CN103760505B - 一种双差式低噪声微弱磁信号采集处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双差式低噪声微弱磁信号采集处理装置，所述双差式低噪声微弱磁信号采集处理装置包括：采集装置、双差装置、偏置装置、置位复位装置。采集装置包括第一采集电路和第二采集电路，每个采集电路包括一个由磁敏电阻和普通电阻构成的电桥；双差装置接收由两个采集电路所采集的信号，并且对所述信号进行差分处理；偏置装置包括地磁场测量装置和磁场发生装置，用于根据地磁场的强度产生抵消磁场；置位复位装置包括螺线圈和置位复位电源，用于生成强磁场。本发明利用偏置装置消除地磁场的影响，利用差分装置消除非线性噪声脉冲干扰，能够使传感器有效地测量出所需要的微弱磁信号。

Description

一种双差式低噪声微弱磁信号采集处理装置

技术领域

本发明涉及磁信号测量领域，具体涉及一种双差式低噪声微弱磁信号采集处理装置。

背景技术

随着科技的不断发展与人们生活水平的不断提高，微弱磁场在世界范围内的使用越来越广泛，利用高精度检测技术实现对微弱磁信号分析，尤其是在人体微磁场检测、生物磁信号测量、地磁导航、地磁场测量、空间磁场测量等领域起到非常重要的作用。磁传感器是一种能把磁场转换成相应电信号的转换器。用来实现磁传感器的原理有很多，例如霍尔效应、磁阻效应、巨磁阻效应、巨磁阻抗效应、核进动、超导量子干涉仪、磁弹性效应等。

在超高精度磁测量领域，磁信号的测量具有重要意义。例如，人体微磁信号的测量对于分析人体健康状况起到里程碑的意义。典型的心脏磁场为10^-9-10^-10特斯拉(T)，脑磁场为10^-11-10^-12T，目前能够真正满足检测10^-12T量级测量精度的磁传感器有光泵磁强计、探测线圈磁强计、磁通门磁强计、巨磁阻抗磁强计、超导量子干涉仪(SQUID)。

由于我们身边有各种各样的电磁场干扰，这些磁场在我们采集有用信号时会产生较大的误差影响，并且如果要采集的是信号比较弱的微弱电磁场时，很可能我们经过放大电路以后用示波器观察到的全部都是噪声信号，有用信号全部“隐藏”在了这些噪声信号当中。当然，我们可以采取金属隔离法来在一个密闭的环境中去测量采集有用的信号，但是这会存在最基本的俩个问题：第一，只要我们运用电子设备就会对有用信号造成干扰。第二，建造一个能达到标准要求的金属隔离屋难度太大。

为消除噪声的干扰问题，本专利提出了一种利用新的测量线性的微弱磁场的传感器。利用差分法消除线性地磁外的其他脉冲噪声干扰。

发明内容

针对上述问题，本发明希望提供一种新的双差式低噪声微弱信号采集处理装置，其能够消除噪声干扰的影响。

具体而言，本发明提供了一种双差式低噪声微弱信号采集处理装置，所述微磁信号采集处理装置包括：采集装置、双差装置、偏置装置、置位复位装置，其特征在于，

所述采集装置包括第一采集电路和第二采集电路，每个采集电路包括一个由磁敏电阻和普通电阻构成的电桥；

所述双差装置接收由两个采集电路所采集的信号，并且对所述信号进行减法处理；

所述偏置装置包括地磁场测量装置和磁场发生装置，用于根据地磁场的强度产生抵消磁场；

所述置位复位装置包括螺线圈和置位复位电源，用于生成强磁场。

进一步地，所述第一采集电路包括第一电阻、第二电阻、第一磁敏电阻和第二磁敏电阻，所述第一电阻和所述第一磁敏电阻顺序串联连接构成所述第一采集电路的第一桥，所述第二磁敏电阻与所述第二电阻顺序串联连接构成所述第一采集电路的第二桥，所述第一桥和所述第二桥并联连接，并且两桥的第一端连接至电源VCC，第二端接地。

