CN104931898A - 一种磁场梯度检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁场梯度检测装置，所述装置包括：磁场梯度检测单元，用于检测三维空间的磁场梯度信息；电力保护单元，用于为所述磁场梯度检测单元提供电力保护；数据采集模块，用于采集所述磁场梯度信息。本发明还同时公开了。本发明通过分别检测三维空间坐标轴的每个坐标轴上的磁场梯度，然后根据每个坐标轴上的磁场梯度就可得到三维空间的磁场梯度。

Description

一种磁场梯度检测装置

技术领域

本发明属于磁传感器技术领域，尤其涉及一种磁场梯度检测装置。

背景技术

磁传感器在诸多领域有着广泛的应用：在医疗领域，核磁共振被应用到肿瘤的发现和治疗；在军事领域，磁传感器更被用于军事目标的发现和探测；航天领域则用于地空间磁场测量，行星磁场观测等；而在民用领域，磁传感器的应用更为广泛，如机械结构的无损探测、地下电缆的位置确定等。这些应用，对磁传感器的精度和灵敏度提出了更高的要求。因此，研制出高灵敏度的磁传感器是非常必要的。

为了对磁场的特征进行良好的测量和判定，就需要进行准确的测量，而磁场梯度作为磁场的重要特征之一，含有非常丰富的信息，通过测量磁场梯度，可以获得磁场的变化情况。因此，在实际应用中，测量磁场的梯度，有着重要的意义。磁场是一种矢量场，在空间中沿着各个方向都有磁场存在，因此就需要对磁场沿着各个方向的梯度进行测量，当前还无法测量三维空间磁场梯度。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例期望提供一种磁场梯度检测装置，至少能解决无法测量三维空间磁场梯度技术问题。

本发明实施例的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供了一种磁场梯度检测装置，所述装置包括：

磁场梯度检测单元，用于检测三维空间的磁场梯度信息；

电力保护单元，用于为所述磁场梯度检测单元提供电力保护；

数据采集模块，用于采集所述磁场梯度信息。

上述方案中，所述磁场梯度检测单元包括：

第一磁场梯度检测子单元，用于检测x轴方向上的第一磁场梯度信息；

第二磁场梯度检测子单元，用于检测y轴方向上的第二磁场梯度信息；

第三磁场梯度检测子单元，用于检测z轴方向上的第三磁场梯度信息；

第四磁场梯度检测子单元，用于检测原点上的第四磁场梯度信息。

上述方案中，所述第一磁场梯度检测子单元包括第一三轴探头和第二三轴探头，所述第一三轴探头和第二三轴探头分别位于x轴的正半轴和负半轴。

上述方案中，所述第二磁场梯度检测子单元包括第三三轴探头和第四三轴探头，所述第三三轴探头和第四三轴探头分别位于y轴的正半轴和负半轴。

上述方案中，所述第三磁场梯度检测子单元包括第五三轴探头和第六三轴探头，所述第五三轴探头和第六三轴探头分别位于z轴的正半轴和负半轴。

上述方案中，所述第四磁场梯度检测子单元包括第七三轴探头，所述第七三轴探头位于原点上。

上述方案中，所述第一三轴探头、第二三轴探头、第三三轴探头、第四三轴探头、第五三轴探头、第六三轴探头和第七三轴探头分别包括第一巨磁阻芯片和第二巨磁阻芯片；所述第一巨磁阻芯片的磁轴和第二巨磁阻芯片的磁轴垂直。

上述方案中，所述第一巨磁阻芯片包括第一磁轴和第二磁轴；所述第一磁轴和第二磁轴垂直。

上述方案中，所述第二巨磁阻芯片包括第三磁轴；所述第三磁轴分别与所述第一磁轴和第二磁轴垂直。

上述方案中，所述电力保护单元包括：

稳压子模块，用于稳定输入电压；

供电子模块；用于为所述磁场梯度检测单元供电；

置位复位子模块，用于对所述磁场梯度检测单元进行置位或复位操作；

所述稳压子模块与所述供电子模块连接；所述供电子模块和置位复位子模块分别与所述磁场梯度检测单元连接。

本发明实施例所提供的磁场梯度检测装置，通过分别检测三维空间坐标轴的每个坐标轴上的磁场梯度，然后根据每个坐标轴上的磁场梯度就可得到三维空间的磁场梯度。

附图说明

图1为实施例1的一种磁场梯度检测装置的组成结构图；

图2为实施例2的稳压子模块的电路图；

图3为实施例2的置位复位子模块的电路图；

图4为实施例2的供电子模块的电路图；

图5为实施例2的数据采集模块的电路图；

图6为实施例2的巨磁阻芯片的电路图；

图7为实施例2的三维骨架的示意图。

为了能明确实现本发明的实施例的结构，在图中标注了特定的尺寸、结构和器件，但这仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定尺寸、结构、器件和环境中，根据具体需要，本领域的普通技术人员可以将这些器件和环境进行调整或者修改，所进行的调整或者修改仍然包括在后附的权利要求的范围中。

