磁场是磁性物质或电流周围存在的一种物理场.磁场是一种特殊的物质，不是由分子原子组成的，却是真实存在的.磁感应强度是描述磁场强弱和方向的物理量，是矢量，常用符号B表示.磁感应强度可以表示为：，其中B_γ，B_θ，B_λ表示正交三轴的磁感应强度.

磁场的精确测量尤其是弱磁场(如大地磁场)的精确测量，已涉及航天器姿态测量与控制、空间磁场监测、空间气候观测、水下潜艇自主导航等各个方面.磁场测量的重要性是不言而喻的，而且在各种空间计划中，磁场测量往往也是整个空间计划中的一个重要组成部分.磁场测量技术所涉及的范围很广，从被测磁场强度看，它可以从10^-14至10³特斯拉以上的范围；从其频率上看，它包括直流、工频、高频及各种脉冲磁场；从测量技术所应用的原理看，它涉及到电磁效应、光磁效应、压磁效应、热磁效应等效应；从测量中使用的技术看，它包括模拟技术、数字技术等.从原则上看，凡是与磁场有关的现象都可以利用来测量磁场.磁场测量方法是在电磁理论、电子技术和物理学的基础上建立起来的.

磁通门磁强计是一种测弱磁场矢量的仪器.它利用被测磁场中高导磁铁芯在交变磁场的饱和激励下，磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的一种磁强计.与其他类型的测磁仪器相比较，磁通门磁强计具有高分辨率、测量磁场范围广，可靠，能够直接测量磁场分量的优点，因此磁通门磁强计可以被广泛的应用在航空探潜、地质勘探领域.近年来，虽然各向异性磁阻传感器(AMR)和巨磁传感器在灵敏度方面已与磁通门传感器相当，但是其性能仍然受温度和长时间稳定性的制约(Primdahl F，1979;Nielsent O V et al，1995).在1948年，就有3维磁通门磁强计在高空探测火箭中被应用，当时距离地面的高度是112 KM(Snare R C，2001).自从1958年苏联的Sputnik3卫星上带有磁通门磁强计以来，大量的磁通门磁强计(大部分是三维的)被发射升空( Gordon D，BrownR，1972)，它们被用于地球物理场观测，空间场的描述以及后来的许多空间应用中(Acuna M，1974).早期用于空间观测的磁强计都是平行双轴磁强计，1972年Apolo16用的磁通门磁强计首次采用环形磁芯的磁通门传感器(Dyal P，Gordon D，1973).在国内，也有一些单位开展磁通门磁强计的研究，中国科学院地球物理研究所研制的CTM-320磁通门三分量磁通门磁强计在南极长城站连续记录10年(1985-1995年)的日变(刘士杰等，1990)，中国地震局地球物理研究所研制的DCM-1型数字地磁脉动观测系统(周军成等，1986)、苏州大学研制的高精度数字式三轴磁通门磁强计(支萌辉，2014)等等.现如今许多地球物理仪器的发展方向都是低功耗，低成本(王肃静等，2015)，因此本文所设计的磁通门磁强计主要侧重研究的方向就是小型化，低功耗，低成本的磁通门磁强计设计.本文所述磁通门磁强计的一部分主要功能电路采用模拟电路设计，利用二次谐波(张学孚，陆怡良，1995)选择法，输出模拟量.再利用A/D芯片和PIC单片机完成模数转换和数字处理部分.相比前面所诉的磁通门磁强计，本文所述磁通门磁强计具有价格低廉，体积小，功耗低等特点.十分适合应用于民用市场，研究前景广阔.

磁通门探头基本结构包括三部分：铁芯、激励线圈和感应线圈.本文三轴磁通门磁强计的传感器探头如图 1所示.中间的软磁性材料磁芯是环形磁芯，绕在磁芯材料上的线圈是激励线圈，外面有一个骨架，骨架上缠绕的线圈是感应线圈.通过在交变激励磁场和环境磁场的共同作用下，使磁芯达到周期性饱和，利用磁饱和状态下铁芯的磁导率与感应磁场强度之间产生的非线性关系，测得感应电动势(王锋等，2008;刘腾飞，2010;李超，2011).

图 1

Fig. 1

图 1 磁通门传感器 Fig. 1 Fluxgate Sensor

图 2是本磁强计系统的电路示意图.本系统主要由磁通门探头、单片机、放大滤波、相敏检波积分器、A/D、液晶显示模块组成.单片机给出一个激励信号，在此信号作用下，磁通门的感应线圈输出感应信号，这个信号经过带通滤波，相敏整流和数字积分之后，得到的直流信号与磁场强度成正比(薛玉荣，2010).

