高灵敏度感应式磁场传感器广泛广泛应用于地球物理电磁方法仪器中，如大地电磁测深(Magnetotellurics MT)，可控源音频大地电磁测深(Controlled Source Audio-Frequency Magnetotellurics CSAMT)，瞬变电磁方法(Transient Electromagnetic TEM)等，这些方法仪器无一例外地采用感应式磁场传感器作为收集磁场数据的工具(邓明等，2003)，因此，高灵敏度感应式磁场传感器对电磁方法仪器具有重要意义(邓明等，2013；底青云等，2013).

感应式磁场传感器的工作原理为法拉第电磁感应定律，它将被测磁场的变化率转化为电压量输出，因此，输出电压量大小和所采用的线圈匝数、面积、被测磁场频率成正比.用于MT方法的感应式磁场传感器由3部分组成：高磁导率磁芯、多匝漆包线线圈和低噪声放大电路，为了能够满足MT方法需求，磁场传感器需足够低的噪声水平来识别微弱的天然磁场，根据磁芯材料初始磁导率参数和退磁因子公式，需要磁芯长度一般约为1.0 m(长径比大于401)以达到足够大的有效磁导率，因此，用于MT方法的常见感应式磁场传感器，如加拿大凤凰公司生产的MTC-50、MTC-80，德国Metronix公司生产的MFS-06e等，长度一般为1.0~1.4 m，重量在6~10 kg.由于物理原理限制，长度和体积难以缩小，这给野外施工带来一定的不便.

本文突破现有MT感应式磁场传感器设计方法，采用一种磁通聚集器(Flux Concentrator)技术，使得较短磁芯的有效磁导率与常规细长磁芯相当，从而实现磁场传感器的小型化.该方法最早由法国学者Mansour用于磁阻磁场传感器上，用于增加其灵敏度(Mansour et al., 2010)；2009年，以色列学者Paperno利用该方法实现了一种用于空间磁测的感应式磁场传感器(Paperno and Grosz， 2009)，该传感器长度为54 mm，重量为210 g，1 Hz噪声水平为14 pT/，100 Hz~2 kHz的噪声水平约为350 fT/.虽然该传感器体积小巧，但是由于其噪声水平远高于地球天然磁场谱密度水平(1 Hz时，天然磁场谱密度仅为1 pT/)，该磁场传感器无法满足MT方法观测需求.

国内众多单位开展了磁场传感器的研究，如2005年，中国科学院空间技术研究中心与法国科研机构合作，研制了搭载于“双星计划”卫星的空间感应式磁场传感器，工作频率为8 Hz~10 kHz，10 Hz、100 Hz、1 kHz处的噪声水平分别为3.5 pT/、250 fT/和45 fT/，代表当时空间感应式磁场传感器的最高水平.除此，海军工程大学、吉林大学、中南大学等单位均开展了感应式磁场传感器的研制工作，均没有取得令人信服的野外测试结果(王言章等，2007；陈兴朋等，2012；陈志毅等，2013).

近年来，作者所在的课题组开展了感应式磁场传感器的研制，并首次采用自主研制的磁场传感器获得最低频率达1 mHz的大地电磁数据，结果与国外同类产品一致，为感应式磁场传感器的国产化打下良好基础(巨汉基等，2010；朱万华等，2013)；在总结MT磁场传感器设计方法基础上，课题组发展了一种磁场传感器优化算法，在给定噪声水平前提下，使得磁场传感器的尺寸和重量最小，并研制出噪声水平与典型MT感应式磁场传感器相等，但重量下降30%的高灵敏度磁场传感器.这些研究结果表明：我国在高灵敏度磁场传感器研制领域已跻身国际一流水平(Yan et al., 2013).

