CN104062685B - 用于水下磁异常网络的感应式磁场传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于水下磁异常网络的感应式磁场传感器。该感应式磁场传感器包括：三轴磁场传感器模块，包括探测方向两两垂直的三支传感器本体；信号处理模块，包括三组信号处理电路，分别与三支传感器本体相连接，用于对三支传感器本体输出的信号分别进行放大和滤波；以及信号采集电路，与信号处理模块的三组信号处理电路相连接，用于将放大滤波后的信号调整信号带宽至预设带宽，并对三组信号分别进行采集输出。本发明通过在原有的细长型磁芯两端加磁盘聚集磁通，等效的提高了磁芯的长径比，提高了磁场传感器的灵敏度。

Description

用于水下磁异常网络的感应式磁场传感器

技术领域

本发明涉及电子行业磁场传感器技术领域，尤其涉及一种用于水下磁异常网络的感应式磁场传感器。

背景技术

高性能的磁场传感器可以用于目标体引起的磁场异常探测，例如重要港口的海底监测网、水下目标探测与跟踪、海底监测与预警网、陆上要地监测网等建设，具有无源性、不易为目标体发现、抗干扰能力强等优点。

意大利海军研究部门于2004年开发了一套声磁结合的反蛙人港口防护系统(Magnetic-AcousticSystem，简称MAC系统)，该系统利用磁传感器作为声纳系统的补充用来对港口附近海域进行预警检测。以色列原子能机构下属的一个研究小组开展了磁传感器网络对运动目标的检测、定位与跟踪研究。通过用磁偶极子模型对目标建模，假设目标的运行轨迹为匀速直线并通过先进的信号处理方法，实现了对目标的即时检测和精确定位跟踪。可见，在海岸预警技术方面，感应式磁场传感器是不可或缺的核心技术，直接制约着我国海岸预警系统的发展。

然而，目前海岸预警新技术和仪器中，以磁阻式磁场传感器和磁通门磁场传感器应用最为广泛。然而，磁阻式磁场传感器灵敏度一般大于1nT/√Hz，不仅识别目标距离近，且对于一些小目标无法识别，严重制约了水下军事监测范围和精度。磁通门式磁场传感器虽然灵敏度较低，一般为5pT/√Hz，但是其功耗较大，一般为400mW，对海底供能要求较高，尤其在多节点的情况下，若要形成广泛的军事监测网络耗费巨大，不适合于供电要求苛刻的海底探测与监测系统中应用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种用于水下磁异常网络的感应式磁场传感器，以提高磁场传感器的灵敏度，减小其体积。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种用于水下磁异常网络的感应式磁场传感器。该感应式磁场传感器包括：三轴磁场传感器模块，包括探测方向两两垂直的三支传感器本体；信号处理模块，包括三组信号处理电路，分别与三支传感器本体相连接，用于对三支传感器本体输出的信号分别进行放大和滤波；以及信号采集电路，与信号处理模块的三组信号处理电路相连接，用于将放大滤波后的信号调整信号带宽至预设带宽，并对三组信号分别进行采集输出。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明用于水下磁异常网络的感应式磁场传感器具有以下有益效果：

(1)本发明采用了磁通聚集器，通过在原有的细长型磁芯两端加磁盘聚集磁通，等效的提高了磁芯的长径比，突破了传统感应式磁场传感器在有限空间内的噪声极限，提高了磁场传感器的灵敏度，约为10pT/√Hz。

(2)本发明采用采用低功耗零漂移放大芯片，在实现低噪声放大的同时抑制了1/f噪声，并且，放大电路的功耗仅为350μW，极大地减轻了海底供能的负担，适于形成海底探测与监测系统网络。

