CN103576118A - 一种对磁传感器进行检测和标定的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对磁传感器进行检测和标定的系统，包括计算机、主控制板和零磁空间，所述计算机的输出端口与所述主控制板的输入端口形成电学连接，其特征在于：所述零磁空间中设有螺线管，所述螺线管内处于同一轴线方向分别设置有标准磁传感器和待测磁传感器；所述主控制板上设有可控恒流源，所述可控恒流源的输出连接至所述螺线管。本发明可以产生大动态范围电压信号，并将其转换为与负载、工作频率无关的线性电流信号，电流信号可在螺线管中形成大动态范围、高线性度的均匀磁场或交变磁场，参照标准磁传感器读数，实现待测高精度磁传感器的测试和标定。
Description
技术领域
本发明涉及磁变量的测量装置的测试或校准，具体涉及一种对磁传感器进行检测和标定的系统。
背景技术
国际上地磁卫星计划的首要目的就是获得全球磁场数据，为矿产资源的调查、地磁导航和航空航天安全服务。
矿产资源直接关系着国家的经济动脉，而富有磁性的铁矿和金矿是需求急迫的金属矿，磁法勘探是矿产资源普查的一种重要手段。地磁导航的原理是通过地磁传感器测得的实时地磁数据与储存在计算机中的地磁基准图进行匹配来定位，由于地磁场为矢量场，理论上只要确定某点的地磁场矢量即可实现定位；因为地磁导航是利用地球本身的物理场，不会受到卫星的失效、天气状况和人工电磁干扰等因素的影响，因而是国防急迫需求的导航技术。空间环境的检测也急需磁测卫星，地球空间主要的灾害性空间天气有：磁暴、电离层暴、热层暴、磁层亚暴、磁层粒子暴等；灾难性的空间天气过程不仅会极大地影响人类的航天活动，造成卫星和星载仪器的故障，威胁航天员的安全，而且会造成短波通信中断、电力系统崩溃、输油管道出现高压等不良现象。
为了获得精确的磁场数据，磁传感器的测量准确性至关重要。因此，地磁卫星上天前如何标定磁传感器的测量精度，保证测量仪器正常使用，成为亟待解决的问题。目前解决这个问题方法是：建立零磁空间来实现。但实现完全无磁环境的要求非常苛刻，零磁空间难以屏蔽外界电磁干扰，极易受到周边磁环境变化的影响。而且进行磁场标定时，很难产生大动态范围、高线性度的稳定磁场。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种对磁传感器进行检测和标定的系统，通过产生大动态范围、高线性度磁场信号，解决高精度磁传感器的测试和标定问题。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种对磁传感器进行检测和标定的系统，包括计算机、主控制板和零磁空间，所述计算机的输出端口与所述主控制板的输入端口形成电学连接，所述零磁空间中设有螺线管，所述螺线管内处于同一轴线方向分别设置有标准磁传感器和待测磁传感器；所述主控制板上设有可控恒流源，所述可控恒流源的输出连接至所述螺线管。
上述技术方案中，计算机构成输入模块，可以采用PC机，提供人机交互界面；主控制板构成控制模块；零磁空间中的螺线管构成执行模块。上述技术方案一改现有磁传感器标定系统非绝对零磁空间、线性度差等特点，通过精密控制磁场实现磁传感器的准确标定。使用时，通过计算机的人机交互界面发送控制命令，经所述主控制板转换输出恒定电流，该电流可使所述零磁空间中螺线管轴线方向产生均匀磁场。在计算机界面上选择不同的控制命令，可在所述零磁空间中螺线管轴线方向产生不同的均匀磁场，且成一定的线性关系。此时，读取所述标准磁传感器轴线方向磁场分量，可以标定所述待测磁传感器轴线方向磁场值。
