CN106371039B - 时间差型磁通门传感器共模噪声抑制装置及噪声抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种时间差型磁通门传感器共模噪声抑制装置及噪声抑制方法，包括检测电路Ⅰ和参考电路Ⅱ，将检测电路Ⅰ的电阻替换为时间差型磁通门探头，得到数字信号采集电路和数字信号采集电路的采集结果；对得到的采集结果做减法运算，去掉两路信号中的共模噪声。本发明与现有的时间差型磁通门传感器信号处理电路相比，在无需改变信号处理电路或者磁通门探头本身的结构，也不必采用复杂的算法的基础上，只需要保证两套电路能够同步实时测量，就能快速的实现对于时间差型磁通门传感器共模噪声的抑制。主要能有效抑制由于激励电流引入的时间差磁通门传感器噪声，降低对激励电流信号发生装置的苛刻要求。

Description

时间差型磁通门传感器共模噪声抑制装置及噪声抑制方法

技术领域：

本发明涉及一种时间差型磁通门传感器的共模噪声抑制装置，尤其是利用旁路参考方法提高传感器性能的装置。

背景技术：

磁通门传感器因为体积小、灵敏度高、方向性好等特点，被广泛应用于弱磁场或直流磁场测量。根据检测原理不同，磁通门传感器可以分为偶次谐波型磁通门传感器和时间差型磁通门传感器。偶次谐波型磁通门传感器在频率域上测量，其输出信号易受奇次谐波的影响，而时间差型磁通门传感器在时间域上测量，可以弥补传统偶次谐波型磁通门传感器的不足，其以磁芯的非线性磁滞特性为基础，工作时磁芯在周期交变磁场激励下反复饱和。被测目标磁场的大小会影响被磁化磁芯停留在其正负饱和状态的时间，因此在实际工作中，通过检测与状态相关的传感器输出脉冲信号之间的时间差值间接得到被测外磁场的大小。时间差型磁通门传感器可分为三个部分：激励信号发生装置、具有非线性双稳态特性的传感器探头和检测感应信号正负电平时间差的检测电路，其具有检测电路简单、功耗低、灵敏度高等优点。

根据其检测原理，时间差磁通门传感器在时间域容易受电子电路噪声以及激励电流噪声的影响，使得磁通门探头输出的正负脉冲时间差值波动增大，为传感器引入噪声，从而引起被测磁场的测量误差，不利于目标磁场的检测。

CN103336252A公开的《迟滞时间差型磁通门传感器信号检测方法》，采用曲线拟合的方法对时间差型磁通门传感器输出信号正负峰值附近的数据进行拟合，该方法可以避免阈值对传感器输出性能的影响，但实现复杂，会引入量化误差，且传感器信号检测精度受拟合精度的影响。(R.H.Koch,J.R.Rozen,Low-noise flux-gate magnetic-field sensorsusing ring-and rod-coregeometries,Applied Physics Letters,V78,2001)通过调整磁芯结构，减小了磁通门传感器的噪声，但是由于受国内磁芯加工技术的限制使其实现困难。

发明内容：

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于旁路参考方法的时间差型磁通门传感器共模噪声抑制装置。

本发明的另一目的是提供一种时间差型磁通门传感器共模噪声抑制装置的噪声抑制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

时间差型磁通门传感器共模噪声抑制装置，包括检测电路Ⅰ，参考电路Ⅱ，

检测电路Ⅰ包括：传感器磁芯11放置于圆柱形磁芯骨架12中，两端绕有与电流信号源A连接的激励线圈13，圆柱形磁芯骨架12的中间部分绕有感应线圈14，感应线圈14的输出信号的正负极分别与前置放大电路a15连接，前置放大电路a15经二阶低通滤波电路a16、加法器电路a17、双通道比较器电路B与数字信号采集电路a18连接；

参考电路Ⅱ包括：与感应线圈14物理特性相同的电阻21的两端与电流信号源A连接，电流信号经电阻21转换为电压信号后输入前置放大器b22，经二阶低通滤波电路b23、加法器电路b24、双通道比较器电路B与数字信号采集电路b25连接构成。

