磁通门技术以其低噪声、高灵敏度、小体积、技术成熟度高的综合性能成为磁传感器界研发热点，并在MT测深、瞬变电磁、地震地磁台网观测、随钻测斜等勘探地球物理领域，舰船消磁、磁异探测、地磁导航等军事领域，卫星姿态检测、深空探测等空间领域得到广泛应用。小型化的磁通门传感器探头将更适合磁场空间梯度较大的测量场合，有助于提高磁场梯度观测精度。

1）原理

磁通门多采用平行激磁二次谐波法（图4.37），外部待测磁场Hext与激励磁场H0平行，通过测量感应线圈输出电动势u2（t）中的二次谐波来检测外部待测磁场Hext。

图4.37　磁通门探头原理示意图

Hext—外部待测磁场；H0—激励磁场；i0（t）—激励电流；u2（t）—感应电动势

正交基模磁通门传感器区别于传统平行激励二次谐波方案的磁通门技术，采用正交激励方案，即将带有偏置的激励电流直接对磁芯进行激励，周向激励磁场与待测磁场正交，无激励线圈，激励电流为含有直流偏置单极性的交流正弦电流，通过感应线圈拾取载有外部被测磁场信号的基模信号，经放大、相敏检波、积分、低通后获得与外部磁场线性相关的电压信号。带有偏置的单极性激励电流源，大幅抑制了磁芯的巴克豪斯噪声，使得正交基模传感器相比传统平行二次谐波方案具有低噪声的优势。磁通门传感器原理框图如图4.38所示，主要由非晶丝磁芯、感应线圈、激励电流源、前置放大器、相敏检波器、积分器、低通滤波器、反馈通道组成。

图4.38　正交基模磁通门传感器原理框图（单轴）

A—前置放大器；BPF—带通滤波器；PSD—相敏检波器；Is—恒流源；CLK—时钟源；∫—积分器；LPF—低通滤波器

图4.38中，激励电流源直接对非晶丝进行激励，轴向方向的激励电流产生了圆周方向的激励磁场H0，磁芯在激励电流作用下处于周期性深度饱和变化，磁芯磁通量的变化引起磁导率的变化，磁导率与激励电流源同频变化，在外部磁场作用下，根据电磁感应定律，感应线圈输出的基模信号被外部待测磁场调幅输出，测量电路完成含有待测磁场的基模信号的放大、相敏检波、积分，实现待测磁场信号的检测。

2）带宽分析

为分析传感器的带宽，给出了传感器控制仿真模型（图4.39）。对各模块建模，建立各模块的传递函数，并借助Simulink仿真软件，建立仿真电路模型（图4.40）。

图4.39　磁通门传感器数学模型

图4.40　磁通门传感器仿真电路模型

带宽仿真结果如图4.41所示，仿真结果表明磁通门传感器带宽可达10 k Hz，另带宽主要受限于探头本身、传感器电路的积分模块、低通模块。相比传统平行激励二次谐波方案具有带宽的优势。

3）噪声分析

磁通门传感器研制过程就是与噪声做斗争的过程。为进一步减小噪声，需要先获取传感器的噪声模型，并分析各模块噪声增益，找出噪声的主要贡献者。图4.42给出了正交基模磁通门传感器噪声模型，其中en1为探头噪声，en2为前放模块输入噪声，en3为解调模块输入噪声，en4为反馈环节噪声，en5为激励电流噪声。

借助Simulink软件，对正交基模磁通门传感器噪声仿真模型进行噪声分析（图4.43），分模块计算各模块对整机噪声的贡献情况，计算结果见表4.6。结果表明，探头噪声和前放模块噪声是传感器噪声的主要来源，其他模块的噪声对最终的输出噪声影响不大，在传感器研制过程中，需重点减少探头和前放电路的噪声。

图4.41　磁通门传感器带宽仿真结果

图4.42　正交基模磁通门传感器噪声模型

表4.6　各个模块噪声对输出结果影响比例

4）探头制作工艺

探头部分是由钴基非晶丝材料和感应拾取线圈组成。钴基非晶丝属于软磁材料，主要的合金元素有Co、Si、Fe等，具有低矫顽力、高磁导率和良好的磁滞回线等特性。图4.44为双线圈U形探头，非晶丝直径约140μm，长约5 cm。U形设计有助于减小直流偏置输出和抑制噪声。(www.daowen.com)