进一步地，所述第二采集电路包括第三电阻、第四电阻、第三磁敏电阻、第四磁敏电阻、第一电容和第二电容，所述第三电阻和所述第三磁敏电阻顺序串联连接构成所述第二采集电路的第一桥，所述第四磁敏电阻与所述第四电阻顺序串联连接构成所述第二采集电路的第二桥，并且所述第二采集电路的第一桥和所述第二采集电路的第二桥并联连接，且两桥的第一端连接至电源VCC，第二端接地，所述第二采集电路的第一桥的中点连接至第一电容，所述第二采集电路的第二桥的中点连接至第二电容。

进一步地，所述双差装置包括第一减法电路和第二减法电路，所述第一减法电路包括电阻R1、R2、R3、减法器LM358，所述第一采集电路的第一桥的中点通过所述电阻R1连接至所述减法器LM358的正输入端，所述第二采集电路的第二桥的中点通过所述第一电容和所述电阻R2连接至所述减法器LM358的负输入端。

进一步地，所述第二减法电路包括电阻R4、R5、R6和第二减法器LM358，所述第一采集电路的第二桥的中点通过电阻R4连接至所述第二减法器LM358的正输入端，所述第一采集电路的第二桥的中点通过所述第二电容和所述电阻R5连接至所述第二减法器LM358的负输入端。

进一步地，所述地磁测量装置能够测量出地磁场的强度和方向，所述磁场发生装置基于所述地磁测量装置所测出的地磁场的强度和方向产生与所述地磁场大小相等、方向相反的磁场，以抵消所述地磁场的影响。

由于微弱磁信号在检测时会遇到很多噪声的干扰，本发明为了实现消除磁传感器在测量微弱信号时遇到的噪声信号，利用偏置电流模块消除地磁场的影响，利用差分模块消除非线性噪声脉冲干扰，能够使传感器有效地测量出所需要的微弱磁信号，尽可能地提高微弱磁信号传感器的测量精度。

附图说明

图1为根据本发明一个实施例的传感器的整体电路示意图；

图2为根据本发明一个实施例的传感器中的置位复位装置的线圈的示意图；

图3为根据本发明一个实施例的传感器中的采集电路的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

如图1所示，本实施例中的双差式低噪声微弱磁信号采集处理装置主要包括四个部分：采集装置、双差装置、偏置装置、置位复位装置。本领域技术人员应该理解，虽然附图中以一个电路图的形式示出了本实施例的传感器，但是在具体实现中，该传感器可以具有其自身的外壳、外部电源和其他配套器件，并且该传感器中的电路可以以立体方式呈现，而不限于平面结构。

采集装置包括两个由磁敏电阻和两个普通电阻组成的电桥，当外界环境中存在磁场时磁敏电阻的电阻值发生变化，使电压输出产生相应的变化（图中带箭头的电阻代表磁敏电阻）。如图1所示，采集装置包括第一采集电路和第二采集电路。图1中两个呈“凹”字形的电路即分别为第一采集电路和第二采集电路。

图1中左侧的“凹”字形电路为第一采集电路（如图3所示），图中，从左到右依次为第二磁敏电阻、第一电阻、第一磁敏电阻和第二电阻。第一电阻和第一磁敏电阻顺序串联连接构成第一采集电路的第一桥（内侧电桥），第二磁敏电阻与第二电阻顺序串联连接构成第一采集电路的第二桥（外侧电桥），第一采集电路的第一桥和第二桥并联连接，并且两个电桥的左侧连接点连接至电源VCC，右侧连接点接地。

图1中右侧的“凹”字形电路为第二采集电路，图中，从左到右依次为第四磁敏电阻、第三电阻、第三磁敏电阻和第四电阻，第三电阻和第三磁敏电阻顺序串联连接构成第二采集电路的第一桥（内侧电桥），第四磁敏电阻与第四电阻顺序串联连接构成第二采集电路的第二桥（外侧电桥），并且第二采集电路的第一桥和第二采集电路的第二桥并联连接，且两个电桥的左侧连接点连接至电源VCC，右侧连接点接地，第二采集电路的第一桥的中点连接至第一电容，第二采集电路的第二桥的中点连接至第二电容。

