CN106443805B - 一种磁通门磁力仪的信号检测电路及该磁通门磁力仪 - Google Patents

一种磁通门磁力仪的信号检测电路及该磁通门磁力仪 Download PDF

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Abstract

本发明涉及地震技术领域，公开了一种磁通门磁力仪的信号检测电路及该磁通门磁力仪。所述信号检测电路包括从传感探头获取磁场信号的信号通道和向所述传感探头输出激励信号的激励通道，且信号通道包括依次连接的探头输入电路、选频放大电路、相敏检波电路、积分电路和反馈电路，其中反馈电路包括：第一反馈通路，被配置为线性反馈电路；以及第二反馈通路，与第一反馈通路并联，被配置为非线性反馈电路，且该第二反馈通路在传感探头检测的磁场信号达到相对观测的最大测量范围时工作。本发明采用了非线性负反馈方法，在小信号输入和大信号输入时转换不同的反馈支路，解决了传统信号检测电路存在不能兼顾保证信号的分辨率和容许大信号输入的问题。

Description

一种磁通门磁力仪的信号检测电路及该磁通门磁力仪
技术领域
本发明涉及地震技术领域，特别是涉及一种磁通门磁力仪的信号检测电路及该磁通门磁力仪。
背景技术
地磁信号携带有非富的地球物理信息，因此地磁观测是中国地震前兆台网重要的观测手段，而磁通门磁力仪又是其中最为重要的观测仪器。磁通门磁力仪是一种用以测量直流磁场或低频磁场的向量式灵敏传感器，其是测量准静态和缓慢变化向量磁场时使用最为广泛的仪器，也是室温下最精密的向量式磁场传感器，能够精确量测地磁场的强度与方向，具有噪声低、分辨率高、温度稳定性好、宽测量范围、弱磁测量、低功耗及高精度等优点，从而成为室温下最常用的磁测仪器，被广泛应用在从精密地球物理到安全和医学领域，此外还经常应用于考古、地下勘探与军事侦察等领域。
如图1所示，目前的磁通门磁力仪的信号检测电路主要由以传感探头1的输出信号Vi(该输出信号Vi即传感探头检测的磁场信号)作为输入信号的信号通道和对传感探头1输出激励信号Vd的激励通道两部分组成，信号通道主要包括探头输入电路2、选频放大电路3、相敏检波电路4、积分电路5、反馈电路6几个部分，其经积分电路后得到输出信号Vo，该输出信号Vo再经反馈电路6处理而生成最终反馈回传感探头1的反馈信号Vf；激励通道则可以包括高频振荡电路、分频电路、移相电路以及功率放大几个部分，其输出参考信号Vr至相敏检波电路4。其中选频放大电路3用以抑制大幅度的基波和其它非二次谐波噪声，并放大有用的传感器二次谐波信号，提高信号检测分辨率。选频放大电路3会带来信号的相位变化，在电路未达到饱和的线性范围内，这个相位改变是固定的，可以通过在信号检测电路中配置移相电路来进行补偿。但是，当信号通道的输入信号Vi过大而使信号检测电路进入饱和时，产生了新的附加相移，使后端对相位敏感的相敏检波电路4的检波效率降低，甚至输出极性反转，从而整个信号检测电路变得不稳定。因此，现有的磁通门磁力仪的信号检测电路存在对信号的不能兼顾信号的分辨率和容许大信号输入的问题，对于具有“弱信号、强背景”特征的地磁信号难于进一步提高其分辨率。
发明内容
本发明的目的是提供一种磁通门磁力仪的信号检测电路及该磁通门磁力仪，用于解决现有的磁通门磁力仪的信号检测电路不能兼顾保证信号的分辨率和容许大信号输入的问题。
为了实现上述目的，本发明提供一种磁通门磁力仪的信号检测电路，该信号检测电路包括从传感探头获取磁场信号的信号通道和向所述传感探头输出激励信号的激励通道，所述信号通道包括依次连接的探头输入电路、选频放大电路、相敏检波电路、积分电路和反馈电路，其中，所述反馈电路包括：第一反馈通路，被配置为线性反馈电路；以及第二反馈通路，与所述第一反馈通路并联，被配置为非线性反馈电路，且该第二反馈通路在所述传感探头检测的磁场信号达到相对观测的最大测量范围时工作。