附图说明

图1为根据本发明实施例用于水下磁异常网络的感应式磁场传感器中一传感器本体及与其相连的放大电路的示意图；

图2为根据本发明实施例用于水下磁异常网络的感应式磁场传感器中传感器本体模块的结构示意图；

图3为根据本发明实施例用于水下磁异常网络的感应式磁场传感器中信号处理模块中一组信号处理电路的结构框图；

图4为图3中放大电路中放大电路的电路图；

图5为图3中放大电路中滤波电路的电路图；

图6为图3中放大电路中信号采集电路的电路图；

图7为本发明实施例用于水下磁异常网络的超低功耗感应式磁场传感器本底噪声水平指标。

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。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明是针对现实要求提出的用于水下磁异常网络的超低功耗感应式磁场传感器。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种用于水下磁异常网络的感应式磁场传感器。图1为根据本发明实施例用于水下磁异常网络的感应式磁场传感器中一传感器本体及与其相连的放大电路的示意图。

请参照图1，本实施例感应式磁场传感器包括：

三轴磁场传感器模块，包括探测方向两两垂直的三支传感器本体；

信号处理模块，包括三组信号处理电路，分别与三支传感器本体相连接，用于对三支传感器本体输出的信号分别进行放大和滤波；以及

信号采集电路，与信号处理模块的三组信号处理电路相连接，用于将放大滤波后的信号调整信号带宽至预设带宽，并对三组信号分别进行采集输出。

以下分别对本实施例用于水下磁异常网络的感应式磁场传感器的各个组成部分进行详细说明。

一、三轴磁场传感器模块

图2根据本发明实施例用于水下磁异常网络的感应式磁场传感器中传感器本体模块的结构示意图。如图2所示，将三支磁场传感器本体两两垂直，集成固定在一起，连同信号处理模块和信号采集模块一起由铝屏蔽盒封闭，以屏蔽高频电场。

本实施例中，封装后的三轴磁场传感器模块的总体积为7.6cm×7.6cm×7.6cm。小的体积保证了该磁场传感器可以广泛的网状布置在近海岸，实现精确测量目标。

请参照图1和图2，传感器本体包括：磁芯结构，纵剖面呈工字型，中间部分为细长棒状的磁芯，两端部分为扁平状磁通量聚焦器；骨架，套设于磁芯结构磁芯的外侧；感应线圈，均匀缠绕于骨架上，磁芯的外围。

本发明的磁芯结构呈工字型，中间为细长的圆柱体磁芯，长度为5cm，直径为0.5cm，两端为扁平状圆柱体，称为磁通聚集器，长度为0.4cm，直径为3cm。这三部分磁芯紧密的固定在一起。

磁芯材料均采用软磁铁氧体材料。该材料的初始磁导率高、电导率低，可以实现磁感应强度的无损耗放大，从而达到所需灵敏度。

多匝线圈采用无氧铜漆包线的方式实现，漆包线直径在0.035mm-0.56mm，每层圈数在100-4,000匝，共缠绕1-40层，总圈数约为1,000-400,000匝，保证足够的灵敏度。

本实施例中，对于每一传感器本体而言，其长度为6.5cm，截面积为3.2cm×3.2cm。

二、信号处理模块

信号处理模块包括三组并行的信号处理电路。图3为根据本发明实施例用于水下磁异常网络的感应式磁场传感器中信号处理模块中一组信号处理电路的结构框图。如图3所示，每一信号处理电路包括：放大电路，用于对相应磁场传感器本体感应线圈输出的信号进行放大；滤波电路，与放大电路相连接，用于对放大后的信号进行滤波，以滤除噪声。

2.1放大电路

图4为图3中信号处理电路中放大电路的电路图。如图4所示，该放大模块主要由芯片OPA333(U1)组成，该芯片可同时满足低噪声及自动稳零，且具有较低功耗。

请参照图4，该放大电路包括：

调谐单元，包括串联的第一调谐电阻R1和第一调谐电容C1，其中，第一调谐电阻R1的一侧连接至公共端COM(1.65V)，第一调谐电容C1的一侧连接至相应感应线圈的信号输出端X；

限幅模块，包括首尾相接的第一二极管D1和第二二极管D2，其中，第一二极管D1的正极连接至电源正VCC；第二二极管D2的负极连接至电源地VSS；第一二极管D1的负极和第二二极管D2的正极共同连接至相应感应线圈的信号输出端X；

