CN102004231A - 一种直流及低频磁场信号检测设备及其检波方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种检测设备及其检波方法，尤其是涉及一种直流及低频磁场信号检测设备及其检波方法。一种直流及低频磁场信号检测设备，其特征在于，包括探头装置(30)以及与探头装置(30)相连的检测模块(31)。因此，本发明具有如下优点：1.设计合理，结构简单，噪声较小且完全实用；2.整个测试装置的输出零点不会随温度的变化而变化，由此很大程度上降低了测试误差；3.不会使整个装置的输出信号产生非线性。

Description

一种直流及低频磁场信号检测设备及其检波方法

技术领域

本发明涉及一种检测设备及其检波方法，尤其是涉及一种直流及低频磁场信号检测设备及其检波方法。

背景技术

当被测磁场具有平行于探头纵向的分量时，在对称交变磁场的激励下，磁芯的磁状态将发生“非对称性”变化，磁芯外的感应线圈上的感应电压随外磁场的变化而变化，利用这一机理可对磁场矢量的分量进行测量。相应的检测装置广泛用于测量地球磁场、地下管道及铁磁物体探测、地质勘探等，也可用于电流测试。

目前，探头在电路板上固定需加工专门的安装架和紧固件，两者之间的电连接均采用引线焊接方式，另外，电路常需要专用的封装外壳，在结构上增加了整个传感器的体积和复杂性。近年来，相关技术人员采用微电子工艺制作了微磁测量装置，如美国发明US 20030173962A1等，但其产品噪声较大，难以实用化，本发明将采用与此相关的印制电路板PCB工艺对测试装置结构进行改进；为减小功耗，通常采用脉冲激励方式，感应电路采用二极管对管检波，这使得感应回路处于间歇闭合工作状态；由于二极管参数对温度变化十分敏感，致使整个测试装置的输出零点随温度的变化而变化，由此增加测试误差，本发明采用双路模拟开关及三种组合状态来解决这一问题；探头磁芯材料具有大的非线性特性，将使装置的输出信号产生非线性，本发明采用电流源电路解决这一问题。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的电路常需要专用的封装外壳，在结构上增加了整个传感器的体积和复杂性，而且产品噪声较大，难以实用化等的技术问题；提供了一种结构简单，噪声较小且完全实用的直流及低频磁场信号检测设备及其检波方法。

本发明还有一目的是解决现有技术所存在的由于二极管参数对温度变化十分敏感，致使整个测试装置的输出零点随温度的变化而变化，由此增加测试误差等的技术问题；提供了一种整个测试装置的输出零点不会随温度的变化而变化，由此很大程度上降低了测试误差的直流及低频磁场信号检测设备及其检波方法。

本发明再有一目的是解决现有技术所存在的探头磁芯材料具有大的非线性特性，将使装置的输出信号产生非线性等的技术问题；提供了一种不会使整个装置的输出信号产生非线性的直流及低频磁场信号检测设备及其检波方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种直流及低频磁场信号检测设备，其特征在于，包括探头装置以及与探头装置相连的检测模块。

在上述的直流及低频磁场信号检测设备，所述的探头装置包括至少两个设置有安置槽并且两端设有挡线翼的骨架，磁芯设置在安置槽内，线圈绕组绕制在所述的骨架上。

在上述的直流及低频磁场信号检测设备，还包括设置有若干金属化孔焊盘的挡线条，上述的挡线翼上均设有若干金属化孔焊盘，所述的挡线条叠放并固定在挡线翼上，所述的金属化孔焊盘外围均设置有覆铜层。

在上述的直流及低频磁场信号检测设备，所述的骨架为两根，分别为上骨架和下骨架，上下叠放设置，插针一、插针二、插针三、插针四、插针五、插针六插针依次穿过上下骨架的挡线条的金属化孔焊盘以及挡线翼上的金属化孔焊盘将上下骨架相连并固定，所述的线圈绕组包括激励线圈和感应线圈及反馈线圈。

在上述的直流及低频磁场信号检测设备，激励线圈分别以上骨架和下骨架为磁芯绕制在上骨架和下骨架上，感应线圈以上骨架和下骨架组合整体为磁芯绕制在上骨架和下骨架外围并将激励线圈包含在感应线圈内，反馈线圈以上骨架和下骨架组合整体为磁芯绕制在上骨架和下骨架外围并将激励线圈以及感应线圈包含在反馈线圈内。

