CN103630853B - 感应式磁场传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种感应式磁场传感器。该感应式磁场传感器采用斩波放大技术,将来自地球深部的天然磁场的频率范围为0.1mHz-1kHz的低频微弱信号斩波至数kHz的频率上进行增益放大,再通过相同的斩波开关和有源滤波器将信号频率降至原有范围,克服常规运算放大器、差分放大器、三极管单管等放大元件的在0.1mHz-100Hz的自身1/f噪声对传感器的影响,有效降低磁场传感器噪声,从而在保证良好的性噪比的条件下,能够获取地球深部的磁场信息。
Description
技术领域
本发明涉及电子行业资源勘探技术领域,尤其涉及一种感应式磁场传感器。
背景技术
随着我国国民经济的持续快速发展,对矿产资源的需求急剧增大。但我国后备探明的矿产储量严重不足,已成为制约我国经济发展的重大瓶颈。据权威统计,我国铁、铜、铝、钾盐等大宗金属矿产严重短缺,对国际市场的依赖度越来越高,目前对外的依存度已高达50%~80%,远超出国家经济安全的警戒线。但另一方面,据国土资源部2009发布的研究数据,受地球物理勘探技术的制约,我国矿产资源已探明的程度仅为1/3。为此,国家明确提出实施“立足国内,找矿增储”的资源保障战略。
在地球物理勘探装备中,电磁法是寻找地下油气藏、金属矿藏的有效手段,包括大地电磁测深(MT)或音频大地电磁测深(AMT)、海洋可控源电磁方法(CSEM),可控源音频大地电磁测深(CSAMT)、瞬变电磁法(TEM)、航空瞬变电磁法(ATEM)等方法。
在地球物理观测中,宽频带磁场传感器常见于MT、AMT、CSEM、CSATMT、TEM等电磁方法仪器中,也可用于地磁观测台、磁测卫星等平台上磁场测量。测量频率范围覆盖0.00001Hz-10kHz,灵敏度通常在10-4nT/√Hz-10-3nT/√Hz(1Hz时),是地球物理观测中最为广泛磁场测试仪器之一。
近年来,众多研究单位开展了感应式磁场传感器的研制,如吉林大学、中南大学、中国地质科学院等,亦有一些阶段性的研究成果公开发表在学术期刊和专利上,但是工作频率均为1Hz以上的高频感应式磁场传感器。究其原因,主要没有解决低频(0.1mHz-1Hz)微弱信号的低噪声放大这一难题。由于电子元器件内部泛在的1/f噪声,这一噪声随着频率的降低,幅度线性增大,导致频率越低的微弱信号,更易于淹没在电子噪声中而无法检测。感应式磁场传感器的工作频率需达到0.1mHz,需解决这一难题。从目前公开的文献可见,没有研究者解决这一问题,因此,国内没有成熟的可商用的感应式磁场传感器产品。
在实现本发明的过程中,申请人意识到现有技术感应式磁场传感器存在如下技术缺陷:
(1)工作频率没有足够低,无法获取低频磁场信号,现有的感应式磁场传感器的工作频率下限一般为1Hz以上,远远满足地球深部资源勘探的需求,根据频率域电磁测深方法原理,工作频率越低,探测深度越深,1Hz对应探测深度约为500m(典型地质情况),0.1mHz对应的探测深度超过50km。因此工作频率直接影响勘探深度,工作频率越低的磁场传感器,勘探的深度越深,更加适用于地球深部资源探测;
(2)灵敏度不够高,无法获取地下深部的微弱信号,来自地下深部的磁场信息,经过地层的衰减,信号幅度极其微弱,需要高灵敏度的磁场传感器进行检测,目前国内磁场传感器的灵敏度较差,无法检测到该微弱信号。目前,典型的天然磁场信号强度为1pT/sqrt(Hz)1Hz,如此微弱的信号,现有技术还不能检测到。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题,本发明提供了一种工作频带低、灵敏度高的感应式磁场传感器。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面,提供了一种感应式磁场传感器。该感应式磁场传感器包括:磁芯,呈细长棒状;感应线圈,缠绕在所述磁芯的外围;斩波放大电路,其输入端连接至所述感应线圈的两端,其输出端作为磁场传感器的输出端;其中,被测磁场在磁芯中产生变化的磁感应强度;该变化的磁感应强度在线圈上产生感应电压;该感应电压经过斩波放大电路后信号幅度增强,由斩波放大电路的输出端输出。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出,本发明感应式磁场传感器具有以下有益效果:
(1)采用一种高灵敏度的斩波放大技术,将来自地球深部的天然磁场的低频微弱信号(频率范围为0.1mHz-1kHz)斩波至数kHz的频率上进行增益放大,再通过相同的斩波开关和有源滤波器将信号频率降至原有范围,克服常规运算放大器、差分放大器、三极管单管等放大元件的在0.1mHz-100Hz的自身1/f噪声对传感器的影响,有效降低磁场传感器噪声,其自身的噪声水平在整个观测频带上约为天然磁场平均场强的1/10,从而在保证良好的性噪比的条件下,能够获取地球深部达50公里的磁场信息;
(2)所采用高灵敏度斩波放大技术,斩波功能通过模拟开关实现,斩波控制信号采用FPGA或逻辑门电路实现,斩波功能引入的电荷注入效应采用补偿网络的方式进行抑制,补偿网络采用微小电阻和电容实现,抑制电荷注入效应的噪声和补偿网络带来的噪声。斩波时序上升沿和下降沿的波形存在过冲、尖峰和毛刺,这些非理想因素引起观测波形的准确性,在实现过程中,本发明采用采用双频时序和非对称占空比波形实现这些非理想因素的抑制,即采用中心频率为斩波时序2倍的信号,采用其信号质量良好的部分,对原有信号中的非理想部分进行补充,达到提高波形质量的目的,从而达到高精度精确测量磁场。
本发明感应式磁场传感器可用于大地电磁测深(MT)音频大地电磁测深(AMT)或海洋可控源电磁法(CSEM),具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为根据本发明实施例感应式磁场传感器的结构示意图;
图2为磁芯中长径比、初始磁导率和有效磁导率之间的关系;
图3为图1所示感应式磁场传感器中斩波放大工作原理示意图;
图4为图1所示感应式磁场传感器斩波放大电路中调制模块的电路图;
图5为图1所示感应式磁场传感器斩波放大电路中放大模块的电路图;
图6为图1所示感应式磁场传感器斩波放大电路中解调模块的电路图;
图7为图1所示感应式磁场传感器斩波放大电路中滤波模块的电路图;
图8为传感器本底噪声测试示意图;
图9为图1所示感应式磁场传感器的本底噪声水平指标曲线。
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明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明进一步详细说明。需要说明的是,在附图或说明书描述中,相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式,为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外,虽然本文可提供包含特定值的参数的示范,但应了解,参数无需确切等于相应的值,而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
本发明提供了一种应用斩波放大技术的感应式磁场传感器,其克服了常规运算放大器、差分放大器、三极管单管等放大元件的在0.1mHz-100Hz的自身1/f噪声对传感器的影响,实现了低工作频率、高探测精度。
在本发明的一个示例性实施例中,提供了一种感应式磁场传感器。该感应式磁场传感器包括:磁芯,呈细长棒状;感应线圈,缠绕在磁芯的外围;斩波放大电路,其输入端连接至线圈的两端,其输出端作为磁场传感器的输出端。其中,被测磁场在磁芯中产生变化的磁感应强度;该变化的磁感应强度在线圈上产生感应电压;该感应电压经过斩波放大电路后信号幅度增强,由斩波放大电路的输出端输出。