T型网络，其第一端连接至地；

放大模块，为OPA333芯片U1，其管脚1通过第二电阻R2连接至感应线圈的信号输出端X；其管脚2连接至电源地VSS，其管脚3通过第三电阻R3连接至公共端COM，并连接至T型网络的第二端；其管脚4连接T型网络的第三端，并作为第一放大模块的输出S1其管脚5连接至电源正VCC，并通过第三电容连接至电源地VSS；其管脚3和管脚4之间通过第二电容C2连接。

本实施例中，T型网络包括：第四电阻，其第一端连接至OPA333芯片的管脚3；第五电阻R5，其第一端连接至OPA333芯片的管脚4；以及第六电阻R6，其第一端连接至第四电阻R4的第二端和第五电阻R5的第二端；其第二端接地。

本实施例中，公共端COM的电压为1.65V，电源正的电压为3.6V。限幅模块中两二极管的型号均为BAV199。第一电阻R1、第四电阻R4和第五电阻R5的阻值均为100kΩ；第二电阻R2和第三电阻R3的阻值均为10kΩ，第六电阻R6的阻值为180Ω。第一电容C1的电容值为15nF，第二电容C2的电容值为270nF，第三电容C3的电容值为0.1μF。

2.2滤波电路

图5为图3中放大电路中滤波电路的电路图。如图5所示，该模块主要由芯片OPA2369(U2)构成，其中，OPA2369为双运放芯片，可搭建二级滤波器，更好的实现传感器的带宽。

请参照图5，该滤波模块包括：第一阶低通滤波器；第二阶低通滤波器；以及第三阶滤波器。其中，第一阶低通滤波器和第二阶低通滤波器为相同的低通滤波器。

第一阶低通滤波器包括：OPA2369运放芯片U2A。该OPA2369运放芯片U2A管脚1输出滤波后信号S1，管脚2串联第八电阻R8和第七电阻R7接信号输入S1；将第七电阻R7和第八电阻R8接点处记为P，则P点处串联第四电容C4到GND；管脚1和管脚2连接第五电容C5，管脚1和P点间连接第九电阻R9；管脚3串联第十电阻R10到电源地VSS；管脚4接电源地VSS；管脚5接电源正VCC，同时串联第三电容C3到电源地VSS。

第二阶低通滤波器包括：OPA2369运放芯片U2B。该OPA2369运放芯片U2B管脚7输出滤波后信号，管脚6串联第十三电阻R13和第十一电阻R11接信号输入S1；将第十三电阻R13和第十一电阻R11接点处即为P，则P点处串联第七电容C7到GND；管脚7和管脚6连接第八电容C8，管脚7和P点间连接第十二电阻R12；管脚5串联第十四电阻R14到电源地VSS。

本实施例中，第七电阻R7与第九电阻R9的阻值为110kΩ，第八电阻R8的阻值为100kΩ，第十电阻R10的阻值为10kΩ，第四电容C4的电容值为150nF，第五电容C5的电容值为68nF，第六电容C6的电容值为0.1μF。第二阶低通滤波器中相应的器件与第一阶低通滤波器中相应的器件参数相同，此处不再详细描述。

第三阶滤波器为OPA333芯片U3，其管脚1串联第九电容C9连接至第二滤波器输出端，同时串联第十五电阻R15到GND；其管脚2连接至电源地VSS，其管脚3串联第十六电阻R16到COM端；管脚3和管脚4之间连接第十七电阻R17和第十电容C10的并联；管脚4串联第十二电容输出信号S2，同时接第十八电阻到GND；管脚5接电源正VCC，同时串联第三电容C11到电源地VSS。

本实施例中，第九电容R9与第十二电容R9电容值为22μF，第十五电阻R15与第十八电阻R18的阻值为1M，第十六电阻R16的阻值为10kΩ，第十七电阻R17的阻值为100kΩ，第十电容C10的电容值为100nF，第十一电容C11的电容值为0.1μF。

三、信号采集电路

图6为图3中放大电路中采集模块的电路图。如图6所示，该采集模块由8位AD采集芯片AD7682芯片U4构成，其满足一般要求且具有极低功耗，该AD7682芯片U4的各个管脚设置如下：