进一步的技术方案，所述可控恒流源为压控恒流源，所述主控制板上设有微处理器和电压产生电路，微处理器接收计算机的控制信号，控制电压产生电路产生设定的电压，电压产生电路的输出连接控制所述压控恒流源。
上述技术方案中，所述电压产生电路包括接口逻辑控制电路、数模转换（DAC）模块、晶振、多时钟信号分频器和低通滤波器，所述晶振经多时钟信号分频器给各电路提供时钟信号，所述接口逻辑控制电路由微处理器控制，输出端连接至数模转换模块，数模转换模块的输出电压经低通滤波器滤波后连接至压控恒流源的控制端。
优选的技术方案，所述数模转换模块为三角积分（ΔΣ）调制的数模转换模块。由此可产生大动态范围的电压信号。
优选的技术方案，所述压控恒流源为豪兰德电流源。可将电压信号转换为与负载、工作频率无关的线性电流信号。
采用重建滤波器代替普通的低通RC滤波器，对输出进行平滑滤波，可消除采样引起的混叠噪声和数模转换精度不够引起的毛刺噪声。
具体实现时，所述主控制板包括晶振、多时钟信号分频器、微处理器MCU、串口通信模块、接口逻辑控制电路、DAC、低通滤波器和压控恒流源。所述晶振为所述多时钟信号分频器提供基准时钟，所述多时钟信号分频器分别为所述微处理器MCU、DAC、低通滤波器等提供时钟信号，所述串口通信模块接收PC机的控制命令，传给所述微处理器进行处理，微处理器根据不同的控制命令产生相应的控制信号，控制信号经接口逻辑控制电路后输入给所述DAC，产生控制电压，电压信号经低通滤波后由所述压控恒流源转换为电流输出。
一种对磁传感器进行检测和标定的方法，采用上述系统实现，先控制螺线管的磁场，通过读取标准磁传感器轴线方向磁场分量，对所述零磁空间中螺线管轴线方向校零，得到螺线管产生用于抵消外界磁场的实际磁场差值；再控制螺线管轴线方向的等效磁场在-65000nT～65000nT范围线性变化，对磁传感器进行精确标定；螺线管的磁场的控制方法是，计算机向主控制板的微处理器发送控制命令，微处理器控制数模转换模块的电压输出，电压信号经低通滤波，压控恒流源转换成电流信号，经螺线管产生可控均匀磁场。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1、本发明通过在零磁空间中设置螺线管，在主控制板上设置可控恒流源，实现螺线管轴线方向磁场的均匀可控，解决了现有技术中零磁空间不稳定对磁传感器标定造成的影响。
2、本发明的主控制板上的可控恒流源采用压控恒流源时，可通过DAC芯片或FPGA内部逻辑产生的Δ-ΣDAC结构产生大动态范围、高线性度电压信号，经压控恒流源转化，在零磁空间螺线管中产生大动态范围、高线性度可控均匀静磁场或交变磁场，参照标准磁传感器读数，实现待测高精度磁传感器的测试和标定。
附图说明
图1是本发明实施例的系统原理框图；
图2是实施例1中DAC与低通滤波器模块的电路图；
图3是实施例2中DAC与低通滤波器模块的电路图；
图4是实施例中5阶Δ-Σ调制器模块结构图；
图5是实施例中压控恒流源模块电路图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例1：
参见图1所示，一种对磁传感器进行检测和标定的系统，包括PC机100、主控制板200和零磁空间300，所述PC机输出端口与所述主控制板输入端口通过串口线形成电学连接，所述主控制板200和所述零磁空间300通过屏蔽同轴电缆连接，所述零磁空间300内设置有螺线管310，螺线管310的内部轴线上放置有标准磁传感器320和待测磁传感器330。
所述PC机100上提供用于控制整个系统的人机交互界面。所述主控制板200包括逻辑功能模块210、DAC模块220、晶振230、多时钟信号分频器模块240、低通滤波器模块250和压控恒流源模块260。其中，所述逻辑功能模块210包括串口通信模块211、接口逻辑控制模块212和微处理器MCU模块213。
