CN106443508A - 一种低噪声高灵敏度感应式磁传感器 - Google Patents

一种低噪声高灵敏度感应式磁传感器 Download PDF

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许奎
梁西铭
张佳
张海光
尤浩
张骅
张琦
郭卫展
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Abstract

本发明提供了一种低噪声高灵敏度感应式磁传感器，包括前置放大电路和2个感应线圈，所述的感应线圈采用并联加抽头的Z字型结构，所述的前置放大电路采用4只基于结型场效应晶体管组成的2组对称的共漏‑共栅电路。本发明感应线圈和前置放大器采用一体化设计，使用灵活，感应线圈具有相同的相位，线圈端面的磁通量通过叠加，极大提高了捕获电磁信号的能力，共漏‑共栅电路用共漏端作为输入端，输入电阻大于10MΩ，共栅端作为电路输出端对电压信号进行放大。调节电路中的可变电阻器实现感应线圈与放大电路之间的阻抗匹配，同时可对2个线圈感应的端电压进行电压补偿调节，对降低系统噪声，增加感应灵敏度、系统稳定性有显著的作用。

Description

一种低噪声高灵敏度感应式磁传感器
技术领域
本发明涉及微弱电磁信号探测领域，具体涉及一种微弱电磁信号捕获和放大装置以及其组阵的方式，用于将空间微弱电磁信号处理为有效的端电压信号。
背景技术
感应式磁传感器因其广泛的频率范围和较强的灵敏度以及尺寸较小、结构灵活、安装便捷等优势，大量出现在现代工业和电子产品的方方面面。比如，地球物理探测领域，感应式磁传感器作为电磁勘探仪器的关键设备，应用于地下能源和资源探测、工程和环境勘察、海洋和空间电磁测量、地质测量、磁场测量、地震电磁前兆观测以及地球物理观测等；经济发展和环境监测领域，感应式磁传感器在地热、地下水、火山地质、环境监测、工程勘探、市政工程和土壤盐碱化等方面也得到了充分的应用。不难看出，感应式磁传感器已在国民经济、国防建设、医疗卫生、科学技术等领域发挥着重要作用，成为现代传感器产业的一个重要分支。同时，在传统产业的应用和改造、资源探查及综合利用、环境保护、生物工程、交通智能化管制等各个方面，感应式磁传感器发挥着越来越重要的作用，有着非常广阔的应用前景。
感应式磁传感器一般包括感应线圈和前置放大器两部分。感应线圈基本结构是在细长柱状高磁导率磁芯上绕以多匝线圈，可将获取的磁场信号转换成电压信号，因其是无源元件，具有无耗能、稳定性好、结构工艺简单、使用维护方便等优点。前置放大器可将电压信号进行低噪声放大。感应线圈和前置放大器两部分相辅相成，二者的设计和制作水平影响传感器的整体性能。感应式磁传感器一般要求能在频带0.01Hz～10kHz之间响应，要捕获如此低频的微弱信号，需要感应式磁传感器的设计要有极高的灵敏度，同时在其广泛的频率范围内很容易受到一些外界电压、电流和电磁效应的影响，通常情况下，包括大气中电磁的各种扰动，如雷电现象、雨雪灰尘以和太阳电磁扰动所引起的干扰，以及各种电器设备和电子设备的放电、等离子干扰等，都会严重影响信号获取。
因此，感应线圈和前置放大电路的低噪声、高灵敏度、一体化设计是感应式磁传感器的关键技术，早期的感应线圈和前置放大器一般分开设计，但大都相互不匹配，导致噪声恶化，灵敏度降低；此后，多用等阻抗匹配等方法设计感应式磁传感器，在一定程度上达到了感应线圈和前置放大电路的匹配，起到了一定的效果。然而，随着频率变化以及前置放大电路放大倍数的增加，信号会出现不同程度的失真，噪声进一步恶化，灵敏度相应降低。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种低噪声高灵敏度感应式磁传感器，感应线圈和前置放大电路采用一体化设计，其感应线圈采用并联加抽头的方式，极大提高了捕获电磁信号的能力，方便阻抗匹配实现，前置放大电路设计为基于结型场效应晶体管(JFET)的派生电路，可同时实现与线圈阻抗匹配，对线圈感应的端电压进行电压补偿，对于放大频率极低的微弱电磁信号出现噪声恶化，灵敏度降低问题，达到较明显的改善。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括基于结型场效应晶体管(JFET)的前置放大电路和2个并联加抽头感应线圈；
所述的并联加抽头感应线圈采用两个平行摆放的线圈，其中一个线圈的首端和另一个线圈的尾端相连，作为公共抽头；基于结型场效应晶体管的前置放大电路利用可变电阻器通过公共抽头与两个线圈分别进行阻抗匹配调节，同时对两个线圈感应的端电压进行电压补偿调节。
所述的并联加抽头感应线圈中，线圈的磁棒初始磁导率为3000，直径为15mm，长度为90mm。