本实施例感应式磁场传感器的工作频率可达范围可达0.1mHz-1kHz,跨度可达107,其噪声水平(噪声水平)为天然磁场谱密度的1/5~1/10,足以精确获取来自地球深部达50km的微弱磁场信息。
以下对本实施例感应式磁场传感器的各个组成部分进行详细说明。
一、磁芯
本实施例的磁芯应当满足高磁导率和低损耗两点要求。
磁芯的高磁导率有利于增强观测信号的强度,本发明采用高磁导率材料-纳米晶、非晶或铁氧体,其初始磁导率为20000-80000,将该材料制作成圆柱形,长径比约为:35-55。
通常情况下,感应信号增强的倍数μapp是由如下公式决定的:
其中l为磁芯的长度,d为磁芯截面积的有效直径,如果磁芯截面积为正方形或者长方形,需计算其等效截面积的直径;显然磁芯的初始磁导率μr越大,感应信号增强的倍数越大。磁芯的长径比越大,μapp越好,μapp和及μr的关系如图2所示。
为了保持磁芯材料的低损耗,本发明采用改变磁性材料的结构,将整块的磁芯改成叠片的形式,有效降低材料中涡流损耗,片与片之间采用绝缘的氧化物隔离,从而保证磁场在材料涡流回路被切断,从而达到降低损耗的目的。磁场损耗的降低保证了原信号的强度,从而保证磁场传感器的灵敏度。
二、感应线圈
请参照图1,本实施例中,感应线圈为漆包线线圈。磁芯上套有环氧树脂保护套,漆包线线圈缠绕在环氧树脂保护套上。线圈圈数在10000-50000的范围内,绕线采用圆铜漆包线实现,漆皮采用聚胺乙烯材料,线径满足0.2mm-0.5mm范围即可。在绕制时,为了达到足够的机械强度,采用多个隔板将整个线圈支撑住。
三、斩波放大电路
在低频放大中,受电子器件本身1/f噪声的影响,直接放大时有用信号将被噪声淹没,因此低频磁场信号的放大需要克服1/f噪声的影响,才能得到有益的放大。
请参照图3,斩波放大电路包括:调制模块,与线圈的两端相连接,用于利用预设频率的方波,将线圈输出的频率介于0.1mHz-1kHz的低频信号调制至中心频率为3kHz的高频,生成斩波信号;放大模块,与调制模块相连接,用于将调制后的斩波信号进行放大;解调模块,与放大模块相连接,用于将放大的斩波信号重新解调制为频率范围介于0.1mHz-1kHz的低频信号,并将放大模块引入的1/f噪声调制为频率高于3kHz的高频信号;滤波模块,与解调模块相连接,用于对解调模块输出的信号进行滤波,滤除由于放大模块所引入的1/f噪声,,实现有用信号的提取。
3.1调制模块
调制模块利用预设频率的方波,将线圈输出的感应信号调制至中心频率为3kHz的高频,生成斩波信号,其主要采用CMOS模拟开关芯片ADG413实现(U1)。
请参照图4,U1的管脚13连接VCC,即供电的正电压;管脚12连接VL,为逻辑电压值5V;管脚3和管脚11连接感应线圈输出的正信号;管脚1、管脚8、管脚9、管脚16连接时钟信号CLK;管脚6、管脚14连接信号地;管脚2、管脚15为信号输出正,管脚7、管脚10号为信号输出负,分别连接放大模块的输入端Vm1和Vm2。
除了上述结构电路的调制模块之外,还可以采用乘法器来实现调制功能,只需在不额外引入噪声的情况下,将信号调制到3kHz即可。
3.2放大模块
请参照图5,放大模块包括依次串联的第一、二、三级放大电路。其中,第一级放大电路用于输入信号低噪声前置放大,第二级放大电路用于将前置放大的信号功率放大;第三级放大电路用于对功率放大的信号进行极性反转。
第一级放大部分由FET对管组成(Q1和Q2)(Q1、Q2的型号为INF146)。其中:Q1、Q2的G极分别连接至调制模块的输出Vm1和Vm2;Q1和Q2的S极短接,其公共端经过电流源I1连接至供电负电压VSS,I1的型号为J507;Q1、Q2的D极分别通过第三电阻R3、第四电阻R4连接至供电正电压VCC,其中,第三电阻R3和第四电阻R4均为3.0kOhm。Q1、Q2的D极分别作为第一级放大电路的输出端。