所述晶振230用于为所述多时钟信号分频器提供基准时钟。
所述多时钟信号分频器模块240分别为所述微处理器MCU、DAC、低通滤波器等提供时钟信号，可以使用PLL锁相环实现。
所述微处理器MCU模块213可以选择51核8位单片机AT89C51、低功耗16位MSP430系列单片机或32位ARM系列单片机，或者采用Altera公司的cyclone系列、Xilinx公司的Spartan系列FPGA芯片。
所述串口通信模块221用于接收PC机发送的数据，并传送给所述微处理器MCU处理，它包括FPGA内部的串口逻辑及外围的串口驱动芯片。
所述接口逻辑控制电路222可以是AT89C51单片机、MSP430系列单片机和ARM系列单片机的GPIO口，也可以是FPGA内部形成的输入、输出逻辑。
参见附图2所示，所述DAC模块220选用单独的DAC芯片，比如倒T型电阻网络转换器芯片、权电流型DA转换器芯片。此时，为所述DAC芯片提供电源VDD、地GND、基准电压Vref和时钟信号CLOCK，当所述接口逻辑电路发送数据DATA给所述DAC，数据伴随着时钟信号放置到DAC内部的移位寄存器,接收完并转化成模拟信号后，输出相应的模拟电压。如图2，所述DAC后接运放的连接方式只可以产生-2.5V～0V的电压，为了产生±2.5V的对称可控电压，需要R1、R2电阻进行合理取值。所述低通滤波器模块250可以选择最简单的RC低通滤波器，也可以选择此处使用的有源低通滤波器，电容C3可以有效地滤除高频成分，而电阻R3与前面的R1、R2配合可以将可控电压增加到±4V，故使用所述结构模块可以有效地提高整个系统的精度和动态范围。
所述压控恒流源模块260完成将电压信号转换为电流信号的任务，它有多种选择，可以选择恒流源芯片，也可以是经典的豪兰德电流源电路。此处为了输出电流 
可控，实施方案选择如图5所示的豪兰德电流源电路。当满足条件
时，输出电阻趋于
，此时电压信号转换为线性电流信号与负载、工作频率无关，即输出为可控恒流。
由上述实施例可以看出，在本发明中，利用主控制板产生大动态范围、高线性度的电流信号，驱动零磁空间中的螺线管产生轴线方向的大动态范围、高线性度可控精密磁场，从而实现螺线管中待测磁传感器的测试和标定。
实施例2：
参见图1所示，一种对磁传感器进行检测和标定的系统，主体部分与实施例1一致，DAC模块220和低通滤波器模块250如图3所示。
在有相应资源的情况下，DAC模块220使用FPGA内部逻辑产生。所述DAC模块220包括分频器模块221、RAM模块222、高阶ΔΣ调制器模块223、反相器模块224和缓冲器模块225。
所述分频器模块221可以使用硬件描述语言形成的分频模块，也可以是FPGA内部逻辑形成锁相环对时钟信号进行分频。
所述RAM模块222可以使用外部的存储器芯片，如Flash、SDRAM等，也可以使用FPGA内部逻辑形成的片上存储器。所述RAM模块用于存储正弦波ΔΣ比特数据流，此数据流将输出给所述高阶ΔΣ调制器。可以自定义所需的数据流值，其前提是数据值两端连续，即点对点数据集可以产生一条平滑的曲线，而设置数据点的个数取决于所需的测试信号频率、输出速率和有效插值因子。此处，根据所述微处理器MCU模块213提供的不同地址，TBS发生器读RAM模块中相应的地址数据，可产生24比特、1024数据点正弦波测试信号。
