CN107315150B - 一种正交基模磁通门传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正交基模磁通门传感器。所述传感器包括钴基非晶丝、激励电流源、感应线圈、时钟源、前置放大器、带通滤波器、相敏检波器、低通滤波器和反馈通道。其中，钴基非晶丝、激励电流源和时钟源构成传感器的激励电路；感应线圈、前置放大器、带通滤波器、相敏检波器、低通滤波器、反馈通道和时钟源构成传感器的测量电路。所述激励电流源为含有偏置的交流电流源，即同时含有DC成分及AC成分，其中DC幅值大于AC峰值，使得激励电流源处于单极性状态，带有偏置的电流源相比传统的双极性电流源大幅抑制磁芯的巴氏噪声。相比于现有技术，本发明所述正交基模磁通门传感器具有体积小、噪声低、非线性误差低、频带宽和量程大等优点。

Description

一种正交基模磁通门传感器

技术领域

本发明属于地球物理、空间探测等领域的弱磁信号检测技术领域，具体涉及一种正交基模磁通门传感器。

背景技术

矢量弱磁传感器主要包括巨磁阻(GMR)、巨磁阻抗(GMI)、隧道磁阻(TMR)、磁通门、感应式线圈、超导量子干涉(SQUIDs)、无自旋交换弛豫(SERF)等类型，其中磁通门技术以其低噪声、高灵敏度、小体积、高技术就绪度的综合性能，成为国内外研发热点，并在大地电磁、磁异探测、地磁导航、无损检测、电磁跟踪等领域得到广泛应用。

磁通门多采用平行激磁二次谐波法，以英国Bartington公司Mag系列产品为代表，其噪声指标为6pT/sqrt(Hz)@1Hz，频响带宽DC～3kHz，线性度误差±0.0015％，正交度误差±0.1°；通过调测筛选，少量传感器噪声可低至4pT/sqrt(Hz)@1Hz、带宽达10kHz。随着非晶丝等磁性材料技术的发展，为进一步降低传感器输出噪声，2002年，日本九州大学I.Sasada等人设计了正交基模体制的磁通门传感器原型，利用偏置激磁有效抑制了磁芯的主要噪声源—巴克豪森噪声；2014年，加拿大Phoenix Geophysics公司R.Bazinet等人基于西班牙ICMM公司的钴基非晶丝材料设计了低噪声正交基模磁通门传感器，在25mm磁芯结构上将噪声降低至1.5pT/sqrt(Hz)@1Hz。

国内从事磁通门传感器研发的单位主要有吉林大学、中科院地质与地球物理研究所、中科院电子学研究所、西北工业大学、原北京地质仪器厂、西安华舜、武汉麦格森斯、北京翠海等，多为平行激磁二次谐波法磁通门。国内同行在正交基模磁通门技术方面关注还较少，西北工业大学(郭博等.2014)开展了微型正交激励磁通门传感器的研究工作，主要以微型化、低功耗为目标，制备出一种微型化正交激励磁通门，典型噪声约为28.4nT/rt(Hz)@1Hz，功耗约为78mW。中国地震局地球物理研究所(王晓美等.2015)获得了基于非晶丝多芯式正交磁通门传感器实用新型专利。

国内外研究现状表明，传统二次谐波法磁通门的噪声水平已接近极限，正交基模磁通门传感器在低噪声、小体积等方面的性能提升已得到验证。

传统应用领域主要关注磁通门传感器的噪声、量程、线性度等关键参数，以及体积、功耗等技术指标，而近年来宽频带的传感器响应需求日趋强烈(例如澳大利亚EMIT公司的DigiAtlantis井中三分量TEM系统与加拿大Crone公司的PEM地面/井中TEM系统均配置宽频带低噪声磁通门传感器开展磁场观测，对于良导金属矿目标探测时，磁通门传感器测量B场比感应线圈测量dB/dt的效果更好)，因此磁通门的频率响应参数需要引起更多的关注。