所述的双通道比较器电路B包括比较器BⅠ和比较器BⅡ。

检测电路Ⅰ和参考电路Ⅱ中的比较器BⅠ和比较器BⅡ共用一个电压参考源C。

时间差型磁通门传感器共模噪声抑制装置的噪声抑制方法，包括以下步骤：

A、先采用两个物理属性一致的电阻对检测电路Ⅰ和参考电路Ⅱ进行调试，调整电路参数，使数字信号采集电路a18和数字信号采集电路b25的输出完全一致；

B、将检测电路Ⅰ的电阻替换为时间差型磁通门探头，得到数字信号采集电路a18和数字信号采集电路b25的采集结果为S_Ⅰ和S_Ⅱ；

C、对数字信号采集电路a18与数字信号采集电路b25得到的采集结果做数据处理，最终输出即为去掉两路信号中共模噪声的结果：S＝S_Ⅰ-S_Ⅱ。

激励电流信号经激励线圈13作用，在空间产生激励磁场，激励磁场作用于磁芯11，使其周期性地达到过饱和状态，当磁芯轴向方向存在微弱目标磁场时，实际激励磁芯11的磁场为激励磁场与轴向的目标磁场之和。目标磁场的存在使得磁芯的周期性过饱和处于非对称的状态，停留在正负过饱和状态的时间不同，因此存在与目标磁场大小成正比的时间差，其原理可由势能函数的变化描述，如图2所示。根据法拉第电磁感应定律，感应线圈13得到的感应电压信号为正负脉冲状态，将感应线圈13的微弱感应电压经前置放大电路a15、二阶低通滤波电路a16处理后送入双通道比较器电路B，由此可以得到一个占空比不定的矩形波信号，经数字信号采集电路b25采集、计数后，通过一个周期内矩形波信号高、低电平持续时间的差值间接计算出目标磁场的大小。

根据上述时间差型磁通门传感器测量目标磁场的过程可知，时间差值会受到激励电流信号稳定度、磁芯磁化过程重复性、电子电路噪声等因素的影响。电子电路的噪声是由于电子的热运动引起的，激励电流信号的稳定度会直接影响激励磁场的稳定度，进而激励磁场对于磁芯的磁化作用，引起感应电压的不稳定。相同的激励电流信号作用于两套相同的信号处理电路，但是电阻与感应线圈不同，无法感知周围环境的磁场变量，因此电阻所感知的那部分影响完全是由电子电路噪声和激励电流不稳定引起的。Ⅰ、Ⅱ电路所不同的是，电阻只能感知激励电流信号引入的波动，而磁通门探头除激励电流信号的不稳定以外还会受到外界环境因素的影响。因此采用相关信号的算法可以消除由激励电流信号不稳定带来的对时间差型磁通门传感器输出的那部分影响。

有益效果：利用硬件电路对漂移信号进行同步处理，避免后续复杂的数据处理过程，提高传感器测量效率。在无需改变信号处理电路或者磁通门探头本身的结构，也不必采用复杂的算法的基础上，只需要保证两套电路能够同步实时测量，就能实现对于时间差型磁通门传感器共模噪声的抑制，降低传感系统对激励信号发生装置的苛刻要求，提高系统的信噪比。

附图说明：

图1是时间差型磁通门共模噪声抑制装置结构图。

图2当外界存在或不存在待测磁场时势能函数的变化示意图。

图3是激励信号上叠加的噪声与磁滞回线的抖动。

Ⅰ测试电路，Ⅱ参考电路，A电流源装置，B双通道比较器电路，C参考电压发生器，11传感器磁芯，12圆柱形磁芯骨架，13激励线圈，14感应线圈，21精密电阻，15前置放大电路a，,22前置放大电路b，16二阶低通滤波电路a，23二阶低通滤波电路b，17加法器电路a，24加法器电路b，18数字信号采集电路a，25数字信号采集电路b，A1运算放大器，A2运算放大器。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例作进一步的详细说明：

时间差型磁通门传感器共模噪声抑制装置，包括检测电路Ⅰ，参考电路Ⅱ，

检测电路Ⅰ包括：传感器磁芯11放置于圆柱形磁芯骨架12中，两端绕有与电流信号源A连接的激励线圈13，圆柱形磁芯骨架12的中间部分绕有感应线圈14，感应线圈14的输出信号的正负极分别与前置放大电路a15连接，前置放大电路a15经二阶低通滤波电路a16、加法器电路a17、双通道比较器电路B与数字信号采集电路a18连接；

