三轴磁通门磁力仪是一种三轴一体的磁力仪,可以测量空间中一个点的磁场的三个分量。电路部分是利用SOI(硅绝缘体)芯片、混合电路技术经全密封封装工艺制成。可在-50℃至210℃环境中正常工作,寿命超过2000 小时,稳定可靠。外形体积小,可在微型卫星、小型无人机等领域应用。三轴磁通门磁力仪可广泛用于地质、国防、航空和航天等领域的姿态测量、导航和制导。

A Study of Triaxial Fluxgate Magnetometer

Yue Zhang1, Chenxiao Cao1, Xiaorui Wang1, Guangfei Sun2

(1.Beijing Nano Tesla Technology Co. Ltd, Beijing 100074 China; 2. University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083 China,)

Abstract：Triaxial fluxgate magnetometer sensor is a magnetic sensor, which enclosed three orthogonal measurement coils in one housing, and it allows the three magnetic field components simultaneously to be measured at the same point in space, resolution is less than±1nT.With SOI (Silicon on Insulator) electronics wafer, hybrid circuit technology and hermetic seal packaging，triaxial fluxgate magnetometer works in the temperature range from -50℃to 210℃, and to survive over 2000 hours. It is stable and reliable. Its small size makes it to be suitable for micro-satellite, small UAV and rotating missile. Triaxial fluxgate magnetometer can be widely used in the field of geology, defense, aviation and aerospace for attitude measurement, navigation and guidance application. Key words: Triaxial Fluxgate magnetometer, high temperature, magnetometer, attitude measurement, navigation, guidance

三轴磁通门磁力仪的研究

张跃1，曹晨啸1，王晓瑞1，孙光飞2

(1.北京纳特斯拉科技有限公司, 北京 100074;2.北京科技大学, 北京 100083)

摘 要：三轴磁通门磁力仪是一种三轴一体的磁力仪，可以测量空间中一个点的磁场的三个分量。电路部分是利用SOI

（硅绝缘体）芯片、混合电路技术经全密封封装工艺制成。可在-50℃至210℃环境中正常工作，寿命超过2000小时，稳定可靠。外形体积小，可在微型卫星、小型无人机等领域应用。三轴磁通门磁力仪可广泛用于地质、国防、航空和航天等领域的姿态测量、导航和制导。

关键词：磁通门；三轴磁通门；高温度；磁力仪；姿态测量；导航；制导

中国分类号：O441.5 TP212.13 文献标识码：B 文章编号：

磁通门磁力仪有很多优点，可靠、简单、经济、耐用，还可以用于运动状态下姿态测量。其领域包括地磁研究、地质勘探和空间磁场测量研究。本文所介绍的三轴磁通门磁力仪有四个特点：工作温度范围宽、测量精度高、分辨率高和尺寸小。

三轴磁通门磁力仪由三轴磁通门探头和高温磁通门电路组成。三轴三轴磁通门探头由三个测量线圈和一个共用磁芯构成，测量空间中一个点的磁场的三个分量。利用SOI（硅绝缘体）芯片和混合电路技术，经全密封封装工艺制成一种高温磁通门电路。三轴磁通门磁力仪可以在-50℃至+210℃的环境中工作，无故障工作时间超过2000小时。因此它很适合高温井的钻井和测井应用，也适用于可靠性要求超高的领域。如国防、航空和航天领域。主要用于微型卫星、小型无人机和旋转弹的姿态测量、导航和制导。

头有三个正交的测量线圈，构成三个测量轴：X轴、Y轴和Z轴。在三个测量线圈的中心，有一个坡莫合金的磁芯，为三个测量线圈共用。三个测量线圈与该磁芯，构成三轴磁通门探头，可以测量空间中一个点的磁场的三个分量：X轴分量、Y轴分量和Z轴分量。

图 1.1 三轴磁通门探头

1 三轴磁通门探头原理

三轴磁通门探头如图1.1所示，三轴磁通门探

如图1.2所示，三轴磁通门探头的磁芯周期性地处在导磁状态或饱和状态。磁芯在导磁状态下，磁力线向磁芯处聚集，测量线圈中的磁通量变大；磁芯在饱和状态下，磁力线由磁芯处散开，测量线

三轴磁通门磁力仪是一种三轴一体的磁力仪,可以测量空间中一个点的磁场的三个分量。电路部分是利用SOI(硅绝缘体)芯片、混合电路技术经全密封封装工艺制成。可在-50℃至210℃环境中正常工作,寿命超过2000 小时,稳定可靠。外形体积小,可在微型卫星、小型无人机等领域应用。三轴磁通门磁力仪可广泛用于地质、国防、航空和航天等领域的姿态测量、导航和制导。