本文在现有工作基础之上，引入磁通聚集器技术，优化磁芯结构，有效降低磁场传感器长度；采用斩波稳零放大电路技术，抑制低频1/f噪声效应.最终实现单轴磁场传感器长度为230 mm，直径为110 mm，重量为6 kg，工作频率范围为1 mHz~1 kHz，噪声水平0.1 Hz为5 pT/，1 Hz为0.5 pT/，10~100 Hz为0.1 pT/；虽该磁场传感器噪声略高于现有MT磁场传感器，但长度减小80%，测试表明：本文所研制的磁场传感器可以获取较好的MT数据，如用作垂直分量磁场的测量，可极大提高野外施工效率.如将集成为三方向的矢量磁场传感器，总体积不超过23 cm×23 cm×23 cm，重量小于21 kg，可放置在标准17英寸的深海浮球内，实现海洋MT、CSEM方法测量，将有效降低整个海洋电磁仪器的体积和成本，具有较好的应用前景.

1 设计理论

笔者和其他学者已对感应式磁场传感器的设计方法进行了深入阐述，本文将不再复述，仅对不同部分进行阐述.

通常用于MT方法的感应式磁场传感器可分为3部分：高灵敏度磁芯、多匝感应线圈和低噪声放大电路，工作原理为法拉第电磁感应定律，通过磁芯的磁通量在线圈两端产生感应电压e，该电压经过低噪声放大器放大至合适的幅度输出至接收机.根据法拉第定律，线圈输出的电压e可表示为

传感器输出电压V_out和被测磁感应强度B可以通过公式(1)和磁场传感器的等效电路计算获得，等效电路图如图 1所示，磁场传感器可等效为信号源e和等效电感L，等效电阻Rs串联，再与等效电容C并联，线圈输出V_i经过放大倍数为G的放大模块后输出V_out.V_out可表示为

图 1

Fig. 1

图 1 磁场传感器等效电路图Fig. 1 The equivalent circuit diagram of IM

衡量感应式磁场传感器的另一基本指标为噪声水平，噪声通常由磁芯噪声、线圈热噪声和放大器电流/电压噪声组成.其中磁芯噪声可通过磁芯材料优选和工艺控制实现最小化，在本文中可忽略，噪声计算可由噪声等效电路实现，如图 2所示.图中e_s表示线圈电阻引起的热噪声，e_n和i_n分别表示放大模块的等效输入电压和电流噪声.

图 2

Fig. 2

图 2 磁场传感器噪声等效电路图Fig. 2 The noise equivalent circuit diagram of IM

公式(6)是感应式磁场传感器的等效磁场噪声计算公式，是感应式磁场传感器设计的基本公式之一.由上式可见，随着有效磁导率μ_app，线圈匝数n和磁芯截面积S的增加，等效磁场噪声b_equ线性降低，但等效电感L、等效电阻R_s和等效电容C相应增加，并且整个磁场传感器的重量、体积在不断增加.因此，在满足等效磁场噪声的要求下，如何实现体积和重量最小，这一优化问题参照文献[16]解决.

2 实现方式

由于感应式磁场传感器磁芯通常采用圆柱体或长方体，这种非闭合磁路存在退磁场，在退磁场的作用下，有效磁导率远小于材料初始磁导率，往往由材料尺寸决定.本文采用磁通聚集器技术的磁芯结果，形状如图 3所示，中间部分为直径为d常规圆柱形磁芯，和常规磁芯相比，长度较短，两侧采用的两侧直径为D，厚度为t的磁芯材料即为磁通聚集器，该形状的磁芯材料可有效增加磁芯有效磁导率.

图 3

Fig. 3

图 3 磁通聚集器磁芯结构示意图Fig. 3 Schematic of magnetic flux concentrator structure

按照Osborn给出了椭球体磁芯的有效磁导率公式，假设l为磁芯长度，d为磁芯直径，m为长径比l/d，则退磁因子N可表示为

磁芯材料选用高磁导率软磁材料，采用公式计算和有限元电磁场仿真可知，在磁芯总长度为230 mm，磁通聚集器直径为110 mm，厚度为10 mm的情况下，磁芯长度内平均有效磁导率为709，和无磁通聚集器磁芯相比，有效磁导率增加4倍，满足设计要求.