图4.4 3　噪声增益分析模型

图4.44　探头结构图

一种典型的正交基模磁通门传感器的制作方法及相关参数如下：线圈相关参数见表4.7，安装结构如图4.45所示，采用线芯直径0.08 mm与0.1 mm两种规格漆包线绕制拾取线圈，均匀绕6层。探头骨架采用99.5%氧化铝陶瓷管材，直径0.3 mm双孔，非晶丝穿过管孔，呈U形，内部和两端采用胶固定。由于拾取线圈同时作为反馈线圈使用，估算了线圈在10 k Hz（探头响应截止频率）频点的感抗，以及线圈反馈系数（每1 mA反馈电流在线圈轴向上产生的磁场），作为探头与传感器设计的重要参数。

单轴磁通门探头正交组装，构成三轴磁通门探头，实现磁场矢量测量。三轴磁芯的结构如图4.46所示。为避免轴间干扰，采取正交非同心结构。在以上探头骨架和线圈基础上，安装三个正交的探头，并使三个感应线圈相互正交。然后采用封装胶进行固定封装，最后将灌封好的探头安装在探头封装壳体中。实物如图4.47所示。

图4.45　正交基模磁通门探头示意图（单轴）

表4.7　线圈参数

5）测量电路

三轴磁通门测量电路设计原理框图如图4.48所示，激励电压信号由微控制单元（MCU）控制直接数字式频率合成器（DDS）分频产生。恒流源电路中，功率三极管提供电流驱动。三轴磁芯材料采用串联驱动的方式，保证每个通道的驱动电流信号幅值大小、相位等都相同。感应线圈输出的电压信号经前置放大、带通滤波、模拟解调、积分、低通滤波处理，最终输出的电压信号反映了被测磁场幅值。三轴正交调节电路用于补偿探头因机械安装导致的三轴正交度偏差。测量电路实物如图4.49所示。

图4.46　三轴磁通门探头结构图（正交非同心）

图4.47　三轴磁通门探头实物图

图4.48　三轴磁通门测量电路原理框图

6）数字磁通门传感器

研究表明，传统平行激励二次谐波方案磁通门传感器的噪声水平已接近极限，正交基模磁通门传感器在低噪声、小型化等方面的性能提升已得到验证。优化非晶丝磁性参数、降低传感器测量电路本底噪声、拓展带宽及量程是未来正交基模磁通门传感器技术主要的攻关方向。

磁通门传感器噪声主要来源于探头磁芯巴氏噪声和驱动电路噪声。随着非晶丝材料技术的发展，以及正交基模磁通门传感器技术的研究应用，磁芯噪声得到有效抑制，驱动电路噪声对传感器整机噪声的“贡献”越来越大，成为进一步提升传感器噪声水平的瓶颈。驱动电路噪声主要来源于激励电流源、前置放大器、解调器、积分器、反馈通道等环节，由于电子开关实现的解调器存在固有开关电荷噪声，使得解调噪声成为驱动电路中不可忽视的成分。数字化驱动电路可有效消除模拟解调器中固有的电子开关电荷注入噪声。

图4.49　三轴磁通门测量电路实物图

数字磁通门电路主要有激磁电流源电路、前置放大器、ADC电路、数字解算方法、DAC电路和反馈电流源电路等模块。磁通门基模信号的宽频低噪自适应闭环测量方法，区别于传统的模拟解调方案，通过高精度模数转换、数字同步相干解调、数字积分、高精度大动态范围数模转换等数字闭环实时控制处理，降低模拟电路引入的开关电荷噪声及特征参数离散；自适应闭环反馈控制算法实现低噪声大动态范围快速反馈补偿，有助于提升传感器的噪声、带宽、量程等关键参数。数字化方案采用数字解算模块中的数字采样、数字解调、数字积分、数字反馈替代以往的电子开关模拟解调、模拟积分、模拟反馈，从而具有较低的噪声。

数字磁通门原理框图如图4.50所示。

图4.50　数字磁通门原理框图（单轴）

水下磁场传感器以感应式线圈和磁通门为主，两者各有优势，具体根据应用需求选择合适的传感器。同时磁传感器还在朝小体积、低功耗、低噪声、低漂移的方向持续发展，期待新体制、创新型传感器的出现。