圈产生的磁场完全抵消该轴的磁场分量。测量电路圈中的磁通量变小。这个磁芯形成了一个‘门’，

共三路，使三个轴的测量线圈中的磁场为零，所以开启和关闭测量线圈中的磁通量。

测量电路是闭环测量，三路测量线圈中的反馈电流精确对应磁场的三个分量。

3 三轴磁通门磁力仪频率响应测试

频率响应测试可以很好的检测三轴磁通门磁力仪的动态输出特性。

将三轴磁通门磁力仪安装在亥姆霍兹线圈中心处，利用交变电压在亥姆霍兹线圈内产生0.5Hz到80Hz的正弦波磁场。亥姆霍兹线圈示意如图3.1所示。

图 1.2 磁芯的导磁状态和饱和状态

如图1.3所示，磁芯的状态在一个周期内跃变四次，致使测量线圈内的磁通量发生四次变化，从而产生四个感应电压脉冲PICKUP1、PICKUP2、PICKUP3、PICKUP4。

图 3.1 亥姆霍兹线圈

图 1.3 磁芯的激励电流和测量线圈的感应电压

在各种频率的正弦波磁场下，用示波器采集亥姆霍兹线圈电流和三轴磁通门磁力仪的输出,如图3.2。CH1代表亥姆霍兹线圈的磁场波形，CH2代表X轴输出电压，CH3代表Y轴输出电压，CH4代表Z轴输出电压。

2 高温磁通门电路

高温磁通门电路包括激励电路和测量电路。如

图 3.2 三轴磁通门磁力仪的频率响应

3.1，Xp-p为X轴幅值，Yp-p为Y轴幅值，轴幅值，φ（X）为X轴正弦波的相位差，Y轴正弦波的相位差，φ（Z）为Z轴正3.1中的幅值，可以算出带宽。

三轴磁通门磁力仪是一种三轴一体的磁力仪,可以测量空间中一个点的磁场的三个分量。电路部分是利用SOI(硅绝缘体)芯片、混合电路技术经全密封封装工艺制成。可在-50℃至210℃环境中正常工作,寿命超过2000 小时,稳定可靠。外形体积小,可在微型卫星、小型无人机等领域应用。三轴磁通门磁力仪可广泛用于地质、国防、航空和航天等领域的姿态测量、导航和制导。

表 3.1 三轴磁通门磁力仪在不同频率下的幅值和相位差

B(nT) f(Hz) Xp-p(V) Yp-p(V) Zp-p(V) φ（X） 103000 0.5 103000 1 103000 2 103000 4 103000 8 103000 16 103000 32 103000 40 103000 48 103000 56 103000 64 103000 80

6.8 6.8 6.8 6.8 6.8 6.4 6.0 5.6 5.2 5.1 4.5 4.0

6.8 6.8 6.8 6.8 6.8 6.8 6.0 6.0 5.9 5.5 5.2 4.4

6.4 6.4 6.4 6.2 5.6 5.3 5.0 4.7

0° 0° 1°

φ（Y）0° 0° 1°

φ（Z）0° 0° 1°

6.4 0.5° 0.5° 0.5° 6.2 20° 20° 20°

30° 30° 30° 52° 52° 52° 65° 65° 65° 78° 78° 78° 91° 91° 91°

4.4 104° 104° 104° 3.6 122° 122° 122°

频率响应测试说明了三轴磁通门磁力仪在高速旋转时，输出的幅值衰减和相位差的特性及精确值。

4 三轴磁通门磁力仪分辨力测试

利用亥姆霍兹线圈同步产生三轴正弦波磁场，幅值±1nT、频率2Hz。将三轴磁通门磁力仪安装在亥姆霍兹线圈中心位置，测量该正弦波磁场。

对三轴磁通门磁力仪的输出进行滤波处理，去掉地球直流磁场和50Hz工频磁场，可以看出频率2Hz、幅值±1nT的三路同步正弦波磁场，失真度小于50%。证明三轴磁通门磁力仪的分辨率达到±1nT 。如图4.1，横坐标表示时间，纵坐标表示磁场。

图 5.1 三轴磁通门磁力仪的噪声测试

通过测试得出，磁场的三个分量的变化量为：X轴6.25nT，Y轴12.84nT，Z轴12.82nT。见表5.1，可以得出三轴磁通门磁力仪噪声小于±10nT。

表5.1 三轴磁通门磁力仪的噪声测试结果

X(nT) Y(nT) Z(nT) Max 48.6574 116.1125 -77.8563 Min 42.4036 103.2766 -90.6858 Delta