可选地，所述反馈电路还包括：加法器，其连接所述第一反馈通路和第二反馈通路的信号输出端，用于相加并输出所述第一反馈通路和第二反馈通路的输出信号。
可选地，所述第一反馈通路包括第一电阻。
可选地，所述第二反馈通路包括：导通元件，其连接所述积分电路，且被配置为在所述传感探头检测的磁场信号达到相对观测的最大测量范围时导通；放大器，其输入端连接所述导通元件，用于在所述导通元件导通时，放大所述导通元件的输出信号；以及第二电阻，其连接所述放大器的输出端。
可选地，所述导通元件的导通电压等于所述积分电路在所述传感探头检测的磁场信号达到相对观测的最大测量范围时的最大有效输出电压。
可选地，所述信号通道还包括与所述积分电路连接的限幅电路，用于使所述积分电路的输出电压限制在该积分电路在所述传感探头检测的磁场信号达到相对观测的最大测量范围时的最大有效输出电压的范围内。
可选地，所述导通元件采用稳压管、压敏电阻或电压比较器。
可选地，所述稳压管采用双向稳压管，其一端连接所述积分电路的输出端，另一端连接所述放大器的正输入端，所述放大器的正输入端和负输入端各通过电阻分别接地，且所述放大器的负输入端与其输出端之间连接有电阻。
本发明还提供了一种磁通门磁力仪，该磁通门磁力仪设置有上述的信号检测电路。
通过上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明利用了非线性负反馈方法，在小信号输入(线性测量范围内)和大信号输入时转换了不同的反馈支路，解决了传统信号检测电路存在不能兼顾保证信号的分辨率和容许大信号输入的问题。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是现有技术中磁通门磁力仪的信号检测电路的结构示意图；
图2是现有技术中磁通门磁力仪的信号检测电路的输入/输出信号关系示意图；
图3是本发明实施例的磁通门磁力仪的信号检测电路的结构示意图；
图4是本发明实施例的信号检测电路的输入/输出特性示意图；
图5是本发明实施例的反馈电路的一种优选结构的示意图；
图6是本发明实施例中构成图5的反馈电路的具体电路结构示意图。
附图标记说明
1 传感探头 2 探头输入电路
3 选频放大电路 4 相敏检波电路
5 积分电路 6 反馈电路
61 第一反馈通路 62 第二反馈通路
63 加法器 611 第一电阻
621 导通元件 622 放大器
623 第二电阻
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
参考图1，磁通门磁力仪的现有信号检测电路的反馈电路6由单独的电阻Rf构成，其明显属于是线性反馈电路。
现有信号检测电路中积分电路的输入/输出信号关系如图2所示，图中横坐标为输入，单位为nT，纵坐标为输出，单位为V，且图中实线为理想正常输出，对应的虚线为实际的不稳定输出。结合图1和图2，当传感探头1的输入信号(即检测出的磁场信号)超出地磁相对观测的线性测量范围(如±2500nT)时，积分电路5输出达到饱和，反馈电路6输出亦达到最大。当外磁场增强使传感探头1的输入信号进一步增大时，由于反馈信号Vf不能够再随输入的增大而继续增大了，使选频放大电路3等环节进入饱和状态，从而产生了新的附加相移，使得这些环节输出的信号跟相敏检波电路4的参考信号Vr的相位不再相同，于是产生了随输入信号的大小而变化的相位差，该相位差会引起检波效率的降低，且通过积分电路5的平滑后输出Vo亦可能发生变化，甚至使极性反转，即输出信号Vo变得不稳定，不再能够线性反映输入磁场信号的大小。进一步地，在实际中为了保证信号检测电路的稳定性，前端的选频放大电路等预处理电路环节的品质因数Q值不能过高，因此难以保证选频放大电路等有较好的滤波效果，从而使得小信号时，磁力仪系统信噪比不高，影响了磁力仪系统对微弱小信号的分辨率。