第二级放大电路采用MAX4101ESA(U2)实现。其中:
U2的管脚2依次经过第五电阻R5和第一电容C1连接至第一级放大电路中Q2的D级。U2的管脚2依次通过第六电阻R6和第二电容C2连接至第一级放大电路Q1的D极。其中,第一电容C1和第二电容C2相等,均为100nF,第五电阻R5和第六电阻R6相等,均为1kOhm。
U2管脚6经过第四电容C4和第八电阻R8并联回路和管脚2连接,第四电容C4值为10pF,第八电阻R8为200kOhm。U2的管脚3经过第七电阻R7和第三电容C3的并联电路和地连接,第七电阻R7为200kOhm,第三电容C3为10pF。U2的管脚4连接电源负VSS。U2的管脚7连接电源正VCC。U2的管脚6作为第二级放大电路的输出端。U2的管脚6通过第五电容C5与Vma2连接,Vma2通过第十二电阻R12与地连接。第五电容C5为100nF,第十二电阻R12为1kOhm。
第三级放大亦采用MAX4101ESA(U3)实现。其中:
U3的管脚2(输入负端)依次经过第九电阻R9连接至第二级放大电路中U6的管脚6。U3的管脚2(输入正端)接地。依次通过第六电阻R6和第二电容C2连接至第一级放大电路Q1的D极。第九电阻R9阻值为1kOhm。
U3的管脚2和管脚6之间采用第十电阻R10实现串联回路,第八电阻R10为1kOhm。U3的管脚4连接电源负VSS。U3的管脚7连接电源正VCC。U3的管脚6通过第六电容C6相连到输出端Vma1,Vma1通过第十一电阻R11与地连接。第六电容C6为100nF,第十一电阻R11为1kOhm。Vma1和Vma2作为第三级放大电路的输入端。
除了上述电路结构的放大模块之外,还可以采用其他类型的电路结构来实现上述放大功能,只需保证输入噪声小于1nV/sqrt(Hz)的等效输入噪声,如采用差分结型场效应管的放大电路结构。
3.3解调模块
请参照图6,解调模块与调制模块对称,采用ADG413(U4)实现。U4的管脚3和14分别接入来自放大模块的信号Vma1和信号Vma2;U4的管脚1和管脚16同时接CLK信号;U4的管脚4接电源负VSS信号;U4的管脚5接GND信号;U4的管脚12接VL,管脚13接电源正VCC;U4的管脚2和管脚15分别串联第十三电阻R13和第十四电阻R14后短接,为本模块的输出Vdm。第十三电阻R13和第十四电阻R14为1kOhm。管脚6、7、8、9、10、11不接。
除了上述电路结构的解调模块之外,还可以采用乘法器实现解调模块,只要其满足和调制模块电路结构一致即可。
3.4滤波模块
请参照图7,滤波模块采用MAX4101ESA(U5)实现,解调模块的输入端Vdm通过第十五电阻R15和U5的管脚3(U5的输入正)连接;输入端Vdm通过第七电容C7与地连接,第十五电阻R15为1kOhm,C7的电容值为1nF;
U5的管脚2串联第十六电阻R16后接地,第十六电阻R16为1kOhm;U5的管脚6通过第八电容C8和第十七电阻R17的并联电路连接到管脚2,第八电容C8的电容值为4.7nF,第十七电阻R17为200kOhm;U5的管脚7接电源正VCC;U5的管脚4接电源负VSS;U5的管脚6为本模块的输出信号,即为斩波放大电路的信号输出端Vout;
其他模块如供电模块,为斩波放大电路提供VCC、VSS、VL等电压,采用常规供电+/-5V的供电电源实现;CLK信号采用常规时钟信号实现,重复频率为3.5kHz,幅度为+/-5V,在此不再复述。
除了上述电路结构的滤波模块之外,还可以采用无源电路的电路结构实现滤波功能,通带范围在0.1mHz-1kHz在内即可。
为了表征本实施例磁场放大器的性能,以下对上文所述的感应式磁场放大器进行测试。
(一)传感器频率特性测量