6.2538

12.8359

12.8294

6 三轴磁通门磁力仪温度建模标定

三轴磁通门磁力仪温度建模的标定系数如下：

FXBias、FYBias、FZBias分别为XYZ轴在当前温度下的零位系数；FXScale、FYScale、FZScale分别为XYZ轴在当前温度下的比例系数；FcosXY、FcosXZ、FcosYX、FcosYZ、FcosZX、FcosZY分别为XYZ轴在当前温度下的敏感轴角度系数的余弦 值。

通过多个温度下的标定，计算出各个温度下的标定系数，如表6.1和表6.2。

表 6.1 零位系数和比例系数表

T FXBias-49.7-24.2

0.03790.0377

FYBias0.00360.00370.00400.00440.00510.00630.00670.00660.00660.00660.0057

FZBias FXScale FYScale

FZScale

0.0024 6.2852 6.1110 6.2391 0.0021 6.4459 6.2626 6.3914 0.0024 6.4764 6.2852 6.4151 0.0031 6.5109 6.3084 6.4379 0.0037 6.5388 6.3273 6.4567 0.0051 6.5853 6.3609 6.4823 0.0055 6.6079 6.3782 6.4987 0.0057 6.6437 6.4093 6.5291 0.0057 6.6535 6.4189 6.5392 0.0057 6.6485 6.4141 6.5343 0.0049 6.5930 6.3734 6.4938

图 4.1 三轴磁通门磁力仪的分辨力

5 三轴磁通门磁力仪噪声测试

将三轴磁通门磁力仪安装在屏蔽筒的中心处，

采集三轴磁通门磁力仪的输出电压。采集600次，每次间隔3s，电压周期数为20，测试结果见图5.1。

-2.3 0.037925.9 0.037750.0 0.0374109.7

0.03670.03530.03340.03340.03340.0333

150.0186.5186.8166.4131.3

三轴磁通门磁力仪是一种三轴一体的磁力仪,可以测量空间中一个点的磁场的三个分量。电路部分是利用SOI(硅绝缘体)芯片、混合电路技术经全密封封装工艺制成。可在-50℃至210℃环境中正常工作,寿命超过2000 小时,稳定可靠。外形体积小,可在微型卫星、小型无人机等领域应用。三轴磁通门磁力仪可广泛用于地质、国防、航空和航天等领域的姿态测量、导航和制导。

表 6.2 敏感轴角度系数表

T FcosXY FcosXZ FcosYXFcosYZ FcosZX FcosZY当前温度下的零位系数、比例系数、敏感轴角-49.7 0.0077 -0.0046 -0.0086 -0.0115 0.0014 0.0094

度系数余弦值通过公式(1)计算。公式（1）括弧中-24.2 -0.0032 -0.0043 0.0025 -0.0116 0.0015 0.0096

的0、1、2、3代表温度拟合的阶数。测量的磁场的-2.3 -0.0097 -0.0044 0.0092 -0.0113 0.0018 0.0096

25.9 -0.0795 -0.0040 0.0791 -0.0113 0.0024 0.0097

三个分量，用当前温度下的标定系数和采集的电压

50.0 -0.0796 -0.0042 0.0789 -0.0114 0.0026 0.0097

通过公式(2)计算。 109.7 -0.0796 -0.0045 0.0787 -0.0111 0.0026 0.0097

150.0 -0.0797 -0.0048 0.0788 -0.0107 0.0026 0.0097 186.5 -0.0797 -0.0048 0.0789 -0.0101 0.0024 0.0099 FXBias FXBias(0)FXBias(1)FXBias(2)FXBias(3) (1)

186.8 -0.0796 -0.0049 166.4 -0.0796 -0.0049 131.3 -0.0799 -0.0042

0.0788 0.0788 0.0791

-0.0101 0.0024 -0.0101 0.0024 -0.0109 0.0025

0.0099 0.0099 0.0097

在多个温度标定后，对零位系数和比例系数进

行温度的三阶傅里叶多项式拟合，如表6.3。

表 6.3 傅里叶多项式拟合

Coefficients 0 1 2 3 FX Bias FY Bias FZ Bias FX Scale FY Scale FZ Scale FcosXY FcosXZ FcosYX FcosYZ FcosZX FcosZY