管脚1连接至电源正VDD，并通过第三十七电容C37连接至地；

管脚2连接至AD参考电压VREF，并通过第三十九电容C39连接至地；

管脚3通过第四十电容C40连接至地；

管脚4和管脚5连接至地；

管脚7，管脚16，管脚18分别接三组信号处理电路的输出端-S4，S2，S3；

管脚10连接至公共端COM；

管脚11和管脚12分别连接至外部输出控制字CNV和DIN，控制并选择该AD7682芯片输出由三组输入信号中的哪一组采集的数字信号；

管脚13连接至外部时钟序列SCK的输入端；

管脚15连接至电源正VDD，并通过第三十八电容C38连接至地；

管脚16连接至滤波模块的信号输出端；

管脚20连接至电源正VDD；

管脚21连接至地；

管脚6、8、9、17、19悬空；

管脚14作为该信号采集电路的输出端。

其中，第三十七电容C37，第三十八电容C38和第四十电容C40的电容值为0.1uF；第三十九电容C39的电容值为10uF；AD参考电压VREF的电压值为3.3V。

四、供电模块：

本实施例用于水下磁异常网络的感应式磁场传感器还包括：供电模块，用于产生信号处理模块和信号采集模块中需要的参考电压COM和VREF。

供电模块由一般电池单电源供电，供电电压在3.3V-5.2V之间，通过电源芯片产生参考电压等，在此不再复述。

本实施例中放大电路具有两大特征：

(1)电路具有极低的功耗，三轴磁场传感器的功耗仅为350μW，可由电池长期供电，使其可大量广泛的布置在近海岸而不需要太大的成本；

(2)低噪声及自动稳零。首先，线圈感应信号输入的第一级放大器具有极低的等效输入噪声，其次，该低噪声放大器利用自动稳零技术抑制电路1/f噪声，同时，抑制磁场传感器的等效输入1/f噪声；通过磁芯、线圈和低噪声放大电路的相互匹配，该磁场传感器的等效输入磁场噪声可达到12pT/√Hz1Hz，最低可达到4pT/√Hz7Hz，带宽为20mHz-7Hz，如图7所示，可见其完全满足对水下磁异常进行监测的需要。

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用于水下磁异常网络的感应式磁场传感器有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)芯片OPA333还可以用AD8229代替；

(2)铁氧体磁芯可以用坡莫合金材料或纳米晶来代替。

综上所述，本发明磁场传感器覆盖磁异常信号带宽，体积小便于形成海岸预警监测网络，功耗低使得海岸预警网损耗很小，节约成本。实际监控中，通过本发明获取磁场的异常表现，综合分析判断目标体的质量、出现的方位及移动的速度等重要指标。

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)

1.一种用于水下磁异常网络的感应式磁场传感器，其特征在于，包括：

三轴磁场传感器模块，包括探测方向两两垂直的三支传感器本体；

信号处理模块，包括三组信号处理电路，分别与三支传感器本体相连接，用于对三支传感器本体输出的信号分别进行放大和滤波；以及

信号采集电路，与信号处理模块的三组信号处理电路相连接，用于将放大滤波后的信号调整信号带宽至预设带宽，并对三组信号分别进行采集输出；

所述三组信号处理电路中的每一组信号处理电路包括：放大电路，用于对相应传感器本体输出的信号进行放大；以及滤波电路，与所述放大电路相连接，用于对放大后的信号进行滤波，以控制带宽，其中，所述放大电路包括：

调谐单元，包括串联的第一调谐电阻(R1)和第一调谐电容(C1)，其中，第一调谐电阻(R1)的一侧连接至公共端(COM)，第一调谐电容(C1)的一侧连接至相应传感器本体的信号输出端(X)；

限幅模块，包括首尾相接的第一二极管(D1)和第二二极管(D2)，其中，第一二极管(D1)的正极连接至电源正(VCC)；第二二极管(D2)的负极连接至电源地(VSS)；第一二极管(D1)的负极和第二二极管(D2)的正极共同连接至相应传感器本体的信号输出端(X)；