在上述的直流及低频磁场信号检测设备，所述的检测模块包括分别设有金属化孔焊盘的并上下叠放的两块电路板，它还包括设置在电路板之间两块封装条，激励电路、感应电路以及反馈电路均设置在封装条之间并设置在电路板之间，所述的感应电路分别与激励电路以及反馈电路相连。

实际使用中，为简便计，可以将反馈线圈并入感应线圈形成具有复合功能的反馈/感应线圈，这时反馈电路可用一电阻替代。

在上述的直流及低频磁场信号检测设备，所述的激励电路包括激励电容以及通过与插针一和插针四与激励电容连接的驱动器。

在上述的直流及低频磁场信号检测设备，所述的感应电路包括通过与插针二相连的串联电容，以及与插针五连接的模拟开关一，串联电容上还连接有模拟开关二，所述的模拟开关一还分别与串联电容以及模拟开关二相连接，感应电路还包括分别与模拟开关一以及模拟开关二相连的单片机，以及设置在模拟开关一与模拟开关二之间的并联电阻以及与并联电阻并联的并联电容。

在上述的直流及低频磁场信号检测设备，所述的反馈电路包括反馈电阻一，反馈电阻一通过运算放大器及反馈电阻二与插针三连接，所述的运算放大器输出端与插针六相连。

一种应用直流及低频磁场信号检测设备的检波方法，包括以下步骤：

步骤1，模拟开关一断开，模拟开关二闭合，使感应线圈上的信号电流前半波对并联电阻进行快速充电，且串联电容上存储的能量同时转移到并联电容上；

步骤2，模拟开关一闭合，模拟开关二断开，使感应线圈上的信号电流后半波能量储存在串联电容上；

步骤3，模拟开关一断开，模拟开关二断开，以便保持存储在串联电容上的能量；

步骤4，重复步骤1至步骤3，使感应线圈上流过的交变信号变为转换为并联电容的与外磁场成正比的电压信号。

因此，本发明具有如下优点：1.设计合理，结构简单，噪声较小且完全实用；2.整个测试装置的输出零点不会随温度的变化而变化，由此很大程度上降低了测试误差；3.不会使整个装置的输出信号产生非线性。

附图说明

图1为高导磁率低矫顽力磁芯示意图。

图2为“工”字形骨架结构示意图。

图3为插针示意图。

图4为挡线条结构示意图。

图5为仅绕制激励线圈的探头结构示意图。

图6为已绕制感应线圈与激励线圈的探头结构示意图。

图7为已绕制反馈线圈及感应线圈与激励线圈的完整的探头结构示意图。

图8为电路封装条结构示意图。

图9为检测模块外形结构示意图。

图10为检测模块剖面结构示意图。

图11为检测设备电路原理图。

图12为本发明的电压输出信号示意图。

图13为本发明的结构原理图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。图中，磁芯1、骨架2、上骨架201、下骨架202、安置槽3、挡线翼4、金属化孔焊盘5、覆铜层6、插针一71、插针二72、插针三73、插针四74、插针五75、插针六76、挡线条8、激励线圈9、线头10、感应线圈11、反馈线圈12、探头13、封装条14、电路板15、检测模块33、电子元件17、单片机18、驱动器19、激励电容20、串联电容21、模拟开关一221、模拟开关二222、并联电容23、并联电阻24、运算放大器25、反馈电阻一26、反馈电阻二27、探头装置30、检测模块31、激励电路34、感应电路35、反馈电路36。

实施例：

一种直流及低频磁场信号检测设备，包括探头装置30以及与探头装置30相连的检测模块31。探头装置30包括至少两个设置有安置槽3并且两端设有挡线翼4的骨架2，磁芯1设置在安置槽3内，线圈绕组37绕制在所述的骨架2上。本发明还包括设置有若干金属化孔焊盘5的挡线条8，挡线翼4上均设有若干金属化孔焊盘5，挡线条8叠放并固定在挡线翼4上，所述的金属化孔焊盘5外围均设置有覆铜层6。如图1，选择磁芯1为高磁导率和低矫顽力的非晶态带，宽度为2mm，长为20mm。如图2、图3、图4，采用印制电路板制作工艺包括覆铜板腐蚀、金属化、数控设备铣等制作“工”字形骨架2及挡线条8，“工”字形骨架2上开有纵槽3，其两端有挡线翼4，每个挡线翼4上有两对金属化孔焊盘5，每个挡线条8上有三对金属化孔焊盘5，磁芯1放在纵槽3内用硅橡胶固定，纵槽3深0.9mm，宽2.1mm。

