CN102830371A - 一种磁通门传感器信号处理电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁通门传感器信号处理电路，包括DSP数字信号处理器及信号反馈单元，磁通门探头所采集的环境电压信号经隔直电路、可编程增益放大器与数字信号处理器连接，信号反馈单元将数字信号处理器的处理信号反馈至隔直电路的前端，其中DSP数字信号处理器包括模数转换器、数字选频器、相敏检波器和磁场标定模块；信号反馈单元包括插值计算模块、数模转换器和可编程增益放大器，DSP数字信号处理器接收磁通门探头的信号，依次经模数转换、数字选频滤波、相敏整流和磁场标定输出所测环境磁场的大小；通过对环境信号的数字处理，提高了磁通门传感器的测量精度和产品性能，使其更便于调整和实现系统的升级。

Description

一种磁通门传感器信号处理电路

技术领域

本发明涉及磁通门电子电路技术领域，更具体地讲，涉及一种磁通门传感器信号处理电路，对磁通门原始信号采集，通过数学计算求得磁通门信号的二次谐波，以达到测量外围磁场的目的。

背景技术

20世纪30年代初，出现了磁通门技术，它可以测定恒定和低频弱磁场，其基本原理是利用高磁导率、低矫顽力的软磁材料磁芯制成感应线圈被激励后，出现随环境磁场而变的偶次谐波分量的电势特性，通过高性能的磁通门调理电路测量偶次谐波分量，从而测得环境磁场的大小。磁通门传感器是利用被测磁场中高导磁铁芯在交变磁场的饱和激励下，其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传感器。与其他类型测磁仪器相比，磁通门传感器具有分辨力高、测量弱磁场范围宽、可靠、能够直接测量磁场的分量等特点。目前，磁通门传感器凭借其高精度、耐高温、分轴测量等特性，在军事、能源、矿产、航天等领域有了广泛的应用。

常规的磁通门信号处理电路是通过模拟电路来对信号进行分析处理，这就导致处理电路板制作非常复杂，产品体积大功耗大，而且成本居高不下；测量精度低，且不易实现系统的升级和调试。

发明内容

为了提高磁通门传感器的测量精度，提高产品性能，使其更便于调整和实现系统的升级，本发明提供了一种磁通门传感器信号处理电路。

所述技术方案如下：

一种磁通门传感器信号处理电路，包括磁通门信号处理单元及信号反馈单元，磁通门探头所采集的环境电压信号经隔直电路、可编程增益放大器与所述信号处理单元连接，

所述磁通门信号处理单元包括：

模数转换器，接收经所述可编程增益放大器的电压模拟信号，并将其转换为电压数字信号；

数字选频器，接收经转换后的电压数字信号并对其滤波，获取高信噪比的电压数字信号；

相敏检波器，接收所述数字选频器的电压数字信号，并对其进行整流；

磁场标定模块，接收所述相敏检波器整流后的电压数字信号，并对其进行磁场标定，输出所标定的磁场大小；

所述信号反馈单元接收经所述相敏检波器整流后的电压数字信号，并将其反馈至所述隔直电路的前端。

所述磁通门信号处理单元为DSP数字信号处理器。

进一步地，所述信号反馈单元包括数模转换器和可编程增益放大器；

所述数模转换器接收整流后的电压数字信号，并将其转换为电压模拟信号；

所述可编程增益放大器接收经数模转换器转换后的电压模拟信号，并将其输出至隔直电路的前端。

再进一步地，所述信号反馈单元还包括插值计算模块，其接收经所述相敏检波器整流后的电压数字信号，并对其进行插值处理，所述整流后离散的电压数字信号经所述插值计算模块形成近似连续的波形信号。

所述的隔直电路为隔直电容。

所述的模数转换器型号为AD7400A。

对所述相敏检波器整流后的电压数字信号进行磁场标定是通过提取整流后的电压数字信号的幅值，并根据电压与磁场强度之间的线性关系获取与其幅值相对应的磁场大小。

本发明所提供的技术方案与传统的磁通门传感器信号处理电路相比具有以下有益效果：

（1）采用数字信号处理器对磁通门传感器所采集的模拟信号进行数字处理，使整个处理系统集成度高，所有信号的处理均在通过软件来完成，使外围元件少，抗干扰能力强，能工作在复杂电磁环境下。

（2）本发明采用数字化处理方式，主要采用集成芯片，其体积小，功耗低；

（3）通过对DSP的程序修改可实现功能的调整，使调试与系统升级变得极为方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为磁通门传感器示意图；