-1.5359E-05 -7.3314E-05 -1.2739E-03 6.6632E+00 6.2951E+00 6.5129E+00 -0.0022 -0.0017 0.0078 0.0086 0.0022 -0.0102

-1.0430E-05 -5.1624E-06 -1.3389E-05 9.9218E-04 9.8108E-04 9.7928E-04

1.0250E-06 9.9593E-07 1.0376E-06 -2.2185E-06 -1.7581E-06 -2.6665E-06

-7.0164E-09-6.9072E-09-6.9440E-093.6462E-09-1.6437E-094.0584E-09

FYBias FYBias(0)FYBias(1)FYBias(2)FYBias(3) T^0

FZBias FZBias(0)FZBias(1)FZBias(2)FZBias(3) T^1

FXScale FXScale(0)FXScale(1)FXScale(2)FXScale(3) T^2

FYScale FYScale(0)FYScale(1)FYScale(2)FYScale(3) T^3

FZScale(0)FZScale(1)FZScale(2)FZScale(3) FZScale

FcosXYFcosXZ FXUM/FXScale FXBias HX 1

HY FcosYX 1FcosYZ FYUM/FYScale FYBias 1 HZ FcosZXFcosZY FZUM/FZScale FZBias

(2)

如表6.4和表6.5，通过温度建模标定，得出X

轴零位系数重复性在±5nT，Y轴零位系数重复性在±20nT, Z轴零位系数重复性在±30nT。

X轴的比例系数重复性在0.04%，Y轴的比例系数重复性在0.08%，Z轴的比例系数重复性在0.06%。

温度建模后的敏感轴角度系数随温度的变化，敏感轴X相对于壳体Y的变化为0.60°，敏感轴X相对于壳体Z的变化为0.04°，敏感轴Y相对于壳体X的变化为0.61°，敏感轴Y相对于壳体Z的变化为0.05°，敏感轴Z相对于壳体X的变化为0.14°，敏感轴Z相对于壳体Y的变化为0.06°。

表 6.4 零位系数和比例系数重复性

Max Min

=ΔMax-Min Bias Model(nT)

FXBias FYBias FZBias FXScale FYScale

FZScale

0.0379 0.0067 0.0057 6.6535 6.4189 6.5392 0.0333 0.0036 0.0021 6.2852 6.1110 6.2391 0.0047 0.0031 0.0036 0.3682 0.3079 0.3000 9.9

三轴磁通门磁力仪的零位系数越小，性能越好。敏感轴角度系数越小，性能越好。比例系数的容差越小，性能越好。

温度建模标定后，零位系数和比例系数随温度的变化越小，性能越好。敏感轴角度系数随温度的变化越小，测量精度越高。

温度建模标定后，零位系数和比例系数的温度建模重复性误差越小，测量精度越高。

7 结论

（1）研制了三轴磁通门磁力仪，可以同时测量空间一个点的磁场的三个分量。

（2）采用SOI（硅绝缘体）芯片和混合电路技术，经全密封封装工艺，研制出一种高温磁通门电路，使得三轴磁通门磁力仪在-50℃到+210℃范围内工作，寿命超过2000小时。

（3）三轴磁通门磁力仪带宽为60Hz。

（4）三轴磁通门磁力仪分辨力达到±1nT。 （5）三轴磁通门磁力仪噪声小于±10nT。

（6）三轴磁通门磁力仪在-50℃到185℃温度建模标定中，零位系数重复性误差小于±30nT；比例系数重复性误差小于0.08%；敏感轴角度随温度的变化小于0.61°。

ScaleModel(ppm)

Max Min Max(°) Min(°)

39.4 59.0 380.8 728.0 518.1

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，1995:30-34.

[2] 许晖，石秀华等.磁通门罗盘的设计[J].传感器技术学报，2003（4）：464-466.

[3] 谢子殿，朱秀等.磁通门信号处理电路的设计与研究[J].黑龙江科技学院学报，2003,13（2）：46-50

表 6.5 敏感轴角度系数随温度的变化表

FcosXY FcosXZ FcosYX FcosYZ FcosZX FcosZY 0.0077 -0.0040 0.0791 -0.0101 0.0026 0.0099 -0.0799 -0.0049 -0.0086 -0.0116 0.0014 0.0094

-0.0005

90.66 90.30 89.89 90.37 90.12 89.81 90.06 90.26 89.28 90.32 89.98 89.75

=ΔMax-Min 0.0876 0.0009 0.0877 0.0015 -0.0012

=ΔMax-Min 0.60 0.04 0.61 0.05 0.14 0.06