2UUU 年第19卷第4期传感器技术（Journal o f T ransducer T echno lo gy ）
1
! ! ! ! ! ! "
摘
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综述与评论
"
磁通门技术及其应用
郭爱煌，傅君眉
（西安交通大学电信学院微波工程与光通信研究所，陕西西安710049）
要：磁通门是测量环境磁场的系统，它利用高磁导率、低矫顽力的软磁材料铁芯在激磁作用下，感应
线圈出现随环境磁场强度而变的偶次谐波分量电势的特征，通过高性能的滤波器测量偶次谐波分量。磁通门的典型应用是载体姿势方位的测量，实际应用中结构参数校正是十分重要的。关键词：磁通门；传感器；测量电路；方位；结构中图分类号：TM 936.2
文献标识码：A
文章编号：（1UUU -97872UUU ）U4-UUU1-U4
M easure m ent technol o gy of m a g netic fl ux and its a pp licati on
GUO A i -huan g ，FU Jun -m ei
（M icrowave e n g i n. and O p tical C omm unication inst . ，X i ’an jiao ton g Universit y ，X i ’an 710049，Chi na ）Abstract ：T he m easure m ent techno lo gy o f m a g netic flux is used f or m easuri n g m a g netic fie ld i ntens it y o f sur-round i n g s. U nder t he action o f m a g netic excitation ，t he i nduction co ils around t he h i g h -p er m eab ilit y and low-coercive f orce so ft m a g netic m aterial have t he even har m on ic e lectric p o tential ，t he even har m on ic e lectric p o ten-tial chan g es w it h t he m a g netic fie ld i ntens it y o f surround i n g s and can be m easured b y us i n g t he h i g h -p erf or-m ance filter . T he t yp ical a pp lication o f t he m easure m ent techno lo gy o f m a g netic flux is to m easure t he orienta-tion o f bod y ，it is ver y i m p ortant to correct t he error o f t he structure p ara m eter i n t he p ractical a pp lication.
K e y words ：t he m easure m ent techno lo gy o f m a g netic flux ；sensor ；m easure m ent circuit ；orientation ；structure
引言新的技术。磁通门对弱磁场（如大地磁场）测量十分有效，应用领域涉及磁场监测、电磁参数检测、工程检测、载体方位姿态测量与控制。本文从磁通门的基本原理出发，论述磁通门测量电路，并分析其在载体方位确定中的数字处理和结构参数校正。1
磁通门的基本原理