综上，低噪声、宽频带、小体积的磁通门传感器市场需求强烈，有必要开展相关技术研究，优化传感器的噪声、带宽、体积等关键参数。

发明内容

为了克服现有平行场二次谐波法磁通门传感器在噪声、体积参数方面的不足,本发明提供一种正交基模磁通门传感器，所述磁通门传感器以钴基非晶丝作为磁芯，采用带有偏置的激励电流源，大幅抑制了磁芯的巴氏噪声，具有低噪声、宽频带、小体积的优势。

为实现上述目标，本发明采用以下技术方案：

一种正交基模磁通门传感器，所述传感器包括钴基非晶丝、激励电流源、感应线圈、时钟源、前置放大器、带通滤波器、相敏检波器、低通滤波器和反馈通道。其中，钴基非晶丝、激励电流源和时钟源构成传感器的激励电路；感应线圈、前置放大器、带通滤波器、相敏检波器、低通滤波器、反馈通道和时钟源构成传感器的测量电路。钴基非晶丝的一端接地，另一端与激励电流源相连接；激励电流源的一端与钴基非晶丝相连接，另一端与时钟源相连接；感应线圈缠绕于钴基非晶丝的外管壁，同时与前置放大器相连接；前置放大器的输入端与感应线圈相连接，输出端与带通滤波器相连接；带通滤波器的输入端与前置放大器相连接，输出端与相敏检波器相连接；相敏检波器的输入端分别与带通滤波器和时钟源相连接，输出端与积分器相连接；积分器的输入端与相敏检波器相连接，输出端分别与低通滤波器和反馈通道相连接；低通滤波器的输入端与积分器相连接，输出端输出感知信号；反馈通道的输入端与积分器相连接，输出端与感应线圈相连接；时钟源同时与激励电流源和相敏检波器相连接。

所述钴基非晶丝为非晶态磁性材料，相比坡莫合金具有低矫顽力、高方形比、高电阻率、低退磁系数的特征，同时具有较好的均匀性、各向异性。

参见附图1，所述传感器的工作原理如下：激励电流源直接对非晶丝进行激励，轴向的激励电流产生了圆周方向的激励磁场，磁芯在激励电流作用下处于周期性深度饱和变化，磁芯磁通量的变化引起磁导率的变化，磁导率与激励电流源同频变化，在外部磁场作用下，根据电磁感应定律，感应线圈输出的基模信号被外部待测磁场调幅输出，测量电路完成含有待测磁场的基模信号的放大、相敏检波、积分，实现待测磁场信号的检测。

参见附图2，磁芯为钴基非晶丝，(Co_0.94Fe_0.06)_72.5Si_12.5B₁₅，直径120μm，长度2cm，固定于玻璃管中，一端引接至激励电流源，另一端接地。玻璃管外部缠绕感应线圈。感应线圈为漆包线绕制而成，漆包线直径0.12mm，感应线圈直径2mm，匝数400。

激励电流源为含有偏置的交流电流源，即同时含有DC成分及AC成分，其中DC幅值大于AC峰值，使得激励电流源处于单极性状态。这是与传统二次谐波方法的本质区别，传统二次谐波方案的双极性激励电流使得磁芯交替饱和，引起的巴氏噪声是传感器主要噪声源之一。正交基模方案的电流源是针对抑制巴氏噪声所设计的。

参见附图4，激励电流源包括DDS(Direct Digital Synthesizer，直接数字式频率合成器)、带通滤波器BPF、直流参考源REF、加法器Adder、驱动器Buffer。所述DDS的输入端与外部时钟源相连接，输出端与所述带通滤波器BPF相连接；所述带通滤波器BPF的输入端与所述DDS相连接，输出端与所述加法器Adder相连接；所述加法器Adder的输入端分别与所述带通滤波器BPF和所述直流参考源REF相连接，输出端与所述驱动器Buffer相连接；所述驱动器Buffer的输入端与所述加法器Adder相连接，输出端与负载相连接；所述直流参考源REF与所述加法器Adder的输入端相连接。