具体实施方式

在以下的描述中，将描述本发明的多个不同的方面，然而，对于本领域内的普通技术人员而言，可以仅仅利用本发明的一些或者全部结构或者流程来实施本发明。为了解释的明确性而言，阐述了特定的数目、配置和顺序，但是很明显，在没有这些特定细节的情况下也可以实施本发明。在其他情况下，为了不混淆本发明，对于一些众所周知的特征将不再进行详细阐述。

实施例1

为了解决无法测量三维空间磁场梯度的技术问题，本实施例提供了一种磁场梯度检测装置，如图1所示，所述装置包括：

磁场梯度检测单元101，用于检测三维空间的磁场梯度信息；本实施例的磁场梯度检测单元101分别检测三维空间坐标轴的每个坐标轴上的磁场梯度；然后根据每个坐标轴上的磁场梯度得到三维空间的磁场梯度。

电力保护单元102，用于为所述磁场梯度检测单元提供电力保护；

通常，外接的电源是交流电，而磁场梯度检测单元101属于直流用电器件，因此需要对接入的交流电进行处理，以满足磁场梯度检测单元101的用电要求。

数据采集模块103，用于采集所述磁场梯度信息。磁场梯度检测单元101检测到磁场梯度信息后，需要将磁场梯度信息采集并保存，以备其他设备使用。如，通过磁场梯度信息得到全张量G，将全张量G写成矩阵形式如下公式所示：

$G=\left(\begin{array}{ccc}{\∂}_x{H}_x& {\∂}_y{H}_x& {\∂}_z{H}_x\\ {\∂}_x{H}_y& {\∂}_y{H}_y& {\∂}_z{H}_y\\ {\∂}_x{H}_z& {\∂}_y{H}_z& {\∂}_z{H}_z\end{array}\right)$

其中，和分别表示x轴方向上的磁场沿x轴方向、y轴方向和z轴方向上的梯度值；和分别表示y轴方向上的磁场沿x轴方向、y轴方向和z轴方向上的梯度值；和分别表示z轴方向上的磁场沿x轴方向、y轴方向和z轴方向上的梯度值。要获得全张量G的9个值，需要在每个轴上各设置两个磁场探头，分别测量每个轴的两个磁场值，需要临近的两处磁场值进行差分，然后除以二者间距即可得到磁场的梯度，两者的距离越近，梯度值越精确。

本实施例所述的装置分别检测三维空间坐标轴的每个坐标轴上的磁场梯度，然后根据每个坐标轴上的磁场梯度就可得到三维空间的磁场梯度。

为了得到三维空间的磁场梯度，首先需要分别获得三维空间坐标轴的x轴、y轴和z轴上的磁场梯度信息。所以，所述磁场梯度检测单元101具体包括：

第一磁场梯度检测子单元，用于检测x轴方向上的第一磁场梯度信息；第二磁场梯度检测子单元，用于检测y轴方向上的第二磁场梯度信息；第三磁场梯度检测子单元，用于检测z轴方向上的第三磁场梯度信息；第四磁场梯度检测子单元，用于检测原点上的第四磁场梯度信息。这样，基于三维空间坐标轴就得到了三维空间磁场梯度信息。为了得到三维空间的磁场梯度，至少需要测量三维空间某一方向上的两个点上的磁场梯度信息。本实施例分别在x轴、y轴和z轴的正负半轴上设置检测点，以此得到每个轴上的磁场梯度，并最终得到三维空间磁场梯度。具体的，所述第一磁场梯度检测子单元包括第一三轴探头和第二三轴探头，所述第一三轴探头和第二三轴探头分别位于x轴的正半轴和负半轴；所述第二磁场梯度检测子单元包括第三三轴探头和第四三轴探头，所述第三三轴探头和第四三轴探头分别位于y轴的正半轴和负半轴；所述第三磁场梯度检测子单元包括第五三轴探头和第六三轴探头，所述第五三轴探头和第六三轴探头分别位于z轴的正半轴和负半轴。为了对x轴、y轴和z轴上检测到的磁场梯度信息进行标记，还需要在空间坐标轴的原点设置检测点，即所述第四磁场梯度检测子单元包括第七三轴探头，所述第七三轴探头位于原点上。

