CN105203971A - 一种磁强计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁强计，是一种基于数字频率合成器的大范围磁强计，由数字频率合成器，放大器，带通滤波器和磁通门敏感元件，低噪声放大器，信号调整电路，几个部分组成。本发明所介绍的磁通门磁强计，优点表现在结构简单、探头性能好、基波分量少、灵敏度高及稳定性能好，优化了磁通门磁强计传感器和信号处理电路，提高了磁场模拟信号输出的信噪比，增加了测量范围，并且提高了磁通门传感器的测量精度。经测试，优化后的磁通门磁强计可以实现在±65000nT范围内探测带宽可以达到10Hz，RMS可以达到0.1nT。

Description

一种磁强计

技术领域

本发明涉及一种大动态范围、高精度的磁强计，属于磁测量领域。

背景技术

磁通门传感器是根据电磁感应现象和磁饱和现象研制的，其结构是一种变压器的结构，激励线圈中通入周期性的交变电流信号，使软磁磁芯在两个过饱和状态间周期性的被磁化，感应线圈输出感应电压信号，从而通过对感应电压信号中某一特征电参量的提取得到被测磁场。磁通门传感器一般适合恒定磁场和弱磁场的测量。随着电子技术、自动控制、工程检测的发展，磁通门技术在各个领域得到了迅速的应用，尤其是与计算机技术的结合，磁通门技术实现了数字化、智能化。

磁通门是一种综合性能较好的测量弱磁场的传感器，磁通门技术发展于20世纪30年代，首先由Thomas于1931年申请了磁通门技术的第一项专利。专家学者不断对对磁现象的研究和实验，提出了磁通门的工作原理，随后，经过对磁通门技术以及相关技术的不断研究，制造磁通门仪器的技术得到了改进和完善。20世纪50年代到60年代，磁通门技术得到了进一步的发展，出现很多不同结构、不同形状的磁通门传感器。随着微电子技术和计算机技术的发展，出现了各种微型磁通门传感器和数字化磁通门传感器。因此，磁通门的微型化、数字化成为了磁通门的发展趋势。最早的微型磁通门传感器，是由ThomasSeize研制的。铁芯软磁材料被溅射到硅片上，利用光刻成型，尺寸小到2×4mm²。随后，微型螺线管磁通门于20年90年代由日本的S.Kawahit及其团队研制出来。自此以后，出现了很多种微型磁通门传感器。由于模拟电路功耗大并对环境温度敏感，以及DSP技术、FPGA技术等数字技术的发展，出现了多种数字式磁通门传感器。

磁通门磁力仪最早被应用在导航系统中。美国宇航局已经将磁通门磁力仪应用在MAGSAT地磁卫星中，实现了对空间磁场中地磁标量和矢量的测量。同时我国已将磁通门磁力仪应用于人造卫星的姿态控制中。在航空测磁方面，磁通门磁力仪一直到20世纪70年代都是主角，即使后来逐步被光泵磁力仪和质子磁力仪所替代，但是磁通门磁力仪仍用于磁补偿和飞机姿态控制。近几十年，磁通门磁力仪在地磁台站，石油勘探，工业探伤等方面得到了广泛的应用。目前，磁通门传感器技术已经发展成为一门较为成熟的技术，国内外的磁通门仪器多采用的方法为偶次谐波法。国外对磁通门磁力仪的研制较早，其产品也已经实现了小型化、高精度、商品化。如英国Bartington公司生产的Ma‐01H分辨力达0.1nT；加拿大生产的FM‐100B,其分辨力为0.4nT；日本生产的MB‐162，其分辨力为0.1nT；在国内研制磁通门传感器的单位主要有：中国科学院地球物理研究，研制了CTM‐302三分量磁通门磁力计；中国地震局物理研究所，研制的DCM‐1型磁通门磁力仪；麦格森斯磁学仪器(MagSens)公司生产的MS‐03AR型高精度磁通门传感器，其分辨力为1nT；北京航堪仪器厂，研制的FVM‐400；北京地质仪器厂，研制的CGM‐02D等。

磁通门探头的输出信号中只含有激励磁场(频率为f0)的偶次谐波，其中二次谐波经相敏整流后的直流分量最大，所以在磁通门信号处理电路中通常选择磁通门探头输出信号中的偶次谐波并放大，再经过相敏整流电路转换成直流电压信号积分输出表征被测磁场大小的直流信号，图中C1,C2为滤波电容。可以看出磁通门传感器的信号处理电路相对复杂，有必要设计专用的处理电路以方便用户使用。

本发明设计的磁强计，优点表现在结构简单、探头性能好、基波分量少、灵敏度高及稳定性能好，优化了磁通门磁强计传感器和信号处理电路，提高了磁场模拟信号输出的信噪比，增加了测量范围，并且提高了磁通门传感器的测量精度。