所述的基于结型场效应晶体管的前置放大电路包括可变电阻器以及四只结型场效应晶体管；四只结型场效应晶体管组成的两组对称的共漏-共栅电路；调节可变电阻器实现感应线圈与放大电路之间的阻抗匹配，同时可对两个线圈感应的端电压进行电压补偿调节；四只结型场效应晶体管组成的两组对称的共漏-共栅电路，其共漏端作为电路输入端，输入电阻大于10MΩ，共栅端作为电路输出端，对电压信号进行放大。
本发明的有益效果是：
第一、结构简单、易于加工。
第二、感应线圈和前置放大电路采用一体化设计，使用灵活，相比感应线圈和前置放大电路分开设计，易于实现阻抗匹配，且能对线圈感应的端电压进行电压补偿。
第三、感应线圈采用并联加抽头的Z字型结构，由于2个线圈呈Z字型结构并联，具有相同的相位，线圈端面的磁通量通过叠加，可获得最大值。
第四、感应线圈采用并联加抽头的Z字型结构，后端前置放大电路可通过抽头对2个线圈分别进行阻抗匹配和电压补偿，增加系统稳定性。
第五、前置放大电路采用4只结型场效应晶体管组成的2组对称的共漏-共栅电路，该电路用共漏端作为输入端，其输入电阻大于10MΩ，共栅端作为电路输出端可对电压信号进行放大，非常适合对感应线圈耦合的端电压信号进行放大。相对于传统的前置放大电路，该电路利用可变电阻器通过与感应线圈连接的中间抽头对前端感应线圈同时进行阻抗匹配和电压补偿，对降低系统噪声，增加感应灵敏度有显著的作用。
附图说明
图1是感应式磁传感器整体结构示意图。
图2是感应线圈结构示意图。
图3是前置放大器结构示意图。
图4是单感应线圈幅频特性曲线图。
图5是感应线圈幅频特性曲线图。
图6是感应式磁传感器幅频特性曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
如图1所示，本发明一种低噪声高灵敏度感应式磁传感器包括感应线圈1、前置放大电路2。如图2所示，感应线圈1由2个相同的磁芯11、2个相同的磁芯骨架12及2个相同的漆包线13构成。磁芯11采用初始磁导率为3000，直径为15mm，长度为90mm的铁氧体软磁材料，磁芯骨架12采用环氧玻璃板粘接成，漆包线13采用直径1mm的漆包铜线。将2个磁芯11放入2个磁芯骨架12中，并平行摆放，间距95mm，用漆包线13在每个磁芯骨架12上同相密绕，绕制完成后漆包线13的一端14与另1个漆包线13的对角端15首尾相连成Z字型结构的公共端抽头B。
如图3所示，前置放大电路2由4只结型场效应晶体管组成的2组共漏-共栅电路23、24，1组可变电阻器22、1组分压电阻器25、1只限流电阻21、1只限流电阻26构成。
共漏-共栅电路23由结型场效应晶体管Q1作为输入端，结型场效应晶体管Q3作为输出端，其中Q1的栅极连接感应线圈1的出线端A，漏极连接可变电阻器22的其中一只R2，源极连接Q3的源极；Q3的栅极接地，Q3的漏极接分压电阻25的其中一只R4。
共漏-共栅电路24由结型场效应晶体管Q2作为输入端，结型场效应晶体管Q4作为输出端，其中Q2的栅极连接感应线圈1的出线端B，漏极连接可变电阻器22的另一只R3，源极连接Q4的源极；Q4的栅极接地，Q4的漏极接分压电阻25的另一只R5。
可变电阻器22的R2和R3一端并联形成公共端B，负电压通过限流电阻26加至公共端B，公共端B与感应线圈1的抽头B相连；分压电阻器25的R4和R5并联形成公共端，正电压通过限流电阻21加至该公共端。利用调节可变电阻器22的R2和R3的阻值，通过公共端抽头B对感应线圈1与前置放大电路2进行阻抗匹配，并对感应线圈1感应的微弱端电压进行电压补偿。
结合感应线圈1、前置放大电路2综合考虑，通过优化感应线圈1的绕制圈数，优化前置放大电路2的可变电阻器22、分压电阻器25的阻值达到感应线圈1、前置放大电路2的阻抗匹配和有效的线圈感应端电压的电压补偿。本实例中取绕制圈数为450匝；可变电阻器22的电阻R2为70欧姆、电阻R3为75欧姆；分压电阻器25的电阻R4和R5为100欧姆。
采用本实施方法的感应式磁传感器的感应线圈采用并联加抽头的Z字型结构，具有相同的相位，线圈端面的磁通量通过叠加，极大提高了捕获电磁信号的能力，前置放大器采用2组对称的共漏-共栅电路，电路用共漏端作为输入端，其输入电阻大于10MΩ，共栅端作为电路输出端可对电压信号进行放大，非常适合对感应线圈耦合的端电压信号进行放大。调节电路中的可变电阻通过公共抽头对感应线圈与前置放大电路进行阻抗匹配，同时对2个线圈感应的端电压进行电压补偿调节，起到显著降低系统噪声，增加感应灵敏度、系统稳定性的作用。在10Hz～1000Hz频带内，感应式磁传感器增益大于18dB，信噪比大于12dB，后可接差分放大进一步提高增益和信噪比。