上述的七个三轴探头能够测量三轴探头所在位置的三个方向上的磁场梯度，为了便于将检测到的三维空间磁场梯度应用到其他数据处理或设备，本实施例的每个三维探头采用相同的部件。具体的，所述第一三轴探头、第二三轴探头、第三三轴探头、第四三轴探头、第五三轴探头、第六三轴探头和第七三轴探头分别包括第一巨磁阻芯片和第二巨磁阻芯片；所述第一巨磁阻芯片的磁轴和第二巨磁阻芯片的磁轴垂直。本实施例的所述第一巨磁阻芯片包括第一磁轴和第二磁轴；所述第一磁轴和第二磁轴垂直；所述第二巨磁阻芯片包括第三磁轴；所述第三磁轴分别与所述第一磁轴和第二磁轴垂直，从而能够测量三维空间磁场梯度。

此外，为了保证磁场梯度检测单元101的正常工作，还需要对磁场梯度检测单元101的供电进行处理，本实施例的所述电力保护单元102包括：稳压子模块，用于稳定输入电压；供电子模块；用于为所述磁场梯度检测单元供电；置位复位子模块，用于对所述磁场梯度检测单元进行置位或复位操作；所述稳压子模块与所述供电子模块连接；所述供电子模块和置位复位子模块分别与所述磁场梯度检测单元连接。

实施例2

本实施例通过一个实际的场景对本发明进行详细说明。

本实施例包括磁场梯度检测单元101、电力保护单元102和数据采集模块103。电力保护单元102包括：稳压子模块，使用芯片LM2940；置位复位子模块，用于置位复位电流信号，使用BTS7970芯片；供电子模块，使用REF02AP芯片。三轴探头通过巨磁阻芯片实现，巨磁阻芯片由一片HMC1002和一片HMC1001芯片组成。共设计七个这样的三轴探头，其中六个是沿着x轴、y轴、z轴的正负半轴各放一个，再在中心原点放置一个。

稳压子模块如图2所示；置位复位子模块如图3所示；供电子模块如图4所示；数据采集模块103如图5所示；巨磁阻芯片如图6所示。

其中，24伏电压施加到稳压子模块的输入端1号引脚，经过LM2940稳压芯片对电源稳压，通过3号引脚输出；2号引脚接地；4号引脚空置。为了保护LM2940稳压芯片，1号通过电容C10和电容C11接地；3号引脚通过电容C12和电容C13接地。稳定输出的5伏电压为置位复位子模块提供高电平。电容C10、C11、C12和C13的电容值为100uF、0.1uF、10uF和0.1uF。

置位复位子模块的作用是产生脉冲的置位复位信号，保证巨磁阻芯片工作在高灵敏度的状态下。置位复位子模块采用BTS7970芯片，信号频率由外界的信号发生器产生，接入BTS7970芯片的2号引脚；1号引脚接地，经过稳压的5伏电压接入3号引脚提供高电平，20伏电源接入7号引脚，5号引脚为转换速率设定，通过电阻R10设定转化速率。6号引脚通过电阻R11和电容C1对电流进行诊断。4号引脚和8号引脚为信号输出，此处只用一个输出即可，4号引脚空置，用8号引脚通过一个积分电容将脉冲电流信号输出。采用两个相同的BTS7970芯片，第一BTS7970芯片给4个探头提供置位复位电流信号，第二BTS7970芯片为剩下的三个探头提供置位复位芯片，保证每个探头的信号稳定。5号引脚的上拉电阻R8、R9、R10、R12、R13和R14阻值为2.2KΩ。6号引脚的保护电阻R11和R15的阻值相同，为1KΩ；保护电容C1和C2为0.01uF；输出端的积分电容C3-C9的值为0.22uF。

