CN102854535A - 一种宽带磁性传感器 - Google Patents

Abstract

一种宽带磁性传感器，属于感应式磁传感器，解决现有磁传感器在极低频段噪声过大的问题。本发明包括感应线圈、高频通道放大电路、低频通道放大电路、低通滤波器、运算放大器、电压跟随器和反馈电路，感应线圈输出信号分别送到高、低频通道放大电路，高频通道放大电路输出端连接第一开关；低频通道放大电路输出端通过低通滤波器连接第二开关；第一、第二开关中心触点分别通过第一、第二输入电阻连接运算放大器反相输入端，运算放大器输出端连接电压跟随器，并通过反馈电路连接感应线圈的感应信号输入端。本发明实现了在极低频段的低噪声放大，在感应线圈谐振频率两侧较宽频域具有平坦的幅频特性及线性相位，极大拓展了磁传感器应用频率范围。

Description

一种宽带磁性传感器

技术领域

本发明属于感应式磁传感器，特别涉及一种宽带磁性传感器，用于大地电磁探测。

背景技术

在大地电磁探测技术领域，需要对频率在0.00025Hz-10kHz内的磁场信号进行采集，为了实现此功能，需要用到感应式磁传感器，而感应式磁传感器的主线圈电压和磁场信号频率成正比，在极低频段其感应电压非常小，邵英秋，王言章等在“基于磁反馈的宽频带磁传感器的研制”(仪器仪表学报，Vol.31，No.11，Nov.2010)一文中，提出采用直接放大电路进行放大的宽频带磁传感器，由于一般的直接放大电路在极低频段电路噪声大，导致在极低频段放大后输出信号信噪比小，难以满足检测要求；上述论文也提出采用斩波技术将频率搬移到较高频段进行放大后再进行信号恢复的方案，可以解决在极低频段时信噪比小的问题，但是采用频率搬移技术进行处理的信号频率只是低频段，导致此时处理的信号带宽局限于低频段，难以满足使用要求。

发明内容

本发明提供一种宽带磁性传感器，解决现有磁性传感器在极低频段噪声过大的问题，以实现在整个工作频段均具有较低噪声、在感应主线圈谐振频率两侧有平坦的幅频特性以及线性相位。

本发明所提供的一种宽带磁性传感器，包括感应线圈、高频通道放大电路、低频通道放大电路、低通滤波器、运算放大器、电压跟随器和反馈电路，其特征在于：

所述感应线圈的感应信号输入端接收磁感应信号，感应线圈的输出信号分别送到高频通道放大电路输入端和低频通道放大电路输入端，高频通道放大电路输出端通过补偿电容连接双刀双掷开关中第一开关的常开触点，高频通道放大电路输出端同时连接双刀双掷开关中第一开关的常闭触点；低频通道放大电路输出端通过低通滤波器连接双刀双掷开关中第二开关的常开触点，所述第二开关的常闭触点接地；所述第一开关的中心触点通过第一输入电阻连接运算放大器的反相输入端，所述第二开关的中心触点通过第二输入电阻连接运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端通过接地电阻接地，运算放大器的输出端连接电压跟随器的同相输入端，运算放大器的输出端通过反馈电阻连接运算放大器的反相输入端；运算放大器的输出端同时通过反馈电路连接所述感应线圈的感应信号输入端；电压跟随器的输出端连接电压跟随器的反相输入端；

所述感应线圈的电感量为200H～350H；

所述高频通道放大电路，由第一差分放大电路和第二差分放大电路级联组成，第一差分放大电路的增益为35dB～45dB，噪声系数小于4dB，第二差分放大电路增益为15dB～25dB；

所述低频通道放大电路，由平衡混频斩波器、第三差分放大电路、第四差分放大电路和电子开关级联组成，平衡混频斩波器和电子开关的开关频率相同，均为2kHz～9kHz，由磁传感器的用户设备接收机决定，第三差分放大电路的增益为35dB～45dB，噪声系数小于4dB，第四差分放大电路增益为15dB～25dB；