骨架2为两根，分别为上骨架21和下骨架22，上下叠放设置，插针一71、72、73、74、75、76依次穿过上下骨架2的挡线条8的金属化孔焊盘5以及挡线翼4上的金属化孔焊盘5将上下骨架2相连并固定，所述的线圈绕组37包括激励线圈9和感应线圈11及反馈线圈12。如图5，在两个“工”字形骨架2各自绕制线圈并以串联方式引出两线头10，将两骨架相背也可相向对齐迭放焊接插针7，再对齐放置挡线条8用插针焊接成为一个整体，将上述两线头10焊接在金属化孔焊盘5内，这时，两“工”字形骨架2上绕制的线圈形成串联反接组成激励线圈9，该线圈线头10通过覆铜层6与插针一71及插针四74实现电连接。

激励线圈9分别以上骨架21和下骨架22为磁芯绕制在上骨架21和下骨架22上，感应线圈11以上骨架21和下骨架22组合整体为磁芯绕制在上骨架21和下骨架22外围并将激励线圈9包含在感应线圈11内，反馈线圈12以上骨架21和下骨架22组合整体为磁芯绕制在上骨架21和下骨架22外围并将激励线圈9以及感应线圈11包含在反馈线圈12内。如图6、图7，在已绕制激励线圈9的骨架上绕制感应线圈11及反馈线圈12，其线头10焊接在金属化孔焊盘5内，感应线圈11的线头10通过覆铜层6与插针二72及插针五75实现电连接，反馈线圈12的线头10通过覆铜层6与插针三73及插针六76实现电连接，这样，整个双磁芯探头13就制作完成了。

感应线圈11与反馈线圈12的叠放层次可以交换，即，可以先绕反馈线圈12，将反馈线圈12包含在感应线圈11内，且感应线圈11可以比反馈线圈12的长度短一些。

检测模块33包括分别设有金属化孔焊盘5的并上下叠放的两块电路板15，它还包括设置在电路板15之间两块封装条14，激励电路34、感应电路35以及反馈电路36均设置在封装条14之间并设置在电路板15之间，所述的感应电路35分别与激励电路34以及反馈电路36相连。如图8、图9、图10，采用印制电路板制作工艺包括覆铜板腐蚀、金属化、数控设备铣等制作电路板15及封装条14，电路板15及封装条14上具有金属化孔焊盘5，插针一71、72、73、74、75、76穿过电路板15及封装条14上的金属化孔焊盘5并焊接成一个整体，电路板15之间的电连接及整个电路模块16的电信号输入输出均通过插针一71、插针二72、插针三73、插针四74、插针五75、插针六76实现，将电路模块16宽度方向上的插针一71、72、73、74、75、76露出电路板15的部分用斜口钳剪去，电子元件17焊接在电路板15内侧。

如图11，将探头13与电路模块16的相应引脚按如图11方式连接即得到本发明的磁场检测装置。激励电路：驱动器19通过激励电容20与插针一71和插针四74连接，单片机18控制驱动器19在探头13激励线圈9中产生激励磁场对磁芯1进行激励，驱动器19为MOSFET互补对管，也可用三极管互补对管替代，单片机18采用PIC16F508。当被测磁场具有平行于探头纵向的分量时，在对称交变磁场的激励下，磁芯1的磁状态将发生“非对称性”变化，磁芯外的感应线圈11上的感应电压随外磁场的变化而变化；感应电路：模拟开关22通过串联电容21与插针二72和插针五75连接，并联电容23与并联电阻24并联组成滤波电路，再与模拟开关22相连接；反馈电路：反馈电阻一26通过运算放大器25及反馈电阻二27与插针三73c和插针六76c’连接，以补偿电压为输入信号，以反馈线圈12为负载，反馈电阻一26与运算放大器25及反馈电阻二27组成电流源电路，将补偿电压转换成电流在反馈线圈12中产生与外界磁场方向相反的磁场，使磁芯1受到的合成磁场减小甚至等于零，提高检测装置输出信号的线性度。