为了保证巨磁阻芯片的稳定工作，需要提供电源，因此设计供电子模块。供电子模块采用Ref02ap精密电压基准芯片，Ref02ap的2号引脚通过电阻输入，2号引脚的上拉电阻R1-R7阻值为220Ω；三级管Q1-Q7的型号为2N2905；6号引脚输出，两者通过一个三极管控制开和关；4号为接地引脚；1、7和8号引脚无用，直接空置；3和5号引脚控制输出，此处无需控制，因此也空置。因为一共有7个三轴探头，因此需要7个这样的供电子模块，每个模块原理相同。

电源和置位复位电流信号都接到了巨磁阻芯片后，巨磁阻芯片就可以正常工作，巨磁阻芯片的电阻就随着外界磁场的变化而灵敏变化，巨磁阻芯片输出的电压值就代表了磁场值，然后通过数据采集模块103对巨磁阻芯片的输出的电压值进行采集。每个采集端子共7个引脚，分别是：每个探头的x轴、y轴、z轴的正半轴和负半轴(共6个)，还有一个接地端。电力保护单元102通过卡扣配合型连接器(Bayonet Nut Connector，BNC)接口和扁平口屏蔽层网线进行连接。每个三轴探头包括一个HMC1002和一个HMC1001芯片，其中，HMC1002是具有两个磁轴的巨磁阻芯片，两个磁轴相互垂直；HMC1001是具有一个磁轴的巨磁阻芯片。令两个芯片的三个敏感轴相互垂直，就设计了一个能测量空间三维磁场的三轴探头(HMC1002有两个轴相互垂直，构成一个面，令HMC1001的轴垂直于这个面，就使三个轴相互垂直了)。其中，HMC1002的2号和5号引脚为一个轴的正负输出端；9号和12号引脚为另一个轴的输出；4号引脚接电源；11号引脚接地。1号、6号、8号和13号引脚为接地引脚。置位复位信号共用一个，因此，置位复位信号电流通过16号引脚置位信号输入端接入芯片，将20和14号引脚短接；7号引脚再将该信号输出，供给HMC1001的信号输入端1号引脚，其他引脚接地。对于HMC1001，工作原理相同，5和8号引脚为信号输出，7号引脚接入电源，3和4号引脚接地，2和6号引脚空置。一个设计七个这样的三轴探头，放置在三维骨架上(图7)。x，y，z三个轴各放两个，再在中心原点放置一个。

本发明能够检测高精度的磁场梯度信息，可以实时、低噪声的测量磁场全张量值。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。

上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理模块中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种磁场梯度检测装置，其特征在于，所述装置包括：

磁场梯度检测单元，用于检测三维空间的磁场梯度信息；

电力保护单元，用于为所述磁场梯度检测单元提供电力保护；

数据采集模块，用于采集所述磁场梯度信息。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁场梯度检测单元包括：

第一磁场梯度检测子单元，用于检测x轴方向上的第一磁场梯度信息；

第二磁场梯度检测子单元，用于检测y轴方向上的第二磁场梯度信息；

第三磁场梯度检测子单元，用于检测z轴方向上的第三磁场梯度信息；

第四磁场梯度检测子单元，用于检测原点上的第四磁场梯度信息。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一磁场梯度检测子单元包括第一三轴探头和第二三轴探头，所述第一三轴探头和第二三轴探头分别位于x轴的正半轴和负半轴。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第二磁场梯度检测子单元包括第三三轴探头和第四三轴探头，所述第三三轴探头和第四三轴探头分别位于y轴的正半轴和负半轴。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第三磁场梯度检测子单元包括第五三轴探头和第六三轴探头，所述第五三轴探头和第六三轴探头分别位于z轴的正半轴和负半轴。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第四磁场梯度检测子单元包括第七三轴探头，所述第七三轴探头位于原点上。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一三轴探头、第二三轴探头、第三三轴探头、第四三轴探头、第五三轴探头、第六三轴探头和第七三轴探头分别包括第一巨磁阻芯片和第二巨磁阻芯片；所述第一巨磁阻芯片的磁轴和第二巨磁阻芯片的磁轴垂直。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一巨磁阻芯片包括第一磁轴和第二磁轴；所述第一磁轴和第二磁轴垂直。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第二巨磁阻芯片包括第三磁轴；所述第三磁轴分别与所述第一磁轴和第二磁轴垂直。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电力保护单元包括：

稳压子模块，用于稳定输入电压；

供电子模块；用于为所述磁场梯度检测单元供电；

置位复位子模块，用于对所述磁场梯度检测单元进行置位或复位操作；

所述稳压子模块与所述供电子模块连接；所述供电子模块和置位复位子模块分别与所述磁场梯度检测单元连接。