参考电路Ⅱ包括：与感应线圈14物理特性相同的电阻21的两端与电流信号源A连接，电流信号经电阻21转换为电压信号后输入前置放大器b22，经二阶低通滤波电路b23、加法器电路b24、双通道比较器电路B与数字信号采集电路b25连接构成。

所述的双通道比较器电路B包括比较器BⅠ和比较器BⅡ。

检测电路Ⅰ和参考电路Ⅱ中的比较器BⅡ和比较器BⅠ共用一个电压参考源C。

时间差型磁通门传感器共模噪声抑制装置的噪声抑制方法，包括以下步骤：

A、先采用两个物理属性一致的电阻对检测电路Ⅰ和参考电路Ⅱ进行调试，调整电路参数，使数字信号采集电路a18和数字信号采集电路b25的输出完全一致；

B、将检测电路Ⅰ的电阻替换为时间差型磁通门探头，得到数字信号采集电路a18和数字信号采集电路b25的采集结果为S_Ⅰ和S_Ⅱ；

C、对数字信号采集电路a18与数字信号采集电路b25得到的采集结果做数据处理，最终输出即为去掉两路信号中共模噪声的结果：S＝S_Ⅰ-S_Ⅱ。

激励电流信号的稳定度会直接影响激励磁场的稳定度，进而激励磁场对于磁芯的磁化作用，引起感应电压的不稳定，如图3所示。相同的激励电流信号作用于两套相同的信号处理电路，但是电阻与感应线圈不同，无法感知周围环境的磁场变量，因此电阻所感知的那部分影响完全是由电子电路噪声和激励电流不稳定引起的。两套电路所不同的是，电阻只能感知激励电流信号引入的波动，而磁通门探头除激励电流信号的不稳定以外还会受到外界环境因素的影响。因此采用相关信号的算法可以消除由激励电流信号不稳定带来的对时间差型磁通门传感器输出的那部分影响。

传感器前置放大电路a15和b22采用分立元件制成的仪用放大器电路，电阻21采用精度为1‰的精密直插电阻，传感器磁芯11采用丝状结构或者带状结构。

实施例1

时间差型磁通门传感器噪声性能优化装置，包括，检测电路Ⅰ和参考电路Ⅱ。检测电路Ⅰ包括传感器磁芯11放置于圆柱形磁芯骨架12中，两端绕有激励线圈13,并与电流信号源A相连接的，圆柱形磁芯骨架12的中间部分绕有感应线圈14，感应线圈14的输出信号正负极与前置放大电路a15连接，前置放大电路a15经二阶低通滤波电路a16、加法器电路a17、双通道比较器电路B与数字信号采集电路a18相连接。参考电路Ⅱ包括与感应线圈14物理特性相同的电阻21，电阻21的两端与电流信号源A相连接，电流信号经电阻的作用转换成为电压信号，将电压信号输入前置放大器b22，经二阶低通滤波电路b23、加法器电路b24、双通道比较器电路B与数字信号采集电路b25相连接。检测电路Ⅰ和参考电路Ⅱ中要求放大器芯片、数字信号采集电路结构相同以及滤波器组件电气参数一致。

所述的双通道比较器电路B包括比较器BⅠ和比较器BⅡ，BⅠ和BⅡ置于同一双比较器芯片中，且两者共用一个电压参考源C，传感器磁芯11采用丝状结构，传感器前置放大电路a15和b22采用分立元件制成的仪用放大器电路。