一种应用直流及低频磁场信号检测设备的检波方法，包括以下步骤：

步骤1，模拟开关一221断开，模拟开关二222闭合，使感应线圈11上的信号电流前半波对并联电阻24进行快速充电，且串联电容21上存储的能量同时转移到并联电容23上；

步骤2，模拟开关一221，模拟开关二222断开，使感应线圈11上的信号电流后半波能量储存在串联电容21上；

步骤3，模拟开关一221断开，模拟开关二222断开，以便保持存储在串联电容21上的能量；

步骤4，重复步骤1至步骤3，使感应线圈11上流过的交变信号转换为并联电容23上的与外磁场成正比的电压信号，其比例系数约为30μV/nT。

如图12，该图上面的曲线表示探头输出的电流Ib，下图表示与上图对应的并联电容23上电压，图中仅绘制了两个波形。在单片机18控制下双路模拟开关22按如下步骤进行循环操作：第一步对应于图12中t1时间段，即感应电流波形的前半波：模拟开关一221断开，模拟开关二222闭合，使感应线圈11上的信号电流前半波对并联电容23进行快速充电，且串联电容21上存储的能量同时转移到并联电容23上；第二步对应于图12中t2时间段，即感应电流波形的后半波：模拟开关一221，模拟开关二222断开，使感应线圈11上的信号电流后半波能量储存在串联电容21上；第三步对应于图12中t3时间段，为节省功耗而插入的间歇时间：模拟开关一221断开，模拟开关二222断开，以便保持存储在串联电容21上的能量。这三个步骤反复循环，使感应线圈11上流过的交变信号转换为并联电容23上的与外磁场成正比的电压信号，以此作为本发明的磁场检测装置的输出信号，也可将该信号的积分作为本发明的磁场检测装置的输出信号，该输出信号也是补偿信号。在感应电流波形任一半波范围内，感应电流的符号不变，图12中的感应电流波形对应的是被测磁场为正的情况，这时感应电流波形前半波为正后半波为负，如被测磁场为负，则感应电流波形反向，即，感应电流波形前半波为负后半波为正，这时，并联电容23上得到的检波电压也将为负。

本实施例中的激励线圈9、感应线圈11以及反馈线圈12分别与激励电路34、感应电路35以及反馈电路36相连接，因此，本实施例中的插针一71、插针二72、插针三73、插针四74、插针五75、插针六76与激励线圈9、感应线圈11、反馈线圈12、激励电路34、感应电路35以及反馈电路36的连接方式并不是唯一方式，事实上，只要按照上述对应连接的方式就可以了。另外，本实施例中的激励线圈9的绕制方法，是由一根线圈串联绕制在上骨架21和下骨架22上，然后将上骨架21翻转叠放在下骨架22上。

另外，本专利所述探头结构仅适用于均匀磁场情形，这时，磁场对应的磁力线为直线，与本专利所述的直线型探头相适应。电流通过直导线产生的磁场对应的磁力线为环形线，当检测由直导线产生的磁场时，探头应改为环形。磁场可由永磁体、地球自转、带电流的导线等多种源产生，其相应的装置可能称为永磁体检测装置、磁场检测装置或电流检测装置，但无论检测由何种源所产生的磁场或者装置为何种名称，但本质上均为磁场检测装置，其所用探头结构与电路的相关技术属于本专利的保护范围。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了磁芯1、骨架2、上骨架201、下骨架202、安置槽3、挡线翼4、金属化孔焊盘5、覆铜层6、插针一71、插针二72、插针三73、插针四74、插针五75、插针六76、挡线条8、激励线圈9、线头10、感应线圈11、反馈线圈12、探头13、封装条14、电路板15、检测模块33、电子元件17、单片机18、驱动器19、激励电容20、串联电容21、模拟开关一221、模拟开关二222、并联电容23、并联电阻24、运算放大器25、反馈电阻一26、反馈电阻二27、探头装置30、检测模块31、激励电路34、感应电路35、反馈电路36等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (10)