T型网络，其第一端连接至地电位；以及

放大模块，为第一OPA333芯片(U1)，其管脚1通过第二电阻(R2)连接至相应传感器本体的信号输出端(X)；其管脚2连接至电源地(VSS)；其管脚3通过第三电阻(R3)连接至公共端(COM)，并连接至T型网络的第二端；其管脚5连接至电源正(VCC)，并通过第三电容连接至电源地(VSS)；其管脚4连接T型网络的第三端，并作为该放大模块的输出；其管脚3和管脚4之间通过第二电容(C2)连接。

2.根据权利要求1所述的感应式磁场传感器，其特征在于，所述三支传感器本体中的任一传感器本体包括：

磁芯结构，纵剖面呈工字型，中间部分为细长棒状的磁芯，两端部分为扁平状磁通量聚焦器；

骨架，套设于磁芯结构磁芯的外侧；以及

感应线圈，均匀缠绕于骨架上，磁芯的外围。

3.根据权利要求2所述的感应式磁场传感器，其特征在于，所述磁芯结构的材料为软磁铁氧体材料或坡莫合金材料。

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T型网络包括：

第四电阻(R4)，其第一端连接至第一OPA333芯片(U1)的管脚3；

第五电阻(R5)，其第一端连接至第一OPA333芯片(U1)的管脚4；以及

第六电阻(R6)，其第一端连接至第四电阻(R4)的第二端和第五电阻(R5)的第二端；其第二端接地电位。

5.根据权利要求1所述的感应式磁场传感器，其特征在于，所述滤波电路包括：第一阶低通滤波器；第二阶低通滤波器；以及第三阶滤波器；

所述第一阶低通滤波器和第二阶低通滤波器为相同的低通滤波器，包括：OPA2369运放芯片(U2A)，其管脚1输出滤波后信号；管脚2串联第七电阻(R7)和第八电阻(R8)接信号输入端S1；将第七电阻(R7)和第八电阻(R8)接点处记为P，则P点处串联第四电容(C4)到地电位；管脚1和管脚2之间连接第五电容(C5)，管脚1和P点间连接第九电阻(R9)；管脚3串联第十电阻(R10)到电源地(VSS)；管脚4接电源地(VSS)；管脚5接电源正(VCC)，同时串联第三电容(C3)到电源地(VSS)；

第三阶滤波器为第二OPA333芯片(U3)，其管脚1串联第九电容(C9)连接至第二滤波器输出端，同时串联第十五电阻(R15)到地电位；其管脚2连接至电源地(VSS)，其管脚3串联第十六电阻(R16)到COM端；管脚3和管脚4之间连接第十七电阻(R17)和第十电容(C10)的并联；管脚4串联第十二电容输出信号S2，同时接第十八电阻到地电位；管脚5接电源正(VCC)，同时串联第三电容(C11)到电源地(VSS)。

6.根据权利要求1所述的感应式磁场传感器，其特征在于，所述信号采集电路包括AD7682芯片(U4)，其各管脚设置如下：

管脚1连接至电源正(VDD)，并通过第三十七电容(C37)连接至地电位；

管脚2连接至AD参考电压VREF，并通过第三十九电容(C39)连接至地电位；

管脚3通过第四十电容(C40)连接至地电位；

管脚4和管脚5连接至地电位；

管脚7，管脚16，管脚18分别接三组信号处理电路的输出端(S4，S2，S3)；

管脚10连接至公共端(COM)；

管脚11和管脚12分别连接至外部输出控制字CNV和DIN，控制并选择该AD7682芯片输出由三组输入信号中的哪一组采集的数字信号；

管脚13连接至外部时钟序列SCK的输入端；

管脚15连接至电源正(VDD)，并通过第三十八电容(C38)连接至地电位；

管脚20连接至电源正(VDD)；

管脚21连接至地电位；

管脚6、8、9、17、19悬空；

管脚14作为该信号采集电路的输出端。

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，所述三轴磁场传感器模块、信号处理模块和信号采集电路由铝屏蔽盒封闭。

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，还包括：

供电模块，用于对信号处理模块和信号采集电路中的芯片进行供电。