磁通门主要由磁通门传感器、测量电路、数据采集处理单元等组成。磁通门传感器将环境磁场的物理量转化为电势信号；测量电路对感应电势偶次谐波分量进行选通、滤波、放大；数据采集处理单元对测量电路输出的信号进行模数转换，数据处理、计算、存贮等。1.1
磁通门传感器
磁通门传感器由铁芯外绕激磁线圈、感应线圈组成。铁芯的基本要求是磁导率高、矫顽力小，且激磁线圈上的激磁电源频率要尽可能高。为提高测量精度而需要差分信号输出，采用双铁芯传感器，现在一般采用跑道形结构（图1）。两铁芯上缠绕的激磁线圈反向串联，两铁芯激励方向在任一瞬间在空间都是反向的。但是，环境磁场在两平行铁芯轴向分
［1］磁通门技术是一项具有一定专业性的技术。
近年来，由于自动控制、工程检测、电子技术的发展，磁通门技术也被迅速应用到各个新的领域。特别是计算机技术的应用，磁通门技术实现了智能化，达到了新的水平。
磁通门现象是一种普遍存在的电磁感应现象，磁通门传感器是一种稍加改造的变压器式器件，但其变压器效应只是作为被测磁场进行调制的手段。如果考虑环境磁场对铁芯的作用，当铁芯磁导率随激励磁场强度而变，则感应电势中就会出现随环境磁场强度而变的偶次谐波分量，而当铁芯处于周期性过饱和工作状态时，偶次谐波分量显著增大。对环境磁场来说，好象是一道“门”，通过这道“门”，相应的磁通量即被调制，并产生感应电势。因此，采用这种特殊铁芯和工作方式，用于检测环境磁场的变压器式测量系统，被称为“磁通门”，其基本工作原理仍然是电磁感应。从本质上看，其特性和工作方式以及作用，与普通变压器显然相异，因而形成了一门
收稿日期：2UUU -U3-31
2
传感器技术
第19卷
量是同向的。在形状尺寸和电磁参数完全对称的条件下，激磁磁场在公共感应线圈中建立的感应电势互相抵消，它只起调制铁芯磁导率的作用；而环境磁
场在感应线圈中建立的感应电势则互相叠加。
式中
［
）2
1-（
~m
，］｝
（3／2）
（2）
E m =! ・M ・S ・~m ・! 为激励电0・A ；" "
图1磁通门双铁芯跑道形传感器结构图F i g .1
S truct ure of double -co iled m a g netic flux sensor w it h t he sha p e of track
铁芯采用坡莫合金，它是一种软磁合金，具有在
弱磁场中导磁率高、矫顽力小的特点［1］。它的磁滞
回线（图2（a ）
）与一般铁磁物质的磁滞回线（图2b ））截然不同。当外磁场~0有一微小变化时，在坡莫合金上会引起磁感应强度B 显著变化，在感应线
圈中则产生明显的电势。
图2坡莫合金（a ）和铁磁物质（b ）的磁滞回线F i g .2
M a g netic h y steresis loo p of p er m allo y （a ）
and ferrom a g netic substance （b ）
当激磁线圈接上正弦激励电压，则通过激磁线圈的电流产生的激励磁场~=~m ・cos ! t ，
当激励磁场的振幅~m 略大于坡莫合金磁化饱和点~s 时，在环境磁场的作用下，在感应线圈上产生急剧的偶次谐波电压分量变化，其主要偶次谐波的二次谐波电压e 2与环境磁场~0有如下函数关系：（3／2）
2
=
43!
｛［1-（
）2
~m
］
-［（1-（~~23／2）
~）
］
・m
si n2! t ｝
，（1）
其振幅E 2为2=
3!
｛［
1-（
~）2
m
］
（3／2）
-
流的角频率；M 为感应线圈匝数；S 为坡莫合金截面积；" 0为真空磁导率；"
A 为坡莫合金的磁导率。从式（1）中可以看出：" 当~0=0时，e 2=0；#当~0符号改变时，e 2振幅值相等，但相位相反；$二次谐波在一定条件下，仅与环境磁场~0有关。因此，磁通门传感器不仅能反映环境磁场的大小，而且反映环境磁场的方向特性。
由式（2）考虑在单位环境磁场~0的作用下，二次谐波电压幅值的大小，即二次谐波灵敏度G 2为
G d E 2=
4E ~~~d 0=! ~m