所述低通滤波器为一阶有源低通滤波器，截止频率为300Hz～500Hz；

所述反馈电路，由反馈放大器和反馈线圈级联组成，反馈放大器增益可调节，为-10dB～-15dB，反馈线圈用漆包线绕制在感应线圈外表面，电感量为0.3H～0.6H；

所述电压跟随器为同相输入电压跟随器。

所述的宽带磁性传感器，其特征在于：

所述感应线圈由磁芯、线圈骨架和线圈构成，所述磁芯为非晶铁钴镍材料，导磁率为150000～200000，所述线圈骨架套在磁芯中间段，线圈骨架包括多个长度均匀的绕线槽，线圈在各绕线槽中分段均匀绕制；

所述反馈电路中，反馈线圈匝数为30～50匝，均匀绕制在感应线圈外表面。

所述的宽带磁性传感器，其特征在于：

所述高频通道放大电路中，所述第一差分放大电路包括两个场效应管和两个运算放大器，两个场效应管的栅极分别连接所述感应线圈两端，两个场效应管的漏极分别通过偏置电路连接第一基准电压，两个场效应管的漏极分别连接两个运算放大器的反相输入端，两个运算放大器的同相输入端连接第二基准电压，两个运算放大器的输出端分别通过隔直电容连接所述第二差分放大电路的输入端，两个运算放大器的输出端之间串联三个取样电阻；两个场效应管的源极分别连接所述三个取样电阻的中间取样电阻两端；

所述第二差分放大电路为平衡输入、不平衡输出差分放大电路。

所述的宽带磁性传感器，其特征在于：

所述第一差分放大电路的第一基准电压和第二基准电压由基准电压生成电路产生，所述基准电压生成电路由输入分压电路、电压跟随器和输出稳压电路级联组成，电压跟随器的同相输入端连接输入分压电路的输出端，电压跟随器的输出端连接电压跟随器的反相输入端和输出稳压电路，同时输出第一基准电压，输出稳压电路的输出端输出第二基准电压；输入分压电路输入为电压跟随器的正电源。

所述的宽带磁性传感器，其征在于：

所述低频通道放大电路中，所述平衡混频斩波器为双平衡混频器，所述第三差分放大电路结构和所述第一差分放大电路结构完全相同，区别仅在于两个场效应管的栅极分别连接所述平衡混频斩波器的两输出端，两个运算放大器的输出端分别通过隔直电容连接所述第四差分放大电路的输入端；

所述第四差分放大电路为平衡输入、平衡输出差分放大电路；

所述电子开关为平衡输入、不平衡输出电子开关。

所述的宽带磁性传感器，其征在于：

所述反馈电路中，所述反馈放大器由两个运算放大器级联构成，反馈放大器为不平衡输入、平衡输出。

本发明具有高频通道工作和高低频通道同时工作两种模式，两种模式的选择由双刀双掷开关控制，双刀双掷开关的控制信号由磁传感器的用户设备接收机提供；

A.当工作起始频率较高时，如频率从360Hz开始时，可选择高频通道工作模式，双刀双掷开关处于常闭触点闭合状态，此时一是运算放大器只对高频通道信号进行放大，二是低频通道处于不工作状态，电路的功耗较小。

当电路处于高频通道工作模式时，电路通道传递函数为F_{amp_in}：

F_{amp_in}＝F_sensor·F_{amp_in1}·F_{amp_in3}，                (1)

其中感应线圈传递函数为F_sensor，高频通道放大电路传递函数为F_{amp_in1}，运算放大器传递函数为F_{amp_in3}；

B.当工作起始频率较低时，如频率从0.00025Hz开始时，选择高低频通道同时工作模式，双刀双掷开关处于常开触点闭合状态，相对于高频通道，一是引入了低频通道，运算放大器起到了对输入的两路信号进行加法的作用，二是在高频通道放大电路后引入了补偿电容，此补偿电容和第一输入电阻构成了一阶高通滤波器，由于一阶高通滤波器的作用，在极低频段，主要由低频通道放大电路起放大信号的作用，从而保证了在极低频段时信号的低噪声放大，提高了信噪比，同样在较高频段，主要由高频通道放大电路对信号进行放大，而在中间频段，由于低通滤波器和高频通道的一阶高通滤波器的截止频率相同，为360Hz，由运算放大器对信号进行加法放大，且信号放大时电路的增益和较低、较高频段时相同；

