環(huán)路。調(diào)制結(jié)構(gòu)工作過程中，通過調(diào)整激勵信號頻率和電壓幅值，使得檢測信號幅值、檢測信號與激勵信號之間相位差與參考電壓、參考相位差分別保持一致，即可完成對調(diào)制結(jié)構(gòu)諧振頻率和振動幅度的跟蹤控制。

圖4 基于鎖相環(huán)和自動增益的雙控制原理

2.2 參考電壓溫漂補(bǔ)償方法

外界溫度條件波動較小的情況下，基于鎖相環(huán)和自動增益的雙閉環(huán)控制可以較好地追蹤調(diào)制結(jié)構(gòu)諧振狀態(tài)，維持振動的穩(wěn)定。而當(dāng)溫度條件發(fā)生明顯的變化時，雙閉環(huán)控制環(huán)路無法繼續(xù)保持調(diào)制結(jié)構(gòu)振幅的穩(wěn)定。主要原因是，隨著環(huán)境溫度條件的改變，調(diào)制結(jié)構(gòu)自身諧振特性發(fā)生變化，控制環(huán)路中既有的參考電壓已無法滿足振幅控制要求。因此要建立補(bǔ)償環(huán)節(jié)，使得變溫過程中調(diào)制結(jié)構(gòu)能夠根據(jù)溫度信息對參考電壓進(jìn)行修正，更新雙閉環(huán)控制環(huán)路。

提出的基于最小二乘擬合的參考電壓補(bǔ)償原理如圖5所示。首先在0～40 ℃范圍內(nèi)，以2 ℃為步進(jìn)，選取T(0)，T(2)，…，T(40)共21個溫度點進(jìn)行實驗。在每個溫度條件下尋找滿足相同最佳振幅條件的參考電壓值U(0)，U(2)，…，U(40)，通過最小二乘擬合方式建立參考電壓值U關(guān)于溫度T的函數(shù)關(guān)系：Um=f(T)，從而建立補(bǔ)償信息數(shù)據(jù)庫。磁傳感器運(yùn)行過程中，其上的溫度傳感器實時采集環(huán)境溫度信息，數(shù)字信號處理器(digital signal processor,DSP)處理模塊會根據(jù)此時的溫度信息搜索相應(yīng)參考電壓，隨后對當(dāng)前的參考電壓進(jìn)行補(bǔ)償校正，完成雙閉環(huán)控制環(huán)路的參數(shù)更新，使調(diào)制結(jié)構(gòu)振幅在不同溫度條件下均保持穩(wěn)定。

圖5 變溫條件下參考電壓補(bǔ)償原理

3 實驗與分析

搭建測試系統(tǒng)進(jìn)行實驗分析，測試系統(tǒng)如圖6所示，主要包括：TMR磁傳感器、可程式高低溫試驗箱、電荷耦合器件(charge coupled device,CCD)激光微位移傳感器以及基于LabVIEW的一體化測試系統(tǒng)等。

圖6 振動穩(wěn)定性測試系統(tǒng)

在相同初始激勵條件下，分無控制和雙閉環(huán)控制兩種條件對調(diào)制結(jié)構(gòu)的振幅各進(jìn)行4 h的實時跟蹤檢測。利用可程式高低溫試驗箱維持恒溫環(huán)境，整個實驗過程溫度波動不超過0.2 ℃。圖7(a)所示，無控制條件下調(diào)制結(jié)構(gòu)振幅初始值較小，且隨工作時間的延長而持續(xù)變化，振幅變化超過1.5 μm；啟動雙閉環(huán)控制后，相同激勵條件調(diào)制結(jié)構(gòu)初始振幅增大約1 μm，且波動明顯減小，4 h內(nèi)振幅波動小于0.1 μm。振幅初始值提高約5 %，穩(wěn)定性提升約15倍。說明室溫條件下，基于鎖相環(huán)和自動增益的雙閉環(huán)控制方法對穩(wěn)定調(diào)制結(jié)構(gòu)的振幅具有明顯的效果。

隨后設(shè)置可程式高低溫試驗箱以20 min/℃的變化速率自40 ℃至0 ℃變溫，利用CCD激光微位移傳感器實時檢測雙閉環(huán)控制條件下調(diào)制結(jié)構(gòu)振幅波動情況。圖7(b)結(jié)果顯示，調(diào)制結(jié)構(gòu)振幅隨著溫度的改變而呈現(xiàn)出持續(xù)的漂移。40 ℃的變溫范圍內(nèi)振幅漂移超過1.6 μm，變化率超過0.19 %/℃，說明在變溫條件下雙閉環(huán)控制環(huán)路無法繼續(xù)保持調(diào)制結(jié)構(gòu)振幅的穩(wěn)定，需要在此基礎(chǔ)上建立前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)。

圖7 雙閉環(huán)控制實驗結(jié)果

最后搭建測試系統(tǒng)檢驗控制與補(bǔ)償相結(jié)合的方法對于穩(wěn)定調(diào)制結(jié)構(gòu)在變溫條件下振幅的效果。開啟雙閉環(huán)控制和參考電壓補(bǔ)償模塊，調(diào)試磁傳感器使其正常運(yùn)行。在0～40 ℃內(nèi)進(jìn)行升溫和降溫2次實驗驗證，溫度變化速率為20 min/℃。利用CCD激光微位移傳感器實時檢測調(diào)制結(jié)構(gòu)振幅變化情況，測試系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)并分析得到結(jié)果如圖8所示。

圖8 變溫條件引入補(bǔ)償?shù)恼穹刂茖嶒灲Y(jié)果

實驗結(jié)果顯示，振幅在0 ℃至40 ℃的升溫過程中總波動小于0.05 μm，變化率低于0.006 %/℃；在40℃至0℃的降溫過程中，由于溫度變化不均勻，振幅波動相對較大，但仍小于0.09 μm，變化率約為0.01 %/℃。雖然補(bǔ)償之后仍存在一定程度的漂移，但相較于補(bǔ)償之前的0.19 %/℃有了明顯改善，調(diào)制結(jié)構(gòu)振幅穩(wěn)定性提升約19倍。

4 結(jié) 論

基于壓電諧振的磁通調(diào)制結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受溫度等環(huán)境條件的影響，本文根據(jù)目前諧振控制的研究現(xiàn)狀，提出了相幅雙閉環(huán)溫補(bǔ)控制方法。通過基于鎖相環(huán)和自動增益的雙閉環(huán)控制環(huán)路實現(xiàn)對調(diào)制結(jié)構(gòu)諧振頻率和振幅的跟蹤控制，通過基于最小二乘擬合的補(bǔ)償方法實現(xiàn)對變溫條件下參考電壓的補(bǔ)償校正，完成對雙控制環(huán)路的參數(shù)更新。實驗結(jié)果表明：雙閉環(huán)控制環(huán)路在室溫條件下將振幅穩(wěn)定性提升約15倍。在此基礎(chǔ)上，參考電壓補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)在0 ℃至40 ℃的變溫范圍內(nèi)將振幅波動減小至0.01 %/℃，遠(yuǎn)低于補(bǔ)償前的0.19 %/℃，穩(wěn)定性提升約19倍。該方法提升了磁通調(diào)制結(jié)構(gòu)的溫度穩(wěn)定性，增大了調(diào)制結(jié)構(gòu)的溫度適用范圍，有利于TMR磁傳感器實用化水平的提高。