1.一种直流及低频磁场信号检测设备，其特征在于，包括探头装置(30)以及与探头装置(30)相连的检测模块(31)。

2.根据权利要求1所述的直流及低频磁场信号检测设备，其特征在于，所述的探头装置(30)包括至少两个设置有安置槽(3)并且两端设有挡线翼(4)的骨架(2)，磁芯(1)设置在安置槽(3)内，线圈绕组(37)绕制在所述的骨架(2)上。

3.根据权利要求1所述的直流及低频磁场信号检测设备，其特征在于，所述的直流及低频磁场信号检测设备还包括设置有若干金属化孔焊盘(5)的挡线条(8)，上述的挡线翼(4)上均设有若干金属化孔焊盘(5)，所述的挡线条(8)叠放并固定在挡线翼(4)上，所述的金属化孔焊盘(5)外围均设置有覆铜层(6)。

4.根据权利要求2所述的直流及低频磁场信号检测设备，其特征在于，所述的骨架(2)为两根，分别为上骨架(201)和下骨架(202)，上下叠放设置，插针一(71)、插针二(72)、插针三(73)、插针四(74)、插针五(75)、插针六(76)依次穿过上下骨架(2)的挡线条(8)的金属化孔焊盘(5)以及挡线翼(4)上的金属化孔焊盘(5)将上下骨架(2)相连并固定，所述的线圈绕组(37)包括激励线圈(9)和感应线圈(11)及反馈线圈(12)。

5.根据权利要求2所述的直流及低频磁场信号检测设备，其特征在于，激励线圈(9)分别以上骨架(201)和下骨架(202)为磁芯绕制在上骨架(201)和下骨架(202)上，感应线圈(11)以上骨架(201)和下骨架(202)组合整体为磁芯绕制在上骨架(201)和下骨架(202)外围并将激励线圈(9)包含在感应线圈(11)内，反馈线圈(12)以上骨架(201)和下骨架(202)组合整体为磁芯绕制在上骨架(201)和下骨架(202)外围并将激励线圈(9)以及感应线圈(11)包含在反馈线圈(12)内。

6.根据权利要求2或3所述的直流及低频磁场信号检测设备，其特征在于，所述的检测模块(33)包括分别设有金属化孔焊盘(5)的并上下叠放的两块电路板(15)，它还包括设置在电路板(15)之间两块封装条(14)，激励电路(34)、感应电路(35)以及反馈电路(36)均设置在封装条(14)之间并设置在电路板(15)之间，所述的感应电路(35)分别与激励电路(34)以及反馈电路(36)相连。

7.根据权利要求4所述的直流及低频磁场信号检测设备，其特征在于，所述的激励电路(34)包括激励电容(20)以及通过与插针一(71)和插针四(74)与激励电容(20)连接的驱动器(19)。

8.根据权利要求5所述的直流及低频磁场信号检测设备，其特征在于，所述的感应电路(35)包括通过与插针二(72)相连的串联电容(21)，以及与插针五(75)连接的模拟开关一(221)，串联电容(21)上还连接有模拟开关(222)，所述的模拟开关一(221)还分别与串联电容(21)以及模拟开关二(222)相连接，感应电路(35)还包括分别与模拟开关一(221)以及模拟开关二(222)相连的单片机(18)，以及设置在模拟开关一(221)与模拟开关二(222)之间的并联电阻(24)以及与并联电阻(24)并联的并联电容(23)。

9.根据权利要求5所述的直流及低频磁场信号检测设备，其特征在于，所述的反馈电路(36)包括反馈电阻一(26)，反馈电阻一(26)通过运算放大器(25)及反馈电阻二(27)与插针三(73)连接，所述的运算放大器(25)输出端与插针六(76)相连。

10.一种应用权利要求1所述的检测设备的检波方法，包括以下步骤：

步骤1，模拟开关一(221)断开，模拟开关二(222)闭合，使感应线圈(11)上的信号电流前半波对并联电阻(24)进行快速充电，且串联电容(21)上存储的能量同时转移到并联电容(23)上；

步骤2，模拟开关一(221)，模拟开关二(222)断开，使感应线圈(11)上的信号电流后半波能量储存在串联电容(21)上；

步骤3，模拟开关一(221)断开，模拟开关二(222)断开，以便保持存储在串联电容(21)上的能量；

步骤4，重复步骤1至步骤3，使感应线圈(11)上流过的交变信号转换为并联电容(23)上的与外磁场成正比的电压信号。

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