Claims (3)

1.一种低噪声高灵敏度感应式磁传感器，包括基于结型场效应晶体管(JFET)的前置放大电路和2个并联加抽头感应线圈，其特征在于：所述的并联加抽头感应线圈采用两个平行摆放的线圈，其中一个线圈的首端和另一个线圈的尾端相连，作为公共抽头；基于结型场效应晶体管的前置放大电路利用可变电阻器通过公共抽头与两个线圈分别进行阻抗匹配调节，同时对两个线圈感应的端电压进行电压补偿调节。
2.根据权利要求1所述的低噪声高灵敏度感应式磁传感器，其特征在于：所述的并联加抽头感应线圈中，线圈的磁棒初始磁导率为3000，直径为15mm，长度为90mm。
3.根据权利要求1所述的低噪声高灵敏度感应式磁传感器，其特征在于：所述的基于结型场效应晶体管的前置放大电路包括可变电阻器以及四只结型场效应晶体管；
四只结型场效应晶体管组成的两组对称的共漏-共栅电路；调节可变电阻器实现感应线圈与放大电路之间的阻抗匹配，同时可对两个线圈感应的端电压进行电压补偿调节；四只结型场效应晶体管组成的两组对称的共漏-共栅电路，其共漏端作为电路输入端，输入电阻大于10MΩ，共栅端作为电路输出端，对电压信号进行放大。
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