发明内容

本发明的目的在于提出一种本发明公开了一种大动态范围、高精度的磁强计，是一种基于数字直接频率合成器DDS的大范围磁强计，优点表现在结构简单、探头性能好、基波分量少、灵敏度高及稳定性能好，优化了磁通门磁强计传感器和信号处理电路，提高了磁场模拟信号输出的信噪比，增加了测量范围，并且提高了磁通门传感器的测量精度。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种大动态范围、高精度的磁强计包括：基于数字频率合成器，由数字频率合成器，低噪声放大器，带通滤波器和磁通门传感器等几个部分组成；

AD9850是ADI公司推出的一款高集成直接频率合成器，其由可编程DDS系统、高性能数模转换器和高速比较器组成，能实现稳定的任意频率波形输出；

经DDS输出的信号幅值大概为lV左右，需要通过放大器达到5V才能使磁通门传感器铁心充磁达到完全饱和，低噪声放大电路是磁强计提高噪声比的关键部分；

从计数器出来的信号是方波，而我们所需要的是正弦波，因此还需经滤波处理，在本发明中我们采用的是带通滤波电路；

由带通滤波器输出的波形经过敏感元件，在磁场的作用下，磁通门敏感元件的电压敏感变化；

敏感元件的变化之很小，信噪比很低，其信号需要低噪声放大器提高信噪比，进行放大处理；

输出调整电路可以调整低噪声放大器的输出信号，并将其进行差分处理，可以调整电路零点，也可以减小电路的温度漂移。

数字直接频率合成器为AD9850，通过使用Ma916来控制直接数字频率合成器AD9850，由于AD9850内部包含有40位的频率/相位控制字，通过并行方式连续输入5次，每次输入8位控制字写入到频率和相位控制寄存器。这40位控制字中有32位用于频率控制，5位用于相位控制。1位用于掉电控制，2位用于选择工作方式，通过控制寄存器使其输出频率为5kHz的正弦信号作为激励。

放大器的里选用AD603对信号进行放大，当AD603第5管脚FDBK接地时，带宽为9MHz，通过调整Rl大小就可以得到适合的输出。

带通滤波器为二阶巴特沃斯滤波器，由于从计数器出来的信号是方波，而我们所需要的是正弦波，因此还需经滤波处理。在本设计中我们采用的是带通滤波电路。带通滤波器是只允许通过某一频段的信号，而在次频段以外的信号将被抑制或衰减，其特性曲线如图2所示，其中实线为理想特性，虚线为实际特性。可见在ul≤u≤uz的频带内，有恒定的增益。而在频带之外，增益迅速下降，规定带通滤波器通过频段的宽度为带宽，用B表示。以带宽中点的角频率称为中心角频率，用uo表示。如图3所示，中心频率为f＝5.2kHz，品质因数Q＝5。该带通滤波器电路选用集成芯片LF356。

磁通门传感器为三端式结构，两个单轴磁通门传感器并联，一端作为互补对称激励信号输入端.另一端作为磁感应信号的输出端。如图4所示。三端式磁通门探头与普通探头的差别主要表现在结构不同。其实质是将两个单轴磁通门传感器并联，一端作为互补对称激励信号输入端.另一端作为磁感应信号的输出端。三端式磁通门传感器的特点表现在结构简单、探头性能好、基波分量少、灵敏度高及稳定性能好，同时其也可以采用方波作为激励，简化了调理电路设计。

低噪声放大器为集成运放LF356作为驱动级的推挽式互补型功率放大电路，如图2所示，图中包含二极管D1，D2，D3的支路是输出级的偏置电路，其作用主要是设置静态工作点消除交越失真。为使激励线圈流过一波形较好的正弦波电压，经甩t引入了交直流电压串联负反馈电路。同时，该电路也起到稳定工作点，放大倍数和减小失真的作用。这样.我们在输出端可获得一其电压幅值为5V，频率为5.2kHz的正弦波信号，来驱动磁通门传感器的激励线圈。图中两个互补三极管分别采用的是9012和9013，经实际调试，各参数值的选用分别为R15＝R16＝R18＝R19＝10K，R17＝15K，C7＝0.1uF，C8＝C6＝1uF。