图2为磁通门传感器电路原理图；

图3为本发明所提供的电路原理框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

磁通门传感器是利用高导磁铁芯在饱和交变励磁下选通调制直流磁场分量，并将直流磁场变为交流电压输出，进而达到测量外界磁场的目的。其基本结构如图1所示。

在一根铁心上缠绕激磁线圈和感应线圈，根据法拉第电磁感应定律，感应线圈上应产生的感应电势为：

$e=-{10}^{-8}\frac{d}{\mathrm{dt}}\left(\mathrm{W\μHS}\right)$

其中W为感应线圈的匝数，μ为磁导率，H为磁场强度，S为铁心横截面积。当激磁线圈接上频率为f的正弦激磁电压时，即：

H=H_mcos(2πft)，

其中H_m为激磁磁场强度赋值。

若不考虑铁芯磁导率μ的变化，得到理想变压器的数学模型，其感应线圈上产生的感应电势为：

e=2π×10^-8fμWSH_msin(2πft)

由于铁芯磁化曲线的非线性，激磁磁场瞬时值变化导致磁导率μ的变化。所以，实际变压器效应数学模型为：

$e=2\mathrm{\π}\×{10}^{-8}\mathrm{f\μ}\left(t\right){\mathrm{WSH}}_m\sin \left(2\mathrm{\πft}\right)-{10}^{-8}\frac{\mathrm{d\μ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}{\mathrm{WSH}}_m\cos \left(2\mathrm{\πft}\right)$

激磁磁场瞬时值方向呈周期性变化，随之而变的铁芯磁导率μ(t)却无正负之分。所以μ(t)为偶函数，将μ(t)展开为傅立叶级数可得：

μ(t)=μ_0m+μ_2mcos(4πft)+μ_4mcos(8πft)+μ_6mcos(12πft)+...

将μ(t)的傅立叶展开代入上式得：

$e=2\mathrm{\π}\×{10}^{-8}f{\mathrm{WSH}}_m[({\mathrm{\μ}}_{0m}+\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_{2m})\sin \left(2\mathrm{\πft}\right)+\frac{3}{2}({\mathrm{\μ}}_{2m}+{\mathrm{\μ}}_{4m})\sin \left(6\mathrm{\πft}\right)$

$+\frac{5}{2}({\mathrm{\μ}}_{4m}+{\mathrm{\μ}}_{6m})\sin \left(10\mathrm{\πft}\right)+\frac{7}{2}({\mathrm{\μ}}_{6m}+{\mathrm{\μ}}_{8m})\sin \left(14\mathrm{\πft}\right)...]$

若考虑环境磁场施加在铁芯轴向上的分量H₀时，变为：

$e=2\mathrm{\π}\×{10}^{-8}\mathrm{f\μ}\left(t\right){\mathrm{WSH}}_m\sin \left(2\mathrm{\πft}\right)$

${-10}^{-8}\frac{\mathrm{d\μ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}{\mathrm{WSH}}_m\cos \left(2\mathrm{\πft}\right)-{10}^{-8}\frac{\mathrm{d\μ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}{\mathrm{WSH}}_0$

当H₀比铁芯饱和磁场强度H_s和激磁磁场强度幅值H_m都小得很多时，它对铁芯磁导率μ(t)的影响可以忽略。H₀引起的感应电动势e的增量e(H₀)为：

e(H₀)=-2π×10^-8fWSH₀(2μ_2msin(4πft)

+4μ_4msin(8πft)+6μ_6msin(12πft)+...)

磁通门传感器利用电磁感应原理来实现对磁场的检测，将地磁信号转换为电信号。任意偶次谐波可作为被测磁场的量度，由于二次谐波幅值最大，故通常选取其二次谐波电压量度被测磁场。

本发明的磁通门传感器采用三端式磁通门结构设计，其激励为5KHz的方波，磁通门传感器激磁线圈与感应线圈等效电路如图2所示；由于激励绕组和测量绕组为同一线圈，因此必须使用隔离变压器。隔离变压器采用推挽输出方式，次级中心端接地，磁通门传感器输出的变压器效应相互抵消，故外界磁场产生的磁通门效应增加，其输出为随环境磁场而变化的偶次谐波增量。

图3是数字信号处理电路的原理框图，其主要包括磁通门探头、信号处理单元及信号反馈单元，所述磁通门探头所采集的环境电压信号经隔直电路、可编程增益放大器与所述信号处理单元连接，所述信号反馈单元将所述信号处理单元的处理信号反馈至所述隔直电路的前端，其中的隔直电路采用隔直电容，信号处理单元为DSP数字信号处理器，其包括：

模数转换器，接收经所述可编程增益放大器的电压模拟信号，并将其转换为电压数字信号；

数字选频器，接收经转换后的电压数字信号并对其滤波，获取高信噪比的电压数字信号；

相敏检波器，接收所述数字选频器的电压数字信号，并对其进行整流；

磁场标定模块，其对所述相敏检波器整流后的电压数字信号进行磁场标定，通过提取整流后的电压数字信号的幅值，并根据电压与磁场强度之间的线性关系获取与其幅值相对应的磁场大小。