+
~m
. ］
（3）
一般情况下，~0是远小于~m 和~s ，则式（3）
近似为G 2=
! ・~
m
（4）
分析式（4），G 2值为最大时，~m =s ，而且最大值左边G
2（~m ／~s ）曲线很陡，~m 的微小变化会造成G 2的很大变化，而右边较为平缓，因此，激磁电源的选择，要使~m s 。
1. 2
测量电路和数据采集处理单元电路
磁通门传感器输出的偶次谐波分量幅值与被测
磁场在传感器轴向分量~0有关（式（2）），测量电路必须能拾取偶次谐波分量；尽管采用双铁芯而使奇次谐波分量抵消，而变压器差分效应（即传感器噪声）存在，在被测磁场~0较小时，测量电路必须消除噪声影响；磁通门传感器的偶次谐波分量具有相敏特性（式（1）），即当被测量~0反向时，信号分量反相，而且实际测量中，也需测量~0的极性，测量电路应当具有相敏特性；另外，~0往往是很弱的信号，测量电路必须有较高的灵敏度和信号放大功能，必须
有较好的提高信噪比能力。因此，磁通门测量电路十分重要。测量电路的输出则与磁通门传感器测量的环境磁场建立了单一的关系，数据采集处理单元只需测量电路输出的双极性信号进行模数转换，数据采集、处理、计算，结果显示。单片机系统、数据采集
（e E
第4期
郭爱煌等：磁通门技术及其应用
3
器、工控机等均很容易做到这一点。2
磁通门测量电路
磁通门测量电路分两部分，其一是激磁电路，其二是偶次谐波测量电路。这里介绍一种作者研制的在实际应用中取得良好效果的测量电路。2.1
激磁电路
激磁电路由晶振J 、CD 4060分频器、CD 4049六
反相驱动器组成。晶振频率经CD 4060分频后，由CD 4049六反相驱动器作功放激磁和提供解调参考信号（图3）
。
［2］备、通信设备、医疗仪器和数据采集系统中。将磁
通门传感器和感应线圈分成信号线圈和反馈线圈两部分，由滤波器UAF 42组成双二次型带通滤波器，对信号线圈的二次谐波和反馈线圈的信号进行调制放大（图4），U 8! U 11为UAF 42有源滤波器，U 12为
三极管。选择合适的R 4! R 13、调整C 2! C 6的值，使@约为30，即可R 5，K V 约为100、z ，f 0约为10k H
测量出二次谐波信号，输出与磁通门传感器感应的
H 0有很好的一致性。
图4
F i g .4
图3
F i g .3
激磁电路
二次谐波测量电路
M easure m ent circuit of t he second har m on ic
3
磁通门技术的应用
磁通门技术典型的应用是载体方位测量与控
C ircuit of exciti n g m a g netic field
U 0、U 1为CD 4060分频器，U 2! U 7为CD 4049
六反相驱动器。通过调整R 3，使激磁线圈的工作电流满足铁芯的工作点要求（即H m
，使磁通s ）门达到对环境磁场最敏感；而C 1的调节，可改善解调参考波形。一般情况下，激磁频率在10k H z 左右。2.2
偶次谐波测量电路
磁通门传感器输出偶次谐波，从原理上说，2、4、6…次谐波均能反映H 0的幅值和相位，而实际上，二次谐波在偶次谐波中幅值最大，因此，设计二次谐波测量电路来测量磁通门传感器输出。多用途通用有源滤波器UAF 42集成电路是测量二次谐波的理想电路，UAF 42芯片内部集成有所需的四级精密运算放大器、（50 0.5%）k " 的精密电阻和（解决了有源滤波器1000 0.5%）p F 的精密电容器，设计中电容、电阻的匹配和低损耗问题，可方便地设计成高通、低通、带通滤波器，应用于精密测试设
x 1y 1 1
cos ! ~s i n ! 0 s i n ! cos !
01
10
制。惯性导航系统，定向系统等的方位测量往往以地球的磁北极为参照基准，这样，通过测量地球磁场在载体坐标系中的分量，即可计算载体的方位，实现对载体方位的控制。3.1
磁通门测量方位的数学模型