本发明采用长直螺线管产生均匀磁场的方式,进行不同频率点的输出电压大小的测量,从而保证磁场传感器的观测精度。长直螺线管设计长度为4.5m,直径为35cm,中心处直径1m范围内的磁场均匀度小于1%,从而在整个传感器范围内,被感应的磁场均匀,从而传感器的频率响应特性可被精确测量,则被测磁场可被精确计算。这种采用长直螺线管进行磁场传感器标定的方式是本发明的重要内容之一,这种方法有效克服了传统的磁场传感器频率特性测量测量不精确的缺点,如采用霍姆赫兹线圈,其相同尺寸的线圈,磁场均匀度远低于长直螺线管,因此磁场传感器的测量结果亦不如长直螺线管的标定结果。
(二)传感器噪声特性测量
本发明的噪声特点测量是传感器指标测量的关键步骤之一,本发明采用将传感器放入磁屏蔽间(筒)进行测量的方式进行噪声测量。磁屏蔽间是通过高磁导率的磁性材料层和高磁导率的金属层建成一个封闭的空间,在这个空间内地磁场和其扰动几乎为零。在这样的零磁环境下,将磁场传感器放入其中,测量其输出,会得到其仪器的本底噪声输出。测量的示意图如图8所示,通过磁屏蔽室的标定,可以得到传感器的本底噪声,本底噪声指标图如图9所示。
相对于常规的平行相关测试法,采用屏蔽室(筒)测量更加准确,更加能够获得磁场传感器的本底噪声水平,更好的评价磁场传感器的性能。通过上述测试可知,本实施例磁场传感器在0.11Hz下的噪声水平仅为1×10-3nT/root(Hz)。该噪声水平远远低于现有技术磁场传感器。
至此,已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述,本领域技术人员应当对本发明感应式磁场传感器有了清楚的认识。
此外,上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状,本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换,例如:
综上所述,本发明提供了一种高灵敏度的感应式磁场传感器,相对于常规的磁场传感器,本发明采用斩波稳零放大等技术,工作频率更低可达0.1mHz,测量精度更好,可达0.1pT/sqrt(Hz)(1Hz时),勘探深度可达数公里,可以用于深部资源勘探的地球物理电磁方法仪器等领域。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种感应式磁场传感器,其特征在于,包括:
磁芯,呈细长棒状;
感应线圈,缠绕在所述磁芯的外围;
斩波放大电路,其输入端连接至所述感应线圈的两端,其输出端作为磁场传感器的输出端;
其中,被测磁场在磁芯中产生变化的磁感应强度;该变化的磁感应强度在线圈上产生感应电压;该感应电压经过斩波放大电路后信号幅度增强,由斩波放大电路的输出端输出;
所述斩波放大电路包括:调制模块,与所述感应线圈的两端相连接,用于利用预设频率的方波,将线圈输出的频率介于0.1mHz-1kHz的低频信号调制至中心频率为3kHz的高频信号,即斩波信号;放大模块,与所述调制模块相连接,用于将斩波信号进行增益放大;解调模块,与放大模块相连接,用于将增益放大的斩波信号重新解调制回频率范围介于0.1mHz-1kHz的低频信号,并将放大模块引入的1/f噪声调制为频率高于3kHz的高频信号;滤波模块,与解调模块相连接,用于对解调模块输出的信号进行滤波,滤除由于放大模块所引入的1/f噪声,实现有用信号的提取;
所述调制模块由CMOS模拟开关芯片ADG413实现;该CMOS模拟开关芯片ADG413的各管脚设置如下:管脚1、管脚8、管脚9、管脚16连接时钟信号CLK;管脚2、管脚15为信号输出正,连接放大模块的输入端Vm1;管脚3和管脚11连接感应线圈输出的正信号;管脚6、管脚14连接信号地;管脚7、管脚10号为信号输出负,连接放大模块的输入端Vm2;管脚12连接VL;管脚13连接VCC;
所述放大模块包括依次串联的第一、二、三级放大电路,其中:
所述第一级放大电路用于输入信号低噪声前置放大,由FET对管Q1和Q2组成,其中:Q1、Q2的G极分别连接至所述调制模块的输出Vm1和Vm2;Q1和Q2的S极短接,短接处的公共端经过电流源I1连接至供电负电压VSS;Q1、Q2的D极分别通过第三电阻、第四电阻连接至供电正电压VCC,Q1、Q2的D极分别作为第一级放大电路的输出端;
所述第二级放大电路用于将前置放大的信号功率放大,采用MAX4101ESA-U2实现,其中:管脚2依次经过第五电阻和第一电容连接至第一级放大电路中Q2的D级;管脚2依次通过第六电阻和第二电容连接至第一级放大电路Q1的D极;管脚6经过第四电容和第八电阻并联回路和管脚2连接;管脚3经过第七电阻和第三电容的并联电路和地连接;管脚4连接电源负VSS;管脚7连接电源正VCC;管脚6作为第二级放大电路的输出端,且管脚6通过第五电容与输出端Vma2连接,输出端Vma2通过第十二电阻与地连接;
所述第三级放大电路用于对功率放大的信号进行极性反转,采用MAX4101ESA-U3实现,其中:管脚2作为输入负端,依次经过第九电阻连接至第二级放大电路中U2的管脚6;U3的管脚2作为输入正端接地,并依次通过第六电阻和第二电容连接至第一级放大电路Q1的D极;管脚2和管脚6之间采用第十电阻实现串联回路;管脚4连接电源负VSS;管脚7连接电源正VCC;管脚6通过第六电容相连到输出端Vma1,Vma1通过第十一电阻与地连接;Vma1和Vma2作为第三级放大电路的输入端。
2.根据权利要求1所述的感应式磁场传感器,其特征在于,所述解调模块与所述调制模块对称,由CMOS模拟开关芯片ADG413实现;
该CMOS模拟开关芯片ADG413的各管脚设置如下:管脚1和管脚16同时接CLK信号;管脚2和管脚15分别串联第十三电阻和第十四电阻后短接,作为本解调模块的输出Vdm;管脚3和14分别接入来自放大模块的信号Vma1和信号Vma2;管脚4接电源负VSS信号;管脚5接GND信号;管脚12接VL;管脚13接电源正VCC。
3.根据权利要求2所述的感应式磁场传感器,其特征在于,所述第十三电阻、第十四电阻的电阻值均为1kOhm。
4.根据权利要求1所述的感应式磁场传感器,其特征在于,所述滤波模块由MAX4101ESA芯片实现;
该MAX4101ESA芯片的各管脚设置如下:管脚2串联第十六电阻后接地;管脚3通过第十五电阻连接至所述解调模块的输入端Vdm,且该解调模块的输入端Vdm通过第七电容与地连接;管脚4接电源负VSS;管脚6通过第八电容和第十七电阻的并联电路连接到管脚2,同时管脚6为滤波模块的输出信号;管脚7接电源正VCC。
5.根据权利要求4所述的感应式磁场传感器,其特征在于,其中,所述第七电容的电容值为1nF;所述第八电容的电容值为4.7nF;
所述第十七电阻的电阻值为200kOhm;第十五电阻、第十六电阻的电阻值均为1kOhm。
6.根据权利要求1所述的感应式磁场传感器,其特征在于,
第三电阻和第四电阻均为3.0kOhm;第五电阻和第六电阻相等,均为1kOhm;第七电阻为200kOhm;第八电阻为200kOhm;第九电阻阻值为1kOhm;第十一电阻为1kOhm;第十二电阻为1kOhm;第一电容和第二电容均为100nF;第三电容为10pF;第四电容值为10pF;第五电容为100nF;第六电容为100nF。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的感应式磁场传感器,其特征在于,所述磁芯采用叠片形式,片与片之间采用绝缘的氧化物隔离;
所述磁芯长径比为:35~55,其材料选自于纳米晶、非晶或铁氧体,初始磁导率为20000-80000。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的感应式磁场传感器,其特征在于,所述磁芯上套有环氧树脂保护套;
所述感应线圈为漆包线线圈,其缠绕在环氧树脂保护套上。
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