在此基础上，本发明实施例基于非线性反馈理论提出了一种新的磁通门磁力仪的信号检测电路，如图3所示，该信号检测电路也包括信号通道和激励通道，所述信号通道包括依次连接的探头输入电路2、选频放大电路3、相敏检波电路4、积分电路5和反馈电路6，其中相敏检波电路4优选为相敏检波器PSD，积分电路5优选为常规积分器。而激励通道的构造与现有磁通门磁力仪相似，且具体功能及结构可参考相关文献，其不属于本发明实施例所要改进的方案内容，故在此不多述。
相对于现有磁通门磁力仪，本发明实施例所涉及的信号检测电路的反馈电路6包括：第一反馈通路61，其被配置为线性反馈电路；以及第二反馈通路62，与所述第一反馈通路61并联，被配置为非线性反馈电路，该第二反馈通路62在所述传感探头1检测的磁场信号达到相对观测的最大测量范围时工作。
进一步地，本实施例所述反馈电路6还包括：加法器63，其连接所述第一反馈通路61和第二反馈通路62的信号输出端，用于相加并输出所述第一反馈通路61和第二反馈通路62的输出信号。
图4为本发明实施例的反馈电路的输出特性示意图。在所述信号通道的输入信号Vi为在线性测量范围内的小信号输入时，如图4所示，如在±2500nT线性测量范围内的小信号输入时，仅第一反馈通路61工作而输出反馈信号，而第二反馈通路62处于高阻输出状态，对反馈信号没有贡献。当输入超过±2500nT的线性测量范围时，第二反馈通路62进入工作状态，反馈信号由第一反馈通路61输出加上第二反馈通路62输出组成，且第二反馈通路62输出远大于第一反馈通路61输出，即此时反馈信号主要由第二反馈通路62组成，此时信号检测电路反馈量大，磁力仪系统检测灵敏度低，使前端的选频放大电路等模拟预处理电路不会进入饱和状态，因而保证了相敏检波电路等输出的稳定性。此外，调整第二反馈通路62的输出，可使在外磁场达到最大约50000nT时信号检测电路输出接近电源电压VCC满幅度输出，再通过限幅电路使电压输出限制在积分电路的最大输出信号±Uom的线性范围内。
进一步地，如图5所示，本发明实施例给出图3对应的信号检测电路中的反馈电路的一种优选构成方式，其中所述第一反馈通路61可以包括第一电阻611，其构成典型的线性反馈电路。所述第二反馈通路62可以包括：导通元件621，其连接所述积分电路5，且被配置为在所述传感探头1检测的磁场信号达到相对观测的最大测量范围时导通；放大器622，其输入端连接所述导通元件621，用于在所述导通元件621导通时，放大所述导通元件621的输出信号；以及第二电阻623，其连接所述放大器622的输出端。
其中，所述导通元件621可以采用稳压管、压敏电阻或电压比较器，所述放大器622和所述加法器63可以采用常规运算放大器。以所述导通元件621采用双向稳压管、所述放大器622和所述加法器63采用常规运算放大器为例，如图6所示，给出了构成本发明实施例的反馈电路的一个具体电路结构，该电路结构中，第一反馈电路61由电阻R1构成，其一端连接积分电路5的输出端，另一端向运算放大器A1构成的加法器的负输入端输出反馈信号Vf1，且该运算放大器A1的负输入端与输出端之间连接有电阻R6，第二反馈电路62则包括：双向稳压管D，其一端连接积分电路5的输出端，另一端连接运算放大器A2的正输入端；运算放大器A2构成所述放大器622，其正输入端还通过电阻R5接地，负输入端通过电阻R4接地，负输入端与输出端之间连接有电阻R3；电阻R2构成第二电阻623，其一端连接运算放大器A2的输出端，另一端向运算放大器A1的负输入端输出反馈信号Vf2。
对于图6所示的电路，两路反馈信号Vf1、Vf2经运算放大器A1构成的加法器相加后作为总的反馈信号Vf。参考图4，在被测磁场小于相对测量范围(比如±2500nT)时，积分电路的输出Vo小于其最大有效输出信号±Uom，输出电压Vo小于双向稳压管D的导通电压VZ(即VZ＝Uom)而使第二反馈通路62输出为零，因此反馈信号仅由第一反馈通路61提供，且大小跟输出Vo成正比。当所述导通元件的导通电压等于或大于所述积分电路的最大有效输出电压时，被测磁场大于相对线性测量范围时，积分电路的输出Vo超过最大有效输出信号±Uom，使双向稳压管D发生导通，此时反馈信号Vf由Vf1和Vf2相加组成，使信号检测电路灵敏度降低。调整第二反馈通路的电阻比例，可以使在被测磁场达到最大测量范围(如±50000nT)时输出Vo接近电源幅度VCC。另外，还可以为所述信号通道设置与所述积分电路连接的限幅电路，用于使所述积分电路的输出电压Vo限制在该积分电路的最大有效输出电压±Uom的范围内。
