CN104076300A - 用于矿井无线通信的感应式磁场传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种矿井无线通信的感应式磁场传感器。该用于矿井无线通信的感应式磁场传感器包括：磁芯；感应线圈，其分为两节分别缠绕在磁芯上，该两节的中间抽头接地信号GND，另外两个抽头输出差分信号(-Sig+和Sig-)，该差分信号(-Sig+和Sig-)和地信号GND共同构成该感应线圈的输出信号；以及放大电路，用于对感应线圈输出的差分信号进行放大。本发明采用磁芯高效聚集磁通，大大提高了感应式磁场传感器灵敏度，使得传输距离相较于空芯线圈大幅度提高，进而提高了感应式磁场传感器的整体性能。

Description

用于矿井无线通信的感应式磁场传感器

技术领域

本发明涉及电子行业传感器技术领域，尤其涉及一种用于矿井无线通信的感应式磁场传感器。

背景技术

对于矿坑通信而言，由于矿坑与地面之间、矿坑与矿坑之间存在较厚的岩石层，通信时环境衰减很大，因此高频无线电通信基本无法实行，多为有线通信。但在突发事故时，有线通信设备容易损坏，导致救援者与被困者通信不畅甚至无法通信，因此需要采用透地通信(Through the Earth)技术。透地通信的中心载频小于10kHz，带宽较窄，可以传输文字和语音，且因为频率较低，可以穿透岩石层，如果接收传感器灵敏度很高，可以传播更远的距离。

近年来，矿坑无线通信一直是一个难点问题。但由于有线通信一般需要大量的设备支持，且在突发事故中，相关设备一旦损坏，将造成施救者和被困者通信的中断，因此，研究矿坑无限通信迫在眉睫。

2006年，美国国会批准通过了研发应用于矿坑突发事故通信的无线通信相关技术和设备。其中，包括洛克马丁在内的五家公司都参与了该项目的研究。该项目的研究成果于2012年发表于IEEE Transactions on IndustryApplications杂志上。

以洛克马丁公司的产品为例，其研发的矿坑无限通信系统的中心载频有两个，一个为330Hz，传输文字信号，最大可传输距离为1494m，一个为3200Hz，传输语音信号，最大可传输距离为640m。最大可传输距离一般取决于当地天然磁场水平及接收磁场传感器的灵敏度。

现阶段，透地通信接收探头类别多样。在文献Output DesignConsiderations in Wireless Portable Through-The-Earth CommunicationsSystem Using Current Injection中，透地通信系统采用电极对作为接收探头。然而，电极对接收信号时需要布开一定距离，这在地形复杂的矿坑下是很难实现的，而且设置电极接收信号条件耗时耗力，在突发情况下无法实现。在文献NIOSH-Sponsored Research in Through-the-Earth Communicationsfor Mines：A Status Report中，大部分描述的接收线圈均为空芯线圈，尤其是Stolar公司的接收线圈直径高达1.2m，这样的话，接收线圈不仅无法随身携带，而且在突发情况下难以移动，容易损坏。实际上，空芯线圈的聚磁效应远小于有芯线圈，采用有芯感应式磁场传感器将大大提升接收传感器的灵敏度。然而，目前广泛使用的有芯感应式磁场传感器多采用负反馈、积分电路或衰减电阻等手段来拓展带宽。这样的传感器获得了较宽的应用频带，但牺牲了效率，并不适用于透地通信中的窄带、高灵敏度的要求。

在实现本发明的过程中，申请人发现现有技术用于矿井无线通信中的磁场传感器灵敏度较差，传输距离近，不能满足矿井无线通信的需求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术用于矿井无线通信的磁场传感器灵敏度低的问题，本发明提供了一种用于矿井无线通信的感应式磁场传感器。

(二)技术方案

本发明用于矿井无线通信的感应式磁场传感器包括：磁芯；感应线圈，其分为两节分别缠绕在磁芯上，该两节的中间抽头接地信号GND，另外两个抽头输出差分信号(-Sig+和Sig-)，该差分信号(-Sig+和Sig-)和地信号GND共同构成该感应线圈的输出信号；以及放大电路，用于对感应线圈输出的差分信号进行放大。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明用于矿井无线通信的感应式磁场传感器具有以下有益效果：

(1)采用磁芯高效聚集磁通，大大提高了感应式磁场传感器灵敏度，使得传输距离相较于空芯线圈大幅度提高；

(2)利用谐振频点处可以降低等效输入磁场噪声的特性，使得窄带的通信传感器可以工作在噪声最低的频段，提高了通信距离；

(3)采用低功耗低噪声放大电路，在降低传感器等效输入噪声的同时降低了功耗，使得仅用一块1.1A·h的电池即可连续工作2个月。

附图说明

图1为感应式磁场传感器等效电路图；

图2为实例中感应式磁场传感器频率响应；

图3为实例中感应式磁场传感器等效输入磁场噪声。

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。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种用于矿井无线通信的感应式磁场传感器。本实施例中，矿井无线通信的载频中心频率f_r＝3660Hz，3dB带宽2Δf为200Hz，即通频带为[3560，3760]。