信号反馈单元包括：

插值计算模块，其接收经相敏检波器整流后的电压数字信号并对其进行插值计算，所述整流后离散的电压数字信号经所述插值计算模块形成近似连续的波形信号；

数模转换器，接收经插值计算模块处理过的电压数字信号，并将其转换为电压模拟信号；

可编程增益放大器，接收经数模转换器转换后的电压模拟信号，并将其输出至隔直电路的前端。

以下对磁通门传感器信号处理电路的各个主要部分进行详细描述。

（1）模数转换器

根据磁通门数字信号处理的性能要求，本项目选用AD7400A模数转换器，它是一款二阶Σ-Δ调制器，片上的数字隔离采用ADI公司的

技术，精度为16bit，最高10M的采样频率，能进行双极性数字采样。精度16bit的信号采集能够保证精度为1nT测量精度；10M的采样频率能够保证单路激励频率为100KHz、每周期100个采样点，从而能够将频响带宽提高至1K以上；双极性能够保证采集负向的磁通门信号。

（2）数字选频器

与外界磁场相关的只有磁通门信号的偶次谐波，而由于激励及电路工作的原因，会给磁通门信号带来很多高频噪音。在传统的模拟电路中设计了带通滤波器进行滤波。数字信号处理必须通过FIR对采集信号进行滤波，然后才能进行后续数值计算，否则系统的信噪比将会不理想。

（3）相敏检波器

相敏检波器主要是根据相位基准信号对信号进行正负变换。相敏检波将磁通门的输出电压信号X(n)转换成直流电压信号H(n)。取一个与激励电源二次谐波同频率的方波R(n)为基准信号，相敏检波在基准信号R(n)的前半个周期对磁通门的输出电压信号X(n)进行同相放大，在基准信号R(n)的后半个周期对其进行反相放大。经相敏检波后,得到我们所需要的信号H(n)（相敏检波所用的相位基准信号R(n)与激励来自同一振荡器）：H(n)=X(n)·R(n)。

（4）磁场标定模块

此模块是通过提取相敏检波器中所整流的二次谐波的电压幅值，并根据二次谐波的电压幅值与外界磁场大小之间的线性关系，求取磁场的大小。

（5）数模转换器

模拟电路采用了闭环控制，而且前向通道上设置了积分环节,根据自动控制理论该系统为无差系统。因而磁通门探头实际上是工作在零磁场条件下,也就是说反馈电流产生的磁场与环境磁场大小相等方向相反。积分电路是一个高增益环节(理想积分器增益为∞),也即前向通道增益很大,这时系统信号的梯度主要取决于反馈系数。而反馈系数由反馈电阻确定,比较稳定,信号梯度有很好的线性度，因而在数模转换精度足够高的条件下，前端的数字信号准确地反应了环境磁场。

（6）插值计算模块

由于数值计算的结果都是离散的，为了提高数模转换的精度，必须通过插值计算使离散的结果更加接近连续的波形。

需要说明的是：上述实施例提供的磁通门传感器信号处理电路仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将设备的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能，这里不再赘述。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

本发明实施例中的全部或部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种磁通门传感器信号处理电路，包括磁通门探头、磁通门信号处理单元及信号反馈单元，磁通门探头所采集的环境电压信号依次经隔直电路、可编程增益放大器与所述信号处理单元连接，其特征在于，

所述磁通门信号处理单元包括：

模数转换器，接收经所述可编程增益放大器的电压模拟信号，并将其转换为电压数字信号；

数字选频器，接收经转换后的电压数字信号并对其滤波，获取高信噪比的电压数字信号；

相敏检波器，接收所述数字选频器的电压数字信号，并对其进行整流；

磁场标定模块，接收所述相敏检波器整流后的电压数字信号，并对其进行磁场标定，输出所标定的磁场大小；

所述信号反馈单元接收经所述相敏检波器整流后的电压数字信号，并将其反馈至所述隔直电路的前端。

2.根据权利要求1所述的磁通门传感器信号处理电路，其特征在于，

所述的磁通门信号处理单元为DSP数字信号处理器。

3.根据权利要求1所述的磁通门传感器信号处理电路，其特征在于，

所述信号反馈单元包括数模转换器和可编程增益放大器；

所述数模转换器接收整流后的电压数字信号，并将其转换为电压模拟信号；

所述可编程增益放大器接收经数模转换器转换后的电压模拟信号，并将其输出至隔直电路的前端。

4.根据权利要求3所述的磁通门传感器信号处理电路，其特征在于，

所述信号反馈单元还包括插值计算模块，其接收经所述相敏检波器整流后的电压数字信号，并对其进行插值处理，所述整流后离散的电压数字信号经所述插值计算模块形成近似连续的波形信号。

5.根据权利要求1-4任一所述的磁通门传感器信号处理电路，其特征在于，

所述的隔直电路为隔直电容。

6.根据权利要求5所述的磁通门传感器信号处理电路，其特征在于，

所述的模数转换器型号为AD7400A。

7.根据权利要求1所述的磁通门传感器信号处理电路，其特征在于，

对所述相敏检波器整流后的电压数字信号进行磁场标定是通过提取整流后的电压数字信号的幅值，并根据电压与磁场强度之间的线性关系获取与其幅值相对应的磁场大小。

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