附图说明

图1是本发明的磁强计的系统结构图

图2是AD9850的工作原理

图3是低噪声放大电路

图4是带通滤波电路

具体实施方式

实施例1

一种大动态范围、高精度的磁通门磁强计包括：基于数字直接频率合成器DDS，由数字直接频率合成器，低噪声放大器，带通滤波器和磁通门传感器几个部分组成；

AD9850是ADI公司推出的一款高集成直接频率合成器，其由可编程DDS系统、高性能数模转换器和高速比较器组成，能实现稳定的任意频率波形输出；

经DDS输出的信号幅值大概为0.5V左右，需要通过放大器达到3V才能使磁通门传感器铁心充磁达到完全饱和，低噪声放大电路是磁强计提高噪声比的关键部分；

从计数器出来的信号是方波，而我们所需要的是正弦波，因此还需经滤波处理，在本发明中我们采用的是带通滤波电路；

由带通滤波器输出的波形经过敏感元件，在磁场的作用下，磁通门敏感元件的电压敏感变化；

敏感元件的变化之很小，信噪比很低，其信号需要低噪声放大器提高信噪比，进行放大处理；

输出调整电路可以调整低噪声放大器的输出信号，并将其进行差分处理，可以调整电路零点，也可以减小电路的温度漂移。

数字直接频率合成器为AD9850，通过使用Ma916来控制直接数字频率合成器AD9850，由于AD9850内部包含有40位的频率/相位控制字，通过并行方式连续输入5次，每次输入8位控制字写入到频率和相位控制寄存器。这40位控制字中有32位用于频率控制，5位用于相位控制。1位用于掉电控制，2位用于选择工作方式，通过控制寄存器使其输出频率为5kHz的正弦信号作为激励。

放大器的里选用AD603对信号进行放大，当AD603第5管脚FDBK接地时，带宽为9MHz，通过调整Rl大小就可以得到适合的输出。

带通滤波器为二阶巴特沃斯滤波器，由于从计数器出来的信号是方波，而我们所需要的是正弦波，因此还需经滤波处理。在本设计中我们采用的是带通滤波电路。带通滤波器是只允许通过某一频段的信号，而在次频段以外的信号将被抑制或衰减，其特性曲线如图2所示，其中实线为理想特性，虚线为实际特性。可见在ul≤u≤uz的频带内，有恒定的增益。而在频带之外，增益迅速下降，规定带通滤波器通过频段的宽度为带宽，用B表示。以带宽中点的角频率称为中心角频率，用uo表示。如图3所示，中心频率为f＝5.2kHz，品质因数Q＝5。该带通滤波器电路选用集成芯片LF356。

磁通门传感器为三端式结构，两个单轴磁通门传感器并联，一端作为互补对称激励信号输入端.另一端作为磁感应信号的输出端。如图4所示。三端式磁通门探头与普通探头的差别主要表现在结构不同。其实质是将两个单轴磁通门传感器并联，一端作为互补对称激励信号输入端.另一端作为磁感应信号的输出端。三端式磁通门传感器的特点表现在结构简单、探头性能好、基波分量少、灵敏度高及稳定性能好，同时其也可以采用方波作为激励，简化了调理电路设计。

低噪声放大器为集成运放LF356作为驱动级的推挽式互补型功率放大电路，如图2所示，图中包含二极管D1，D2，D3的支路是输出级的偏置电路，其作用主要是设置静态工作点消除交越失真。为使激励线圈流过一波形较好的正弦波电压，经甩t引入了交直流电压串联负反馈电路。同时，该电路也起到稳定工作点，放大倍数和减小失真的作用。这样.我们在输出端可获得一其电压幅值为5V，频率为5.2kHz的正弦波信号，来驱动磁通门传感器的激励线圈。图中两个互补三极管分别采用的是9012和9013，经实际调试，各参数值的选用分别为R15＝R16＝R18＝R19＝10K，R17＝15K，C7＝0.1uF，C8＝C6＝1uF。

这种大动态范围、高精度的磁通门磁强计，是一种基于数字直接频率合成器DDS的大范围磁强计，优点表现在结构简单、探头性能好、基波分量少、灵敏度高及稳定性能好，优化了磁通门磁强计传感器和信号处理电路，提高了磁场模拟信号输出的信噪比，增加了测量范围，并且提高了磁通门传感器的测量精度。

经测试，优化后的磁通门磁强计可以实现在±65000nT范围内探测带宽可以达到10Hz，RMS可以达到0.1nT。

Claims (3)

1.一种磁强计，其特征在于，包括：数字频率合成器，低噪声放大器，带通滤波器和磁通门传感器、计数器、输出调整电路几个部分；

经数字频率合成器输出的信号幅值为0.5V左右，左右表示±5％，通过低噪声放大器放大到3V，使磁通门传感器铁心充磁达到完全饱和；

通过带通滤波电路将从计数器出来的方波信号变为正弦波；

由带通滤波器输出的波形经过敏感元件，在磁场的作用下，磁通门敏感元件的电压随之变化；

敏感元件的变化经低噪声放大器提高信噪比，进行放大处理；

输出调整电路调整低噪声放大器的输出信号，并将其进行差分处理，能够调整电路零点，也能够减小电路的温度漂移。

2.根据权利要求1所述的磁强计，其特征在于，所述磁通门传感器为三端式结构，两个单轴磁通门传感器并联，一端作为互补对称激励信号输入端.另一端作为磁感应信号的输出端。

3.根据权利要求1所述的低噪声放大电路，其特征在于，电路中包括的激励线圈流过波形较好的正弦波电压，经过偏置电阻引入了交直流电压串联负反馈电路。