本实施例感应式磁场传感器包括：磁芯；感应线圈，其分为两节分别缠绕在磁芯上，该两节的中间抽头接地，另外两个抽头输出差分信号-Sig+和Sig-，该差分信号和地信号共同构成该感应线圈的输出信号；以及放大电路，用于对感应线圈输出的信号进行放大。

以下分别对本实施例用于矿井无线通信的感应式磁场传感器的各个组成部分进行详细说明。

1、磁芯

本发明的磁芯的材料采用铁基纳米晶材料。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。磁芯呈长方体形状，尺寸为a×a×lcore(mm)，其中，边长a的范围为5mm-30mm，长lcore的范围为30mm-1000mm。

2、感应线圈

感应线圈采用无氧铜漆包线缠绕形成，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1,00-400,000匝，保证足够的灵敏度。感应线圈缠绕分为两节，中间抽头接地，感应电压为差分信号，输出三个信号，Sig+，GND，Sig-。

3、放大电路

本发明所述磁场传感器可用于包括矿坑无线在内的窄带通信。本实施例放大电路包括：调谐模块，衰减模块及差分放大模块。具体如图1所示。

3.1调谐模块

调谐模块主要包括第一调谐电容C1。该第一调谐电容C1的一端接Sig-，另一端接Sig+。利用谐振理论，通过并联大电容将感应线圈的谐振点调整到需要的中心载频处，即fr。则可知线圈电容C_sc的电容值与第一调谐电容C1的电容值的和为C：

$C{=C}_{\mathrm{sc}}+C_1=\frac{1}{L_{\mathrm{pc}}\×{\left({2\mathrm{\πf}}_r\right)}^2}---\left(1\right)$

其中，C_sc和L_pc分别为感应线圈本身的电容值和电感值。通过将感应线圈的谐振频率调整至通信的中心载频处，可使得电路等效输入电压噪声在载频处大大减小，从而减小传感器在通频带内的整体噪声。

本实施例中，第一电容C1的电容值为100pF。

3.2衰减模块

衰减模块，主要功能为调整本实施例感应式磁场传感器3dB的带宽。该衰减模块包括两个衰减电阻-第一衰减电阻R1与第二衰减电阻R2。第一衰减电阻R1的第一端接Sig-；一端与R2一端相连并接地，第二衰减电阻R2的第一端接Sig+，第二端连接至第一衰减电阻R1的第二端。R1与R2阻值大小相等，可由下式计算而得。

$R_1=\frac{-b\±\sqrt{b^2-4\mathrm{ac}}}{2a}$

$a=2{(f_r-\mathrm{\Δf})}^2-{f_r}^2-\frac{{(f_r-\mathrm{\Δf})}^4}{{f_r}^2}+\frac{{R_{\mathrm{sc}}}^2{(f_r-\mathrm{\Δf})}^2}{4{\mathrm{\π}}^2{L_{\mathrm{pc}}}^2{f_r}^2}---\left(2\right)$

b＝-2R_sc(f_r ²-2(f_r-Δf)²)

c＝4π²L_pc ²(f_r-Δf)²f_r ²+R_sc ²[2(f_r-Δf)²-f_r ²]

其中，R_sc为感应线圈的电阻值。

本实施例中，经由载波中心频率f_r和单边带宽Δf计算的出的第一电阻R1和第二电阻R2的阻值均为283kΩ。

3.3差分放大模块

差分放大模块主要由INA128芯片(U1)实现。U1管脚1与管脚8之间接放大第三电阻R3，控制放大倍数；管脚2连接至感应线圈输出差分信号的负极端Sig-；管脚3连接至感应线圈输出差分信号的正极端Sig+；管脚4连接至电源负电压(-15V)，同时串联第二电容C2后连接到地电极GND；管脚5接地电极GND；管脚7接电源正电压+15，同时通过第三电容C3连接至地电极GND；管脚6串联电阻R4后作为本实施例感应式磁场传感器的输出端。

本实施例中，第三电阻R3的阻值在5Ω到1GΩ之间可调。第四电阻R4的阻值为10Ω，第三电容C3和第四电容C4的电容值均为0.1μF。

本实施例中，通过优化算法，得到用于矿坑无线通信的接收线圈的优化参数。其中，磁芯长度为18cm，横截面为1cm×1cm，线圈线径为0.18mm，圈数1050圈，组装完成后长度为35cm，直径4cm，电池内置，采用1.1A·h的锂电池可支持传感器持续工作两个月以上。传感器中心载频为3660Hz，3dB带宽为200Hz，放大电路采用仪表放大芯片INA128，其电压噪声为8nV/√Hz，电流噪声为300fA/√Hz。线圈输出端并联电容约为30nF，并联电阻约为150kΩ。

该传感器频率响应曲线如图2所示，等效输入磁场噪声如图3所示，由图2和图3可以看到，等效输入磁场噪声在带宽内小于10fT/√Hz。该传感器符合设计并且满足矿坑无线通信接受传感器的需求。