进一步地，在上述信号检测电路的基础上，本发明实施例还提供了一种磁通门磁力仪，该磁通门磁力仪设置有上述的信号检测电路。关于该信号检测电路的构成可参考上文，在此不再赘述。
综上所述，本发明实施例的磁通门磁力仪的信号检测电路利用了非线性负反馈方法，在小信号输入(线性测量范围内)和大信号输入时转换了不同的反馈支路，保证了传感探头始终工作在零场附近，保证了前端模拟通道电路不会进入饱和状态，不会产生相移的变化，因而也保证了相敏检波电路输出的稳定性，因此可以通过高阶的选频放大器使大幅度的基波噪声得到很大抑制，并使有用信号得到提升放大，解决了传统信号检测电路存在不能兼顾保证信号的分辨率和容许大信号输入的问题。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (8)

1.一种磁通门磁力仪的信号检测电路，该信号检测电路包括从传感探头(1)获取磁场信号的信号通道和向所述传感探头(1)输出激励信号的激励通道，所述信号通道包括依次连接的探头输入电路(2)、选频放大电路(3)、相敏检波电路(4)、积分电路(5)和反馈电路(6)，其特征在于，所述反馈电路(6)包括：
第一反馈通路(61)，被配置为线性反馈电路；以及
第二反馈通路(62)，与所述第一反馈通路(61)并联，被配置为非线性反馈电路，且该第二反馈通路(62)在所述传感探头(1)检测的磁场信号达到相对观测的最大测量范围时工作；
其中，所述第二反馈通路(62)包括：导通元件(621)，其连接所述积分电路(5)，且被配置为在所述传感探头(1)检测的磁场信号达到相对观测的最大测量范围时导通；放大器(622)，其输入端连接所述导通元件(621)，用于在所述导通元件(621)导通时，放大所述导通元件(621)的输出信号；以及第二电阻(623)，其连接所述放大器(622)的输出端。
2.根据权利要求1所述的信号检测电路，其特征在于，所述反馈电路(6)还包括：
加法器(63)，其连接所述第一反馈通路(61)和第二反馈通路(62)的信号输出端，用于相加并输出所述第一反馈通路(61)和第二反馈通路(62)的输出信号。
3.根据权利要求1或2所述的信号检测电路，其特征在于，所述第一反馈通路(61)包括第一电阻(611)。
4.根据权利要求1所述的信号检测电路，其特征在于，所述导通元件(621)的导通电压等于所述积分电路(5)在所述传感探头(1)检测的磁场信号达到相对观测的最大测量范围时的最大有效输出电压。
5.根据权利要求4所述的信号检测电路，其特征在于，所述信号通道还包括与所述积分电路(5)连接的限幅电路，用于使所述积分电路(5)的输出电压限制在该积分电路(5)在所述传感探头(1)检测的磁场信号达到相对观测的最大测量范围时的最大有效输出电压的范围内。
6.根据权利要求1所述的信号检测电路，其特征在于，所述导通元件(621)采用稳压管、压敏电阻或电压比较器。
7.根据权利要求6所述的信号检测电路，其特征在于，所述稳压管采用双向稳压管，其一端连接所述积分电路(5)的输出端，另一端连接所述放大器(622)的正输入端，所述放大器(622)的正输入端和负输入端各通过电阻分别接地，且所述放大器(622)的负输入端与其输出端之间连接有电阻。
8.一种磁通门磁力仪，其特征在于，该磁通门磁力仪设置有权利要求1至7中任意一项所述的信号检测电路。
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