第一采集电路和第二采集电路的电桥的中点作为两个采集电路的输出。两个采集电路的输出分别输送到差分装置中，差分装置接收由两个采集电路所采集的信号，并且对信号进行差分处理；

具体而言，如图1的下部所示，双差装置包括第一减法电路和第二减法电路，第一减法电路（上部的差分电路）包括电阻R1、R2、R3、减法器LM358，第一采集电路的第一桥的中点通过电阻R1连接至减法器LM358的正输入端，第二采集电路的第二桥的中点通过第一电容（上部的电容）和电阻R2连接至减法器LM358的负输入端，在电阻R2和第一电容之间还可以添加二极管。

第二减法电路（下部的差分电路）包括电阻R4、R5、R6和第二减法器LM358，第一采集电路的第二桥的中点通过电阻R4连接至第二减法器LM358的正输入端，第二采集电路的第二桥的中点通过第二电容和电阻R5连接至第二减法器LM358的负输入端，在电阻R5和第二电容之间可以添加另一二极管。

偏置装置包括地磁场测量装置和磁场发生装置，用于根据地磁场的强度产生抵消磁场。在图1所示的电路中，仅画出来两个偏置电路，作为磁场发生装置。地磁测量装置能够测量出地磁场的强度和方向，然后，偏置电路能够基于地磁测量装置所测出的地磁场的强度和方向产生与地磁场大小相等、方向相反的磁场，以抵消地磁场的影响。

在本实施例中，偏置电路采用具有限流电阻的直线导线，置于整个装置的上部或下部。当确定了地磁场强度以后，可以根据地磁场确定需要的电流强度，然后，通过电源驱动电流通过导线，进而精确地抵消测量磁场。这被称作闭环结构电流反馈信号，是所施加磁场的直接度量。虽然利用偏置模块可以消除一部分地磁场，但是，由于有很多脉冲电流的大小难以确定，仅仅消除地磁场并不能测得精确的信号，还需要利用上述的双差装置对信号进行差分。

如图2所示，置位复位装置包括螺线圈，用于生成强磁场。螺线圈由电源供电（图中未示出）。当传感器暴露于干扰磁场中时，传感器元件会分成若干方向随机的磁区域，从而导致灵敏度衰减。因此，采用螺线圈生成强磁场则可以重新将磁区域对准统一到一个方向上，这样将确保高灵敏度和可重复的读数。如果施加反向脉冲，则反向脉冲(复位)可以以相反的方向旋转磁区域的方向，并改变传感器输出的极性。

工作过程：

本发明首先通过地磁场测量装置测量出地磁场的强度，然后，利用偏置装置，生成与地磁场方向相反、大小相同的磁场，以抵消地磁场。

然后，本发明采用两个相同的采集电路对磁信号进行采集，只是在第二采集电路的输出处，分别添加了一个电容。这样，第一采集电路的两个输出所输出的信号将既包括直流信号，又包括交流信号；而第二采集电路的两个输出所输出的信号将仅包括交流信号，而滤除了直流信号。

然后，将第一采集电路的第一桥的输出信号输出到第一减法电路的正输入端，将第二采集电路的第一桥的输出信号输出到第一减法电路的负输入端，然后，通过减法器对两信号进行减法运算，则可以获得第一采集电路的第一桥所输出的信号的直流成分，而该直流成分则是测量所需要的，滤除了交流的嘈杂的噪声。

类似地，将第一采集电路的第二桥的输出信号输出到第二减法电路的正输入端，将第二采集电路的第二桥的输出信号输出到第二减法电路的负输入端，然后，通过减法器对两信号进行减法运算，则可以获得第一采集电路的第二桥所输出的信号的直流成分。

通过将两个减法器所输出的直流成分作为本发明的传感器的两个输出，既可以根据磁敏电阻的电桥的原理获得待测磁场的强度。可以选地，可以将两个减法电路的输出信号输出至处理器，处理器中存储有或者调取减法电路的输出与相应磁场的对应关系表格，并且，处理器基于该表格和两个减法电路的输出，就可以输出所测得的磁场。