时间差型磁通门传感器共模噪声抑制装置使用包括以下步骤：

A、先采用两个物理属性一致的电阻对测试电路Ⅰ和参考电路Ⅱ进行调试，调整电路参数，使数字信号采集电路a18、数字信号采集电路b25的输出完全一致；

B、将检测电路Ⅰ的电阻替换为时间差型磁通门探头，得到数字信号采集电路a18和数字信号采集电路b25的采集结果为S_Ⅰ和S_Ⅱ；

C、对数字信号采集电路a18与数字信号采集电路b25得到的采集结果做数据处理，最终输出即为去掉两路信号中共模噪声的结果：S＝S_Ⅰ-S_Ⅱ。

实施例2

时间差型磁通门传感器噪声性能优化装置，包括，检测电路Ⅰ和参考电路Ⅱ。检测电路Ⅰ包括传感器磁芯11放置于圆柱形磁芯骨架12中，两端绕有激励线圈13,并与电流信号源A相连接的，圆柱形磁芯骨架12的中间部分绕有感应线圈14，感应线圈14的输出信号正负极与前置放大电路a15连接，前置放大电路a15经二阶低通滤波电路a16、加法器电路a17、双通道比较器电路B与数字信号采集电路a18相连接。参考电路Ⅱ包括与感应线圈14物理特性相同的电阻21，电阻21的两端与电流信号源A相连接，电流信号经电阻的作用转换成为电压信号，将电压信号输入前置放大器b22，经二阶低通滤波电路b23、加法器电路b24、双通道比较器电路B与数字信号采集电路b25相连接。检测电路Ⅰ和参考电路Ⅱ中要求放大器芯片、数字信号采集电路结构相同以及滤波器组件电气参数一致。

所述的双通道比较器电路B包括比较器BⅠ和比较器BⅡ，BⅠ和BⅡ置于同一双比较器芯片中，且两者共用一个电压参考源C，传感器磁芯11采用带状结构，传感器前置放大电路a15和b22采用分立元件制成的仪用放大器电路。

时间差型磁通门传感器共模噪声抑制装置使用包括以下步骤：

A、先采用两个物理属性一致的电阻对测试电路Ⅰ和参考电路Ⅱ进行调试，调整电路参数，使数字信号采集电路a18、数字信号采集电路b25的输出完全一致；

B、将检测电路Ⅰ的电阻替换为时间差型磁通门探头，得到数字信号采集电路a18和数字信号采集电路b25的采集结果为S_Ⅰ和S_Ⅱ；

C、对数字信号采集电路a18与数字信号采集电路b25得到的采集结果做数据处理，最终输出即为去掉两路信号中共模噪声的结果：S＝S_Ⅰ-S_Ⅱ。

Claims (3)

1.一种时间差型磁通门传感器共模噪声抑制装置，包括检测电路Ⅰ，参考电路Ⅱ，其特征在于：

检测电路Ⅰ包括：传感器磁芯11放置于圆柱形磁芯骨架12中，圆柱形磁芯骨架12两端绕有与电流信号源A连接的激励线圈13，圆柱形磁芯骨架12的中间部分绕有感应线圈14，感应线圈14的输出信号的正负极分别与前置放大电路a15连接，前置放大电路a15经二阶低通滤波电路a16、加法器电路a17、双通道比较器电路B与数字信号采集电路a18连接；

参考电路Ⅱ包括：与感应线圈14物理特性相同的电阻21的两端与电流信号源A连接，电流信号经电阻21转换为电压信号后输入前置放大器b22，经二阶低通滤波电路b23、加法器电路b24、双通道比较器电路B与数字信号采集电路b25连接构成；

所述的双通道比较器电路B包括比较器BⅠ和比较器BⅡ。

2.按照权利要求1所述的时间差型磁通门传感器共模噪声抑制装置，其特征在于，在时间差型磁通门所用的检测电路Ⅰ和参考电路Ⅱ中的比较器BⅠ和比较器BⅡ共用一个电压参考源C，且BⅠ和BⅡ置于同一双比较器芯片中。

3.按照权利要求1所述的时间差型磁通门传感器共模噪声抑制装置的噪声抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、先采用两个物理属性一致的电阻对检测电路Ⅰ和参考电路Ⅱ进行调试，调整电路参数，使数字信号采集电路a18和数字信号采集电路b25的输出完全一致；

B、将检测电路Ⅰ的电阻替换为时间差型磁通门探头，得到数字信号采集电路a18和数字信号采集电路b25的采集结果为S_Ⅰ和S_Ⅱ；

C、对数字信号采集电路a18与数字信号采集电路b25得到的采集结果做数据处理，最终输出即为去掉两路信号中共模噪声的结果：S＝S_Ⅰ-S_Ⅱ。