此时运算放大器传递函数为F_{amp_in3}不变，设一阶高通滤波器的传递函数为L_{amp_in1}，一阶低通滤波器的传递函数为L_{amp_in2}，低频通道放大电路传递函数为F_{amp_in2}，此时有：

F_{amp_in}＝F_sensor·(F_{amp_in1}·L_{amp_in1}+F_{amp_in2}·L_{amp_in2})·F_{amp_in3}，    (2)

F_{amp_in1}＝F_{amp_in2}，                                                     (3)

L_{amp_in1}+L_{amp_in2}＝1，                                                   (4)

将(3)式和(4)式代入(2)式，仍然得到(1)式，

这说明在进行斩波后放大、并且信号恢复后，采用高低频两通道同时工作模式，其增益和单独用高频通道工作模式一样，结合负反馈技术，使得磁传感器工作在靠近谐振频率两侧大部分频率区域中，并且不管其在高低频两通道同时工作模式或是高频通道工作模式时，传输系统均表现为光滑的频率响应；当磁传感器工作在极低频段时，受感应线圈谐振曲线的影响，幅频特性表现为上升的曲线，但由于采用了斩波技术，其噪声大大地降低了，从而提高了磁传感器在极低频段工作时检测灵敏度；磁传感器工作在高频段时，同样受感应线圈谐振曲线的影响，其幅频特性表现为下降的曲线，但此时曲线已处于设定工作频率以外；

本发明实现了在极低频段的低噪声放大，在感应线圈谐振频率两侧较宽频域具有平坦的幅频特性以及线性相位，提高了在极低频段的检测精度，极大地拓展了磁传感器的应用频率范围。

附图说明

图1为本发明的实施例组成示意图；

图2为感应线圈示意图；

图3为高频通道放大电路中第一差分放大电路示意图；

图4为高频通道放大电路中第二差分放大电路示意图；

图5为基准电压生成电路示意图；

图6为低频通道放大电路中平衡混频斩波器级联第三差分放大电路示意图；

图7为低频通道放大电路中第四差分放大电路级联电子开关示意图；

图8为低通滤波器示意图；

图9为反馈电路示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进一步说明：

如图1所示，本发明的实施例，包括感应线圈、高频通道放大电路、低频通道放大电路、低通滤波器、运算放大器U1、电压跟随器U2和反馈电路，

所述感应线圈的感应信号输入端接收磁感应信号，感应线圈的输出信号分别送到高频通道放大电路输入端和低频通道放大电路输入端，高频通道放大电路输出端通过补偿电容连接双刀双掷开关中第一开关K1的常开触点，高频通道放大电路输出端同时连接双刀双掷开关中第一开关K1的常闭触点；低频通道放大电路输出端通过低通滤波器连接双刀双掷开关中第二开关K2的常开触点，所述第二开关K2的常闭触点接地；所述第一开关K1的中心触点通过第一输入电阻R1连接运算放大器的反相输入端，所述第二开关K2的中心触点通过第二输入电阻R2连接运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端通过接地电阻R3接地，运算放大器的输出端连接电压跟随器的同相输入端，运算放大器的输出端通过反馈电阻R4连接运算放大器的反相输入端；运算放大器的输出端同时通过反馈电路连接所述感应线圈的感应信号输入端；电压跟随器的输出端连接电压跟随器的反相输入端。