图 2

Fig. 2

图 2 磁通门磁强计电路原理图 Fig. 2 The circuit schematic of the fluxgate magnetometer

本文介绍的磁通门磁强计采用的主控芯片采用的是Mircochip公司的单片机PIC16F877A，此单片机精度较高，可定义的引脚丰富，消耗较低，且造价低廉，性价比高，较适合用于小型磁通门磁强计.我们采用的外部晶振为6 MHz，主控芯片提供一个7.5 kHz的激励信号，并且提供一对频率相同相位相反均为15 kHz的控制相敏积分器的信号，以及控制A/D模块.下图 3是主控芯片的原理电路图.

图 3

Fig. 3

图 3 主控芯片原理图 Fig. 3 The circuit schematic of the MCU

电源模块采用的是JCA0412D01电源芯片，此电源芯片功耗较低，工作稳定，噪声小.由于我们要对双运放提供±5 V的电压，因此在此文中我们采用JCA0412D01电源芯片把12 V的电压转化成±5 V电压，原理图如下图 4所示：

图 4

Fig. 4

图 4 电源模块的电路原理图 Fig. 4 The circuit schematic of the power module

信号的选频放大电路采用的是OP297双运放构成一个有源低通滤波器以及一个无源高通滤波器组成的带通滤波器.由于OP297功耗低，体积小，较稳定，适合小型的磁通门磁强计.此带通滤波器的通带频率为12 kHz到16 kHz，放大倍数为6.5倍，可以很好的选择激励信号的二倍频信号(15 kHz)有效的阻隔一次谐波和其他多次谐波.下图 5为选频放大电路的原理电路图.

图 5

Fig. 5

图 5 选频放大电路的电路原理图 Fig. 5 The circuit schematic of the frequency selecting amplifier

相敏检波积分器采用的是OP297双运放以及多路开关MAX327组合而成，如下图 6所示.MAX327多路开关体积小，无相移.信号输入到MAX327的两个通道，用PIC16F877A输出的方波信号控制MAX327四通道模拟开关的两个开关.当方波信号为高电平时使其中一个模拟开关闭合，当方波信号为低电平时，使另外一个模拟开关闭合，这样起到了双半波整流的效果.信号再通过积分器，起到平滑信号的作用.

图 6

Fig. 6

图 6 相敏检波积分电路的电路原理图 Fig. 6 The circuit schematic of the phase sensitive detection integral circuit

升压模块选用的是一个OP297双运放来实现的.由于磁场信号通过处理模块输出为-5 V到+5 V的一个模拟信号，因此我们需要通过一个运算放大把5 V信号放大0.5倍，变为±2.5 V，再把信号通过一个加法器提高2.5 V使得输出信号在0到5 V的范围内，具体的电路图如下图 7所示：

图 7

Fig. 7

图 7 升压模块的电路原理图 Fig. 7 The circuit schematic of the boost module

A/D模块采用的AD7705芯片，AD7705芯片是16位高精度的模数转换芯片，具有很低功耗.在本文中AD7705模块有效的把模拟0到5V的电压转换成数字电压，程序简单，功耗低，比较适用于小型磁通门磁强计的设计.下图 8为A/D模块的原理图.

图 8

Fig. 8

图 8 AD转换的电路原理图 Fig. 8 The circuit schematic of the AD converter

显示模块的设计采用的是LCD1602液晶屏，LCD1602液晶屏具有小巧，功耗低，价格低廉等特点，并且可以有效的显示三通道的三组数据值.整个电路的实物图如下图 9所示.

图 9

Fig. 9

图 9 三轴磁通门磁强计实物图 Fig. 9 The physical figure of three axis fluxgate magnetometer

3.1     把三轴磁通门磁强计置于屏蔽筒(屏蔽筒的具体数据)内测量不同的已知磁场值，根据显示的电压值和已知的磁场，我们可以得到本磁强计磁场和电压之间的线性关系.如图 10所示，横坐标为磁场值(nT)，纵坐标为电压值(V).

图 10

Fig. 10

图 10 磁场和电压的线性关系 Fig. 10 The linear relationship of magnetic field and voltage

3.2    由图 10可知磁场与输出电压之间的线性度很好，它们之间的关系为U=1.2036e-04B+0.0011，零漂很小，较稳定.并且改变已知的磁场值测得了磁通门磁强计的量程可以达到±30000 nT，分辨力可以达到11.3 nT，精度比较高.研制的小型磁通门磁强计体积小、功耗低仅为0.84 W和价格低廉，适用于民用，并且为进一步将高精度磁通门磁强计推广到大众化奠定了理论和技术基础.