所述高阶ΔΣ调制器模块223可以使用CIFB偶数阶、CIFB奇数阶、CIFF偶数阶、CIFF奇数阶、CRFB偶数阶、CRFB奇数阶、CRFF偶数阶和CRFR奇数阶8种结构中的任何一种。ΔΣ调制器结构是DAC芯片的主流结构，是设计DAC的核心部分。ΔΣ调制器又称为总和增量调制器，是使用最广泛的一种过采样技术，它通过对噪声进行整形来得到高精度，所谓阶数是指ΔΣ调制器中所包含的积分器个数。ΔΣ调制器主要由积分器和量化器构成。积分器将输入和量化信号的差累加，使量化器输出保持在零附近，环路反馈强迫量化器输出的局部平均值跟踪输入信号的局部平均值。调制器输出的局部平均值，由采样数字滤波器处理，获得高精度数字信号。也就是说，ΔΣ调制器将信号无失真的传到输出端，而对噪声则产生了变形。为了进一步提高ΔΣ调制器的量化信噪比，可在量化器之前加入更多的积分器构成高阶的ΔΣ调制器。对于高阶ΔΣ调制器设计来说，重点就是噪声传递函数的设计，通过调制器之后低频段的噪声被调制到高频段，因此可以把噪声传递函数看成一个高通滤波器来设计。本实例实施方案使用的就是图4所示的5阶CIFB结构ΔΣ调制器。高位数据信号经所述高阶ΔΣ调制器模块后可最终得到高采样率的1位数据流。
所述反相器模块224和缓冲器模块225可以是片外芯片实现，也可以在资源允许的情况下通过FPGA内部逻辑实现。所述反向器模块224使用非门，而所述缓冲器模块225则由两个非门级联形成。两个模块的作用是将所述高阶ΔΣ调制器模块1位数据流输出转换为两个反向信号
、
。
所述低通滤波器模块250实施方案如图3，选用的是连续时间双运放结构的重建滤波器。前面所述DAC模块，需要经过所述重建滤波器对输出进行平滑滤波，以消除采样引起的混叠噪声和数模转换精度不够引起的毛刺噪声。所述高阶ΔΣ调制器模块输出
、
分别控制所述低通滤波器模块开关K1、K2的通断。
Claims (6)
1. 一种对磁传感器进行检测和标定的系统，包括计算机、主控制板和零磁空间，所述计算机的输出端口与所述主控制板的输入端口形成电学连接，其特征在于：所述零磁空间中设有螺线管，所述螺线管内处于同一轴线方向分别设置有标准磁传感器和待测磁传感器；所述主控制板上设有可控恒流源，所述可控恒流源的输出连接至所述螺线管。
2. 根据权利要求1所述的对磁传感器进行检测和标定的系统，其特征在于：所述可控恒流源为压控恒流源，所述主控制板上设有微处理器和电压产生电路，微处理器接收计算机的控制信号，控制电压产生电路产生设定的电压，电压产生电路的输出连接控制所述压控恒流源。
3. 根据权利要求2所述的对磁传感器进行检测和标定的系统，其特征在于：所述电压产生电路包括接口逻辑控制电路、数模转换模块、晶振、多时钟信号分频器和低通滤波器，所述晶振经多时钟信号分频器给各电路提供时钟信号，所述接口逻辑控制电路由微处理器控制，输出端连接至数模转换模块，数模转换模块的输出电压经低通滤波器滤波后连接至压控恒流源的控制端。
4. 根据权利要求3所述的对磁传感器进行检测和标定的系统，其特征在于：所述数模转换模块为三角积分调制的数模转换模块。
5. 根据权利要求2所述的对磁传感器进行检测和标定的系统，其特征在于：所述压控恒流源为豪兰德电流源。
6. 一种对磁传感器进行检测和标定的方法，其特征在于：采用权利要求1所述系统实现，先控制螺线管的磁场，通过读取标准磁传感器轴线方向磁场分量，对所述零磁空间中螺线管轴线方向校零，得到螺线管产生用于抵消外界磁场的实际磁场差值；再控制螺线管轴线方向的等效磁场在-65000nT～65000nT范围线性变化，对磁传感器进行精确标定；螺线管的磁场的控制方法是，计算机向主控制板的微处理器发送控制命令，微处理器控制数模转换模块的电压输出，电压信号经低通滤波，压控恒流源转换成电流信号，经螺线管产生可控均匀磁场。
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