由于地磁场是空间矢量，因此，在任一位置测量地磁场，需要用三维正交的磁通门传感器。设参照坐标系为O 1—X 1Y 1Z 1（Y 1为磁北极方向，Z 1为垂
直向上），载体的坐标系为O —XYZ （Y 为载体指向）。载体方位定义为载体指向在大地水平面投影与水平磁北极方向的夹角的顺时针计量，则当载体处于某一定空间位置，可以通过坐标旋转来建立载体方位计算数学模型。
把载体坐标系旋转到参照坐标系，设旋转角为其中，! 、#，! 为载体方位角，#为" 、" 为载体倾斜角，载体的旋转角。由坐标旋转关系可知
cos #0~s i n #
0s i n #10
0cos #
x y
，
（5）
cos " ~s i n "
0s i n " cos "
4
传感器技术
第19卷
N
式中I 、Z 为三维正交磁通门测量的地磁场分量y 、数值；I 1、Z 1为参照坐标系磁场分量。y 1、
在参照坐标系中，磁场分量在X 1方向为（I 1=0），由此，可得出0
1! =t g
均相等。为此取D P =〔" D i 2／N
i =1
12
，建立目标函〕
／
数
N
. ［］
（，ZI ） $$=I y ，y Z $
（6）
（D i " i =1
2／N . D P ）（8）
通过无约条件下多变量函数的寻优方法（如单si n cos 测得载体倾斜角和旋转角的情况下，I #si n " +y cos # Z si n #" 式（6）即为载体方位角计算的数学模型。. 2
磁通门的结构参数
［3］测量未知磁场，需要用三维正交的磁通门传感器感应。而磁通门传感器是单分量的，当三个磁通门传感器组合成三维正交结构时，其正交性对测量结果会产生很大的影响，而机械结构又往往难于保证，因此，需要通过数学方法进行校正。
在磁通门组成的测量坐标系0—XYZ 中，假定
以X 轴为基准，令Y 轴与X 轴的不正交角为$I y ，Y 与Z 的不正交角为$y Z ，Z 与X 轴的不正交角为$ZI ，因不正交角很小，近似认为其余弦值为1，正弦值为角度本身，通过坐标变换不难得出
I 100I
y
=
$I y
1
y ，（7）Z
$ZI $y Z
1Z 式中I 、y 、
Z 为校正后的坐标值。实际上，$I y 、$y Z 、$ZI 为未知量，而且一般也测量不出来，只能通过最优化技术求出。对同一环境磁场进行变换位置的N 次测量，由测量原理知，第i 测点有
D i =（I i 2+y i 2+Z i 2）1／2（i =1，2，…N ），若三维磁通门传感器相互正交，则D i =D i +1；若不
正交，则D i ! D i +1，按式（7）
进行不正交校正，使D i =（I i 2+y i 2+Z i 2）1／2（i =1，2，
…N ）纯形加速法），使 达到极小或给定的精度要求，即可求出$I y 、$y Z 、$
ZI ，由式（7）进行磁通门传感器不正交的校正。通过这种校正可相当有效地消除结构参数影响，提高实际测量精度。
! 结束语
磁通门具有测量弱磁场的特点，信号测量电路的关键是二次谐波的测量滤波器设计，如何通过滤波器设计获得对弱磁场有高分辨和高稳定的测量信号，仍有许多工作要做。结构误差的校正，不仅降低了对机械结构的高要求，而且提高了测量准确度。我们研制的定向系统用三维正交的磁通门确定方位角。磁通门探头采用跑道形结构，激磁电压12V ，激磁频率为10k H z ；由 12V 供电的UAF 42组成的二次谐波测量电路，在地磁场中最大信号输出为 3.5V ；
用单纯形加速法求不正交角，进行探头结构不正交校正。实际应用取得很好的效果。参考文献：
［1］张学孚，陆怡良. 磁通门技术［M ］. 北京：
国防工业出版社，1995.1-4，34-42. ［2］杨振江，余进. 多用途有源滤波器UAF 42DE 应用［J ］. 电子技术应用，1997，23（9）：47-49. ［3］郭爱煌，薛忍霞. 全方位测斜的数值计算与误差校正［J ］. 物探化探计算技术，1997，19（1）：50-55.