本实施例感应式磁场传感器最终尺寸为Φ40mm×350mm，使得接收探头可以随身携带，极大程度的提高了矿坑无线通信的应用范围。

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矿井无线通信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。

综上所述，本发明感应式磁场传感器中，将线圈的谐振点调谐至载频处，其次通过在线圈两端并联衰减电阻调整3dB带宽，最后通过匹配低噪声电路实现通信带宽内的低等效输入磁场噪声。在实际使用中，该感应式磁场传感器可作为通信的接收端接收通信数据，可以完全满足矿井无线通信的应用。

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 (10)

1.一种用于矿井无线通信的感应式磁场传感器，其特征在于，包括：

磁芯；

感应线圈，其分为两节分别缠绕在磁芯上，该两节的中间抽头接地信号(GND)，另外两个抽头输出差分信号(-Sig+和Sig-)，该差分信号(-Sig+和Sig-)和地信号(GND)共同构成该感应线圈的输出信号；以及

放大电路，用于对感应线圈输出的差分信号进行放大。

2.根据权利要求1所述的感应式磁场传感器，其特征在于，所述放大电路包括：

调谐模块，与所述感应线圈相连接，用于将感应线圈的谐振点调整到矿井无线通信的载频中心频率；

衰减模块，与所述感应线圈相连接，用于将该感应式磁场传感器的输出带宽调整值矿井无线通信的带宽；以及

差分放大模块，与所述感应线圈相连接，用于将其输出的差分信号进行差分放大，进而输出放大后的信号。

3.根据权利要求2所述的感应式磁场传感器，其特征在于，所述调谐模块包括：

第一调谐电容(C1)，其两端分别连接所述感应线圈输出的差分信号，其电容值C₁满足：

$C_{\mathrm{sc}}+C_1=\frac{1}{L_{\mathrm{pc}}\×{\left({2\mathrm{\πf}}_r\right)}^2}$

其中，C_sc和L_pc分别为感应线圈本身的电容值和电感值，f_r为矿井无线通信的载频中心频率。

4.根据权利要求2所述的感应式磁场传感器，其特征在于，所述衰减模块包括：

第一衰减电阻(R1)，其第一端连接至所述感应线圈输出差分信号的负极端(Sig-)；以及

第二衰减电阻(R2)，其第一端连接至所述感应线圈输出差分信号的正极端(Sig+)；第二端连接至第一衰减电阻(R1)的第二端，并共同连接至地信号(GND)；

其中，所述第一衰减电阻(R1)和第二衰减电阻(R2)的阻值相等。

5.根据权利要求4所述的感应式磁场传感器，其特征在于，所述第一衰减电阻(R1)和第二衰减电阻(R2)的阻值R₁满足：

$R_1=\frac{-b\±\sqrt{b^2-4\mathrm{ac}}}{2a}$

$a=2{(f_r-\mathrm{\Δf})}^2-{f_r}^2-\frac{{(f_r-\mathrm{\Δf})}^4}{{f_r}^2}+\frac{{R_{\mathrm{sc}}}^2{(f_r-\mathrm{\Δf})}^2}{4{\mathrm{\π}}^2{L_{\mathrm{pc}}}^2{f_r}^2}$

b＝-2R_sc(f_r ²-2(f_r-Δf)²)

c＝4π²L_pc ²(f_r-Δf)²f_r ²+R_sc ²[2(f_r-Δf)²-f_r ²]

其中，R_sc为感应线圈的电阻值，f_r为矿井无线通信的载频中心频率，Δf为矿井无线通信的单边带宽。

6.根据权利要求2所述的感应式磁场传感器，其特征在于，所述差分放大模块包括：INA128芯片，其各个管脚设置如下：

管脚1通过第三放大电阻(R3)连接至管脚8；

管脚2连接至所述感应线圈输出差分信号的负极端(Sig-)；

管脚3连接至所述感应线圈输出差分信号的正极端(Sig+)；

管脚4连接至电源负电压，通过第四电容(C4)连接至地电极(GND)；

管脚5连接至地电极(GND)；

管脚7连接至电源正电压，通过第三电容(C3)连接至地电极(GND)；

管脚6通过第四电阻(R4)后作为该感应式磁场传感器的输出端。

7.根据权利要求6所述的感应式磁场传感器，其特征在于：

所述第三电阻(R3)，用于控制所述差分放大模块的放大倍数，其阻值在5Ω到1GΩ之间可调。

8.根据权利要求6所述的感应式磁场传感器，其特征在于：

所述第四电阻(R4)的阻值为10Ω；

所述第二电容(C2)和第三电容(C3)的电容值均为0.1μF。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的感应式磁场传感器，其特征在于，所述磁芯的材料为铁基纳米晶材料，呈长方体形状。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的感应式磁场传感器，其特征在于，所述感应线圈采用无氧铜漆包线缠绕形成，其总圈数介于1,00-400,000匝之间。