所述感应线圈的电感量为280H；

所述高频通道放大电路，由第一差分放大电路和第二差分放大电路级联组成，第一差分放大电路的增益为40dB，噪声系数小于4dB，第二差分放大电路增益为24dB；

所述低频通道放大电路，由平衡混频斩波器、第三差分放大电路、第四差分放大电路和电子开关级联组成，平衡混频斩波器和电子开关的开关频率相同，均为3.9kHz，第三差分放大电路的增益为40dB，噪声系数小于4dB，第四差分放大电路增益为24dB；

所述低通滤波器为一阶有源低通滤波器，截止频率为360Hz；

所述反馈电路，由反馈放大器和反馈线圈级联组成，反馈放大器增益可调节，为-10dB，反馈线圈用漆包线绕制在感应线圈外表面，电感量为0.35H；

所述电压跟随器为同相输入电压跟随器。

本实施例中，运算放大器为美国RB公司的运算放大器OPA2227，增益为10dB，电压跟随器为美国AD公司的运算放大器AD822。

如图2所示，本实施例的感应线圈的电感量为280H，感应线圈由磁芯1、线圈骨架2和线圈3构成，磁芯为非晶铁钴镍材料，导磁率为150000～200000，所述线圈骨架套在磁芯中间段，线圈骨架2包括10个长度均匀的绕线槽，线圈3在各绕线槽中分段均匀绕制，总匝数约为20000匝，线径为0.4mm，在线圈的中点，也即绕制圈数的一半处，引出中心触点，用于连接地电位，两边抽头分别作为感应线圈的差分输出端。

如图3所示，第一差分放大电路包括两个场效应管J1、J2和两个运算放大器U3、U4，两个场效应管的栅极分别连接所述感应线圈两端，两个场效应管的漏极分别通过偏置电路连接第一基准电压V1，两个场效应管的漏极分别连接两个运算放大器的反相输入端，两个运算放大器的同相输入端连接第二基准电压V2，两个运算放大器的输出端分别通过隔直电容C4、C5连接所述第二差分放大电路的输入端，两个运算放大器的输出端之间串联三个取样电阻R9、R10、R11；两个场效应管的源极分别连接所述三个取样电阻的中间取样电阻R10两端；

图3中，场效应管J1和J2为日本TOSHIBA公司场效应管2SK170，运算放大器U3和U4为美国BB公司的运算放大器OPA2227；电阻R5、R6和电容C2构成场效应管J1的偏置电路，电阻R7、R8和C3构成场效应管J2的偏置电路。

如图4所示，第二差分放大电路为平衡输入、不平衡输出差分放大电路，由运算放大器U5和电阻R12、R13、R14、R15构成，运算放大器U5为美国BB公司的运算放大器OPA2227，电阻R12和R14阻值相等，R13和R15阻值相等。

所述第一差分放大电路的第一基准电压和第二基准电压由基准电压生成电路产生，如图5所示，所述基准电压生成电路由输入分压电路、电压跟随器U15和输出稳压电路级联组成，电压跟随器U16的同相输入端连接输入分压电路的输出端，电压跟随器U16的输出端连接电压跟随器的反相输入端和输出稳压电路，同时输出第一基准电压V1，输出稳压电路的输出端输出第二基准电压V2；输入分压电路输入为电压跟随器U16的正电源。电压跟随器U16为美国AD公司的运算放大器AD8628，

输入分压电路由电阻R42、R43和电容C14组成；输出稳压电路由稳压二极管D1、电容C15和电阻R44组成；稳压二极管D1为4.2V稳压二极管，第一基准电压V1为9.6V，第二基准电压V2为5.4V。

图6为低频通道放大电路中平衡混频斩波器级联第三差分放大电路示意图；

所述平衡混频斩波器U6为双平衡混频器，平衡混频斩波器U6为美国Calogic公司的平衡混频器芯片SD54000，包括四个场效应管模拟开关；

所述平衡混频器芯片SD54000的第1脚和第14连接感应线圈的一端，第7脚和第8脚连接感应线圈的另一端，第6脚和第12脚输入第一本振信号，第3脚和第9脚输入第二本振信号，第一本振信号和第二本振信号由接收机提供，第2脚接地，第10脚和第11脚连接场效应管J3的栅极，第4脚和第5脚连接场效应管J4的栅极，第13脚悬空；