作者简介：
郭爱煌（1964-），男，江西省靖安人。高级工程师，西安交通大学电子与信息工程学院博士研究生，从事电磁场理论与微波技术的研究。
3
磁通门技术及其应用
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
郭爱煌， 傅君眉， GUO Ai-huang， FU Jun-mei
西安交通大学,电信学院微波工程与光通信研究所,陕西,西安,710049传感器技术
JOURNAL OF TRANSDUCER TECHNOLOGY2000,19(4)8次
1. 张学孚;陆怡良 磁通门技术 1995
2. 杨振江;余进 多用途有源滤波器UAF42DE 应用 1997(09)3. 郭爱煌;薛忍霞 全方位测斜的数值计算与误差校正 1997(01)
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3. 石志勇. 王怀光. 庞发亮. SHI Zhi-yong. WANG Huai-guang. PANG Fa-liang 磁通门信号处理电路分析与设计[期刊论文]-兵工自动化2006,25(6)
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5. 马慧明. 焦国太. Ma Huiming. Jiao Guotai 磁通门探头设计及改进研究[期刊论文]-哈尔滨师范大学自然科学学报2008,24(3)
6. 康春磊. 杨建中. 田扬超. 刘刚. KANG Chun-lei. YANG Jian-zhong. TIAN Yang-chao. LIU Gang 双轴微磁通门传感器[期刊论文]-功能材料与器件学报2008,14(2)
7. 康春磊 微型磁通门式传感器的研制[学位论文]2008
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10. 刘诗斌. 崔智军. 刘昭元. LIU Shibin. CUI Zhijun. LIU Zhaoyuan 低剩磁误差磁通门的激励电路研究[期刊论文]-传感技术学报2009,22(12)
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本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_cgqjs200004001.aspx
2UUU 年第19卷第4期传感器技术（Journal o f T ransducer T echno lo gy ）
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综述与评论
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磁通门技术及其应用
郭爱煌，傅君眉
（西安交通大学电信学院微波工程与光通信研究所，陕西西安710049）
要：磁通门是测量环境磁场的系统，它利用高磁导率、低矫顽力的软磁材料铁芯在激磁作用下，感应
线圈出现随环境磁场强度而变的偶次谐波分量电势的特征，通过高性能的滤波器测量偶次谐波分量。磁通门的典型应用是载体姿势方位的测量，实际应用中结构参数校正是十分重要的。关键词：磁通门；传感器；测量电路；方位；结构中图分类号：TM 936.2
文献标识码：A
文章编号：（1UUU -97872UUU ）U4-UUU1-U4
M easure m ent technol o gy of m a g netic fl ux and its a pp licati on
GUO A i -huan g ，FU Jun -m ei
（M icrowave e n g i n. and O p tical C omm unication inst . ，X i ’an jiao ton g Universit y ，X i ’an 710049，Chi na ）Abstract ：T he m easure m ent techno lo gy o f m a g netic flux is used f or m easuri n g m a g netic fie ld i ntens it y o f sur-round i n g s. U nder t he action o f m a g netic excitation ，t he i nduction co ils around t he h i g h -p er m eab ilit y and low-coercive f orce so ft m a g