当进行一段时间采集之后，或者重新进行采集时，需要驱动重置复位装置，产生强磁场，以便对本发明的传感器的工作环境进行重置。可选地，重置复位装置的线圈可以包围本发明的传感器，即，位于传感器的外围。

优选地，所述重置复位装置的驱动电流为0.78A-1.5A。所述偏置装置的位于传感器的顶部，与传感器之间具有一定距离，优选为5cm-7cm，更优选地为6cm。所述第一电容和所述第二电容彼此间隔开，优选间隔距离大于4.2cm。

需要说明的是，附图中的各个部件的形状均是示意性的，不排除与其真实形状存在一定差异，附图仅用于对本发明的原理进行说明，并非意在对本发明进行限制。而且，本领域技术人员应该理解，上述实施例中并不构成对本发明的保护范围的限制。

Claims (5)

1.一种双差式低噪声微弱磁信号采集处理装置，所述双差式低噪声微弱磁信号采集处理装置包括：采集装置、双差装置、偏置装置、置位复位装置，其特征在于，

所述采集装置包括第一采集电路和第二采集电路，每个采集电路包括一个由磁敏电阻和普通电阻构成的电桥，所述第二采集电路还包括直流过滤装置；

所述双差装置接收由两个采集电路所采集的信号，并且对所述信号进行减法处理；

所述偏置装置包括地磁测量装置和磁场发生装置，所述地磁测量装置能够测量出地磁场的强度和方向，所述磁场发生装置基于所述地磁测量装置所测出的地磁场的强度和方向产生与所述地磁场大小相等、方向相反的磁场，以抵消所述地磁场的影响；

所述置位复位装置包括螺线圈和置位复位电源，用于生成强磁场。

2.根据权利要求1所述的双差式低噪声微弱磁信号采集处理装置，其特征在于，所述第一采集电路包括第一电阻、第二电阻、第一磁敏电阻和第二磁敏电阻，所述第一电阻和所述第一磁敏电阻顺序串联连接构成所述第一采集电路的第一桥，所述第二磁敏电阻与所述第二电阻顺序串联连接构成所述第一采集电路的第二桥，所述第一桥和所述第二桥并联连接，并且两桥的第一端连接至电源VCC，第二端接地。

3.根据权利要求2所述的双差式低噪声微弱磁信号采集处理装置，其特征在于，所述第二采集电路包括第三电阻、第四电阻、第三磁敏电阻、第四磁敏电阻、第一电容和第二电容，所述第三电阻和所述第三磁敏电阻顺序串联连接构成所述第二采集电路的第一桥，所述第四磁敏电阻与所述第四电阻顺序串联连接构成所述第二采集电路的第二桥，并且所述第二采集电路的第一桥和所述第二采集电路的第二桥并联连接，且两桥的第一端连接至电源VCC，第二端接地，所述第二采集电路的第一桥的中点连接至第一电容，所述第二采集电路的第二桥的中点连接至第二电容。

4.根据权利要求3所述的双差式低噪声微弱磁信号采集处理装置，其特征在于，所述双差装置包括第一减法电路和第二减法电路，所述第一减法电路包括电阻R1、R2、R3、第一减法器LM358，所述第一采集电路的第一桥的中点通过所述电阻R1连接至所述第一减法器LM358的正输入端，所述第二采集电路的第一桥的中点通过所述第一电容和所述电阻R2连接至所述第一减法器LM358的负输入端，所述电阻R3一端与所述电阻R2及所述第一减法器LM358的负输入端相连，另一端与电源VCC相连。

5.根据权利要求4所述的双差式低噪声微弱磁信号采集处理装置，其特征在于，所述第二减法电路包括电阻R4、R5、R6和第二减法器LM358，所述第一采集电路的第二桥的中点通过电阻R4连接至所述第二减法器LM358的正输入端，所述第二采集电路的第二桥的中点通过所述第二电容和所述电阻R5连接至所述第二减法器LM358的负输入端，所述电阻R6一端与所述电阻R5及所述第二减法器LM358的负输入端相连，另一端与电源VCC相连。