所述第三差分放大电路结构和所述第一差分放大电路结构完全相同，第三差分放大电路包括两个场效应管J3、J4和两个运算放大器U7、U8，两个场效应管的栅极分别连接所述平衡混频斩波器的两输出端，两个场效应管的漏极分别通过偏置电路连接第一基准电压V1，两个场效应管的漏极分别连接两个运算放大器的反相输入端，两个运算放大器的同相输入端连接第二基准电压V2，两个运算放大器的输出端分别通过隔直电容C8、C9连接所述第四差分放大电路的输入端，两个运算放大器的输出端之间串联三个取样电阻R20、R21、R22；两个场效应管的源极分别连接所述三个取样电阻的中间取样电阻R21两端；

图6中，场效应管J3和J4为日本TOSHIBA公司场效应管2SK170，运算放大器U7和U8为美国BB公司的运算放大器OPA2227；电阻R16、R17和电容C6构成场效应管J3的偏置电路，电阻R18、R19和电容C7构成场效应管J4的偏置电路，电阻R16和R19阻值相等，电阻R17和R18阻值相等，取样电阻R20和R22阻值相等，电容C6和C7容值相等，电容C8和C9容值相等。

图7为低频通道放大电路中第四差分放大电路级联电子开关示意图；

所述第四差分放大电路为平衡输入、平衡输出差分放大电路，由两个运算放大器U9、U10以及外围电路的电阻R23～R29、电容C10、C11构成；运算放大器U9和U10为BB公司的运算放大器OPA2227，电阻R23和R24阻值相等，电阻R25和R26阻值相等，电阻R27和R29阻值相等，电容C10和C11容值相等；

所述电子开关U11为平衡输入、不平衡输出电子开关，采用美国Maxim公司的模拟电子开关芯片MAX4527。模拟电子开关芯片MAX4527的第1脚连接第四差分放大电路的电容C10，第2脚连接第四差分放大电路的电容C11，第3脚接地，第4脚输入第一本振信号，第5脚连接正电源，第8脚连接负电源，第6脚连接低通滤波器的电阻R30，第7脚连接低通滤波器的电阻R31。

如图8所示，本实施例中，低通滤波器为一阶有源低通滤波器，截止频率为360Hz；由两个运算放大器U12、U13以及外围电路的电阻R30～R35、电容C10、C11构成；U12和U13为AD公司运算放大器OP2177，电阻R30和R31阻值相等，电阻R34和R35阻值相等，电阻R32和R33阻值相等，电容C12和C13容值相等；

如图9所示，所述反馈电路中，所述反馈放大器由两个运算放大器U14、U15级联以及电阻R36～R41构成，反馈放大器为不平衡输入、平衡输出；U14和U15为AD公司运算放大器OP2177，图中电阻R38和R39阻值相等，电阻R40和R41阻值相等，电路增益为-10dB，其输出接反馈线圈。

Claims (7)

1.一种宽带磁性传感器，包括感应线圈、高频通道放大电路、低频通道放大电路、低通滤波器、运算放大器、电压跟随器和反馈电路，其特征在于：

所述感应线圈的感应信号输入端接收磁感应信号，感应线圈的输出信号分别送到高频通道放大电路输入端和低频通道放大电路输入端，高频通道放大电路输出端通过补偿电容连接双刀双掷开关中第一开关(K1)的常开触点，高频通道放大电路输出端同时连接双刀双掷开关中第一开关(K1)的常闭触点；低频通道放大电路输出端通过低通滤波器连接双刀双掷开关中第二开关(K2)的常开触点，所述第二开关(K2)的常闭触点接地；所述第一开关(K1)的中心触点通过第一输入电阻(R1)连接运算放大器的反相输入端，所述第二开关(K2)的中心触点通过第二输入电阻(R2)连接运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端通过接地电阻(R3)接地，运算放大器的输出端连接电压跟随器的同相输入端，运算放大器的输出端通过反馈电阻(R4)连接运算放大器的反相输入端；运算放大器的输出端同时通过反馈电路连接所述感应线圈的感应信号输入端；电压跟随器的输出端连接电压跟随器的反相输入端；