netic m aterial have t he even har m on ic e lectric p o tential ，t he even har m on ic e lectric p o ten-tial chan g es w it h t he m a g netic fie ld i ntens it y o f surround i n g s and can be m easured b y us i n g t he h i g h -p erf or-m ance filter . T he t yp ical a pp lication o f t he m easure m ent techno lo gy o f m a g netic flux is to m easure t he orienta-tion o f bod y ，it is ver y i m p ortant to correct t he error o f t he structure p ara m eter i n t he p ractical a pp lication.
K e y words ：t he m easure m ent techno lo gy o f m a g netic flux ；sensor ；m easure m ent circuit ；orientation ；structure
引言新的技术。磁通门对弱磁场（如大地磁场）测量十分有效，应用领域涉及磁场监测、电磁参数检测、工程检测、载体方位姿态测量与控制。本文从磁通门的基本原理出发，论述磁通门测量电路，并分析其在载体方位确定中的数字处理和结构参数校正。1
磁通门的基本原理
磁通门主要由磁通门传感器、测量电路、数据采集处理单元等组成。磁通门传感器将环境磁场的物理量转化为电势信号；测量电路对感应电势偶次谐波分量进行选通、滤波、放大；数据采集处理单元对测量电路输出的信号进行模数转换，数据处理、计算、存贮等。1.1
磁通门传感器
磁通门传感器由铁芯外绕激磁线圈、感应线圈组成。铁芯的基本要求是磁导率高、矫顽力小，且激磁线圈上的激磁电源频率要尽可能高。为提高测量精度而需要差分信号输出，采用双铁芯传感器，现在一般采用跑道形结构（图1）。两铁芯上缠绕的激磁线圈反向串联，两铁芯激励方向在任一瞬间在空间都是反向的。但是，环境磁场在两平行铁芯轴向分
［1］磁通门技术是一项具有一定专业性的技术。
近年来，由于自动控制、工程检测、电子技术的发展，磁通门技术也被迅速应用到各个新的领域。特别是计算机技术的应用，磁通门技术实现了智能化，达到了新的水平。
磁通门现象是一种普遍存在的电磁感应现象，磁通门传感器是一种稍加改造的变压器式器件，但其变压器效应只是作为被测磁场进行调制的手段。如果考虑环境磁场对铁芯的作用，当铁芯磁导率随激励磁场强度而变，则感应电势中就会出现随环境磁场强度而变的偶次谐波分量，而当铁芯处于周期性过饱和工作状态时，偶次谐波分量显著增大。对环境磁场来说，好象是一道“门”，通过这道“门”，相应的磁通量即被调制，并产生感应电势。因此，采用这种特殊铁芯和工作方式，用于检测环境磁场的变压器式测量系统，被称为“磁通门”，其基本工作原理仍然是电磁感应。从本质上看，其特性和工作方式以及作用，与普通变压器显然相异，因而形成了一门
收稿日期：2UUU -U3-31
2
传感器技术
第19卷
量是同向的。在形状尺寸和电磁参数完全对称的条件下，激磁磁场在公共感应线圈中建立的感应电势互相抵消，它只起调制铁芯磁导率的作用；而环境磁
场在感应线圈中建立的感应电势则互相叠加。
式中
［
）2
1-（
~m
，］｝
（3／2）
（2）
E m =! ・M ・S ・~m ・! 为激励电0・A ；" "
图1磁通门双铁芯跑道形传感器结构图F i g .1
S truct ure of double -co iled m a g netic flux sensor w it h t he sha p e of track
铁芯采用坡莫合金，它是一种软磁合金，具有在
弱磁场中导磁率高、矫顽力小的特点［1］。它的磁滞
回线（图2（a ）
）与一般铁磁物质的磁滞回线（图2b ））截然不同。当外磁场~0有一微小变化时，在坡莫合金上会引起磁感应强度B 显著变化，在感应线
圈中则产生明显的电势。
图2坡莫合金（a ）和铁磁物质（b ）的磁滞回线F i g .2
M a g netic h y steresis loo p of p er m allo y （a ）
and ferrom a g netic substance （b ）
当激磁线圈接上正弦激励电压，则通过激磁线圈的电流产生的激励磁场~=~m ・cos ! t ，