线圈采用分段绕制的方式绕制，分为4段绕制，总匝数为60000，均匀分布在磁芯表面，有效降低其分布电容.

为了抑制低频1/f噪声的影响，低噪声放大电路模块采用斩波稳零技术，整个低噪声放大电路的增益为4100，等效电压输入噪声为3 nV/，电流噪声为400 fA/，无1/f噪声分量.磁场传感器设计参数总结于表 1中.

表 1(Table 1)

表 1 磁场传感器设计参数 Table 1 Parameters of the IM 名称 参数值 磁芯 直径10 mm，长度200 mm 磁通聚集器 直径110 mm，厚度10 mm 线径 直径0.3 mm 绕线匝数 总圈数60，000 线圈直流电阻 800 Ohm 线圈电感值 300 H

表 1 磁场传感器设计参数 Table 1 Parameters of the IM

磁场传感器测试分为实验室测试和野外测试.实验室测试包括磁场—电压转换系数F(f)和噪声水平，测试方法在参考文献已阐述，在此不再赘述，频率响应如图 4所示，可见响应平坦部分为50 mV/nT，转角频率为1 Hz，3 dB带宽约为150 Hz，和国外某知名产品一致.噪声水平指标测试如图 5所示，可见0.1 Hz为5 pT/，1 Hz为0.5 pT/，10~100 Hz为0.1 pT/，理论计算和测试结果吻合.

图 4

Fig. 4

图 4 磁场传感器频率响应Fig. 4 The frequency response of IM

图 5

Fig. 5

图 5 磁场传感器噪声测试图Fig. 5 The test noise level of IM

利用本文研制的超短感应式磁场传感器，课题组曾在河北省固安市郊区进行野外实验，实验仪器包括两支国外常规磁场传感器、两台国外知名MT接收机，分别接本文和国外常规磁场传感器采集5个小时，视电阻率对比图如图 6所示.由图 6可知，整个曲线在0.01~400 Hz内曲线光滑，两种传感器所获取的视电阻率曲线走势吻合，说明了本文研制的磁场传感器的有效性.0.01~100 Hz的频率范围内，ρ_xy幅度和相位的均方根误差为0.0951、0.1007；ρ_yx幅度和相位的均方根误差为0.0804、0.0165；视电阻率吻合良好；100~400 Hz部分，ρ_xy幅度和相位的均方根误差为0.4013、0.2170；ρ_yx幅度和相位的均方根误差为0.2096、0.1194，两者误差较大，这是由于本文设计的磁场传感器考虑到远景海洋领域的运用，将高频信号截止所致；0.001~0.01 Hz部分，由于累计时间和地质条件的影响，两种磁场传感器所采集到的天然磁场信号信噪比不够，曲线出现跳动，误差棒偏大，这一频率的曲线对比参考意义不大.可以预计：随着采集时间的增大，有效的视电阻率数据频率越低，累计足够长的时间，有效视电阻率可达1 mHz.

图 6

Fig. 6

图 6 视电阻率幅度、相位对比图Fig. 6 The compared resistivity result of IMs

本文在现有工作基础上，采用一种磁通聚集器磁芯结构，实现了一种超小型磁场传感器，长度为230 mm，直径为110 mm，重量为6 kg，工作频率范围为1 mHz~1 kHz，噪声水平1 Hz为0.5 pT/；和传统MT方法的感应式磁场传感器相比，噪声水平有所增大，但长度减小80%.实验室和野外测试表明：本文所研制的超小型感应式磁场传感器可用于MT方法作业，相对于常规的磁场传感器而言，本文设计的磁场传感器在体积尺寸上有了显著进步，可大幅度提高野外施工效率.如能三轴集成，可放置在直径为17英寸的标准承压舱球中，可用于海底MT方法勘探，和现有海洋电磁仪器相比，体积和成本显著降低，具有良好的应用前景.

对于MT方法而言，感应式磁场传感器的噪声水平越低越好，下一步工作是在现有体积基础上，研制噪声水平更低的斩波稳零电路，使得传感器整体噪声水平更低.