所述感应线圈的电感量为200H～350H；

所述高频通道放大电路，由第一差分放大电路和第二差分放大电路级联组成，第一差分放大电路的增益为35dB～45dB，噪声系数小于4dB，第二差分放大电路增益为15dB～25dB；

所述低频通道放大电路，由平衡混频斩波器、第三差分放大电路、第四差分放大电路和电子开关级联组成，平衡混频斩波器和电子开关的开关频率相同，均为2kHz～9kHz，由磁传感器的用户设备接收机决定，第三差分放大电路的增益为35dB～45dB，噪声系数小于4dB，第四差分放大电路增益为15dB～25dB；

所述低通滤波器为一阶有源低通滤波器，截止频率为300Hz～500Hz；

所述反馈电路，由反馈放大器和反馈线圈级联组成，反馈放大器增益可调节，为-10dB～-15dB，反馈线圈用漆包线绕制在感应线圈外表面，电感量为0.3H～0.6H；

所述电压跟随器为同相输入电压跟随器。

2.如权利要求1所述的宽带磁性传感器，其特征在于：

所述感应线圈由磁芯、线圈骨架和线圈构成，所述磁芯为非晶铁钴镍材料，导磁率为150000～200000，所述线圈骨架套在磁芯中间段，线圈骨架包括多个长度均匀的绕线槽，线圈在各绕线槽中分段均匀绕制；

所述反馈电路中，反馈线圈匝数为30～50匝，均匀绕制在感应线圈外表面。

3.如权利要求1所述的宽带磁性传感器，其特征在于：

所述高频通道放大电路中，所述第一差分放大电路包括两个场效应管和两个运算放大器，两个场效应管的栅极分别连接所述感应线圈两端，两个场效应管的漏极分别通过偏置电路连接第一基准电压，两个场效应管的漏极分别连接两个运算放大器的反相输入端，两个运算放大器的同相输入端连接第二基准电压，两个运算放大器的输出端分别通过隔直电容连接所述第二差分放大电路的输入端，两个运算放大器的输出端之间串联三个取样电阻；两个场效应管的源极分别连接所述三个取样电阻的中间取样电阻两端；

所述第二差分放大电路为平衡输入、不平衡输出差分放大电路。

4.如权利要求3所述的宽带磁性传感器，其特征在于：

所述第一差分放大电路的第一基准电压和第二基准电压由基准电压生成电路产生，所述基准电压生成电路由输入分压电路、电压跟随器和输出稳压电路级联组成，电压跟随器的同相输入端连接输入分压电路的输出端，电压跟随器的输出端连接电压跟随器的反相输入端和输出稳压电路，同时输出第一基准电压，输出稳压电路的输出端输出第二基准电压；输入分压电路输入为电压跟随器的正电源。

5.如权利要求1、2、3或4所述的宽带磁性传感器，其征在于：

所述低频通道放大电路中，所述平衡混频斩波器为双平衡混频器，所述第三差分放大电路结构和所述第一差分放大电路结构完全相同，区别仅在于两个场效应管的栅极分别连接所述平衡混频斩波器的两输出端，两个运算放大器的输出端分别通过隔直电容连接所述第四差分放大电路的输入端；

所述第四差分放大电路为平衡输入、平衡输出差分放大电路；

所述电子开关为平衡输入、不平衡输出电子开关。

6.如权利要求1、2、3或4所述的宽带磁性传感器，其征在于：

所述反馈电路中，所述反馈放大器由两个运算放大器级联构成，反馈放大器为不平衡输入、平衡输出。

7.如权利要求5所述的宽带磁性传感器，其征在于：

所述反馈电路中，所述反馈放大器由两个运算放大器级联构成，反馈放大器为不平衡输入、平衡输出。

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