当激励磁场的振幅~m 略大于坡莫合金磁化饱和点~s 时，在环境磁场的作用下，在感应线圈上产生急剧的偶次谐波电压分量变化，其主要偶次谐波的二次谐波电压e 2与环境磁场~0有如下函数关系：（3／2）
2
=
43!
｛［1-（
）2
~m
］
-［（1-（~~23／2）
~）
］
・m
si n2! t ｝
，（1）
其振幅E 2为2=
3!
｛［
1-（
~）2
m
］
（3／2）
-
流的角频率；M 为感应线圈匝数；S 为坡莫合金截面积；" 0为真空磁导率；"
A 为坡莫合金的磁导率。从式（1）中可以看出：" 当~0=0时，e 2=0；#当~0符号改变时，e 2振幅值相等，但相位相反；$二次谐波在一定条件下，仅与环境磁场~0有关。因此，磁通门传感器不仅能反映环境磁场的大小，而且反映环境磁场的方向特性。
由式（2）考虑在单位环境磁场~0的作用下，二次谐波电压幅值的大小，即二次谐波灵敏度G 2为
G d E 2=
4E ~~~d 0=! ~m
+
~m
. ］
（3）
一般情况下，~0是远小于~m 和~s ，则式（3）
近似为G 2=
! ・~
m
（4）
分析式（4），G 2值为最大时，~m =s ，而且最大值左边G
2（~m ／~s ）曲线很陡，~m 的微小变化会造成G 2的很大变化，而右边较为平缓，因此，激磁电源的选择，要使~m s 。
1. 2
测量电路和数据采集处理单元电路
磁通门传感器输出的偶次谐波分量幅值与被测
磁场在传感器轴向分量~0有关（式（2）），测量电路必须能拾取偶次谐波分量；尽管采用双铁芯而使奇次谐波分量抵消，而变压器差分效应（即传感器噪声）存在，在被测磁场~0较小时，测量电路必须消除噪声影响；磁通门传感器的偶次谐波分量具有相敏特性（式（1）），即当被测量~0反向时，信号分量反相，而且实际测量中，也需测量~0的极性，测量电路应当具有相敏特性；另外，~0往往是很弱的信号，测量电路必须有较高的灵敏度和信号放大功能，必须
有较好的提高信噪比能力。因此，磁通门测量电路十分重要。测量电路的输出则与磁通门传感器测量的环境磁场建立了单一的关系，数据采集处理单元只需测量电路输出的双极性信号进行模数转换，数据采集、处理、计算，结果显示。单片机系统、数据采集
（e E
第4期
郭爱煌等：磁通门技术及其应用
3
器、工控机等均很容易做到这一点。2
磁通门测量电路
磁通门测量电路分两部分，其一是激磁电路，其二是偶次谐波测量电路。这里介绍一种作者研制的在实际应用中取得良好效果的测量电路。2.1
激磁电路
激磁电路由晶振J 、CD 4060分频器、CD 4049六
反相驱动器组成。晶振频率经CD 4060分频后，由CD 4049六反相驱动器作功放激磁和提供解调参考信号（图3）
。
［2］备、通信设备、医疗仪器和数据采集系统中。将磁
通门传感器和感应线圈分成信号线圈和反馈线圈两部分，由滤波器UAF 42组成双二次型带通滤波器，对信号线圈的二次谐波和反馈线圈的信号进行调制放大（图4），U 8! U 11为UAF 42有源滤波器，U 12为
三极管。选择合适的R 4! R 13、调整C 2! C 6的值，使@约为30，即可R 5，K V 约为100、z ，f 0约为10k H
测量出二次谐波信号，输出与磁通门传感器感应的
H 0有很好的一致性。
图4
F i g .4
图3
F i g .3
激磁电路
二次谐波测量电路
M easure m ent circuit of t he second har m on ic
3
磁通门技术的应用
磁通门技术典型的应用是载体方位测量与控
C ircuit of exciti n g m a g netic field
U 0、U 1为CD 4060分频器，U 2! U 7为CD 4049
六反相驱动器。通过调整R 3，使激磁线圈的工作电流满足铁芯的工作点要求（即H m
，使磁通s ）门达到对环境磁场最敏感；而C 1的调节，可改善解调参考波形。一般情况下，激磁频率在10k H z 左右。2.2
偶次谐波测量电路
磁通门传感器输出偶次谐波，从原理上说，2、4、6…次谐波均能反映H 0的幅值和相位，而实际上，二次谐波在偶次谐波中幅值最大，因此，设计二次谐波测量电路来测量磁通门传感器输出。多用途通用有源滤波器UAF 42集成电路是测量二次谐波的理想电路，UAF 42芯片内部集成有所需的四级精密运算放大器、（50 0.5%）k " 的精密电阻和（解决了有源滤波器1000 0.5%）p F 的精密电容器，设计中电容、电阻的匹配和低损耗问题，可方便地设计成高通、低通、带通滤波器，应用于精密测试设
x 1y 1 1
cos ! ~s i n ! 0 s i n ! cos !
01
10
制。惯性导航系统，定向系统等的方位测量往往以地球的磁北极为参照基准，这样，通过测量地球磁场在载体坐标系中的分量，即可计算载体的方位，实现对载体方位的控制。3.1
磁通门测量方位的数学模型
由于地磁场是空间矢量，因此，在任一位置测量地磁场，需要用三维正交的磁通门传感器。设参照坐标系为O 1—X 1Y 1Z 1（Y 1为磁北极方向，Z 1为垂
直向上），载体的坐标系为O —XYZ （Y 为载体指向）。载体方位定义为载体指向在大地水平面投影与水平磁北极方向的夹角的顺时针计量，则当载体处于某一定空间位置，可以通过坐标旋转来建立载体方位计算数学模型。
把载体坐标系旋转到参照坐标系，设旋转角为其中，! 、#，! 为载体方位角，#为" 、" 为载体倾斜角，载体的旋转角。由坐标旋转关系可知
cos #0~s i n #
0s i n #10
0cos #
x y
，
（5）
cos " ~s i n "
0s i n " cos "
4
传感器技术
第19卷
N
式中I 、Z 为三维正交磁通门测量的地磁场分量y 、数值；I 1、Z 1为参照坐标系磁场分量。y 1、
在参照坐标系中，磁场分量在X 1方向为（I 1=0），由此，可得出0
1! =t g
均相等。为此取D P =〔" D i 2／N
i =1
12
，建立目标函〕
／
数
N
. ［］
（，ZI ） $$=I y ，y Z $
（6）
（D i " i =1
2／N . D P ）（8）
通过无约条件下多变量函数的寻优方法（如单si n cos 测得载体倾斜角和旋转角的情况下，I #si n " +y cos # Z si n #" 式（6）即为载体方位角计算的数学模型。. 2
磁通门的结构参数
［3］测量未知磁场，需要用三维正交的磁通门传感器感应。而磁通门传感器是单分量的，当三个磁通门传感器组合成三维正交结构时，其正交性对测量结果会产生很大的影响，而机械结构又往往难于保证，因此，需要通过数学方法进行校正。
在磁通门组成的测量坐标系0—XYZ 中，假定
以X 轴为基准，令Y 轴与X 轴的不正交角为$I y ，Y 与Z 的不正交角为$y Z ，Z 与X 轴的不正交角为$ZI ，因不正交角很小，近似认为其余弦值为1，正弦值为角度本身，通过坐标变换不难得出
I 100I
y
=
$I y
1
y ，（7）Z
$ZI $y Z
1Z 式中I 、y 、
Z 为校正后的坐标值。实际上，$I y 、$y Z 、$ZI 为未知量，而且一般也测量不出来，只能通过最优化技术求出。对同一环境磁场进行变换位置的N 次测量，由测量原理知，第i 测点有
D i =（I i 2+y i 2+Z i 2）1／2（i =1，2，…N ），若三维磁通门传感器相互正交，则D i =D i +1；若不
正交，则D i ! D i +1，按式（7）
进行不正交校正，使D i =（I i 2+y i 2+Z i 2）1／2（i =1，2，
…N ）纯形加速法），使 达到极小或给定的精度要求，即可求出$I y 、$y Z 、$
ZI ，由式（7）进行磁通门传感器不正交的校正。通过这种校正可相当有效地消除结构参数影响，提高实际测量精度。
! 结束语
磁通门具有测量弱磁场的特点，信号测量电路的关键是二次谐波的测量滤波器设计，如何通过滤波器设计获得对弱磁场有高分辨和高稳定的测量信号，仍有许多工作要做。结构误差的校正，不仅降低了对机械结构的高要求，而且提高了测量准确度。我们研制的定向系统用三维正交的磁通门确定方位角。磁通门探头采用跑道形结构，激磁电压12V ，激磁频率为10k H z ；由 12V 供电的UAF 42组成的二次谐波测量电路，在地磁场中最大信号输出为 3.5V ；
用单纯形加速法求不正交角，进行探头结构不正交校正。实际应用取得很好的效果。参考文献：
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作者简介：
郭爱煌（1964-），男，江西省靖安人。高级工程师，西安交通大学电子与信息工程学院博士研究生，从事电磁场理论与微波技术的研究。
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磁通门技术及其应用
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
郭爱煌， 傅君眉， GUO Ai-huang， FU Jun-mei
西安交通大学,电信学院微波工程与光通信研究所,陕西,西安,710049传感器技术
JOURNAL OF TRANSDUCER TECHNOLOGY2000,19(4)8次
1. 张学孚;陆怡良 磁通门技术 1995
2. 杨振江;余进 多用途有源滤波器UAF42DE 应用 1997(09)3. 郭爱煌;薛忍霞 全方位测斜的数值计算与误差校正 1997(01)
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