所述激励电流源的工作原理是：DDS在外部时钟源的驱动下产生稳定的正弦信号，频率100kHz；带通滤波器BPF抑制谐波成分，放大正弦幅值为4Vpp；直流参考源Ref提供高稳定直流源，基准源输出2.5V；加法器Adder将交流信号与直流基准源叠加，输出直流为2.5V、交流为4Vpp的驱动电压信号；驱动器Buffer将驱动电压信号转化为电流信号，并实现稳流。

激励电流源噪声会直接传递至传感器输出，因此，实现低噪声电流源必须保证激励电流源幅值的稳定与精度。磁芯为电流源的负载，磁芯磁导率在变，导致磁芯阻抗也存在一定波动。采用高精度DAC控制恒流源方案实现高精度恒流源。激励频率为100kHz，电流直流量为50mA，交流量为40mAp。

前置放大器实现感应线圈输出信号的低噪声放大，一方面在感应线圈的信号输出端配置调谐电容，提高信噪比；一方面设计低噪声前置放大器，电压噪声优于2nV/rt(Hz)@100kHz；

带通滤波器实现带外信号噪声压制，抑制边频信号，带通滤波器的中心频率设置为激励频率100kHz，带宽设置为±20kHz，为4阶滤波器。

相敏检波器在100kHz时钟信号驱动下，对基模调制信号进行解调，输出代表被测磁场信号的低频包络。解调时钟与激励信号为同一时钟源分频得到，通过移相器调整相位差改善相敏检波器输出。

积分器对相敏检波器的输出进行积分，并通过反馈通道输出至感应线圈。感应线圈既作为拾取线圈，又作为反馈线圈。积分器配合反馈通道，实现闭环控制。此控制系统为无差系统，积分器通过反馈电阻直接输出至感应线圈，实时补偿外部磁场变化，磁芯始终工作在零场附进，提升系统的线性度及观测量程。

低通滤波器抑制带外噪声，-3dB带宽设置为20kHz，为二阶低通滤波器。输出阻抗设置为50Ω。

所发明的磁通门传感器关键参数如下：

1)探头体积：小于10cm³；

2)带宽：DC～10kHz；

3)噪声：优于4pT/rt(Hz)@1Hz；

4)线性度：优于100ppm；

5)量程：±100μT；

6)灵敏度：100μV/nT。

本发明的优点和有益效果为：

1)小体积：正交基模方案采用非晶丝作为磁芯，结构简单，非晶丝长度仅为2cm，有利于磁芯的小型化；三轴探头体积小于10cm³；

2)低噪声：正交基模方案的单极性激励，大幅抑制了巴氏噪声，相比传统方案磁芯噪声大幅下降，通过设计低噪声前置放大器进一步降低测量电路引入的噪声；

3)低线性误差：通过闭环反馈，形成无差系统，反馈信号作用在感应线圈上，形成的补偿磁场与外部被测磁场幅值相等，极性相反，使得磁芯始终工作在零场附近，有效提高了传感器整体的线性度；

4)大量程：区别于偏置补偿电路，借助积分反馈电路形成深度负反馈，使得磁芯工作在零场附近，提高了系统动态范围，拓展了有效观测量程。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为磁通门探头原理示意图。

图中，左侧为传统的平行二次谐波方案示意图，右侧为本发明所述的正交基模方案示意图；H_ext为外部待测磁场，H₀为激励磁场，i₀(t)为激励电流，u₂(t)为感应电动势。

图2为本发明所述的探头结构(单轴)图。

图中，1是非晶丝，2是玻璃管，3是感应线圈。

图3为本发明所述的正交基模磁通门传感器的测量原理(单轴)图。

图中，A为前置放大器，BPF为带通滤波器，PSD为相敏检波器，Is为恒流源；CLK为时钟源，∫为积分器，LPF为低通滤波器，F为反馈通道。

图4为本发明所述的激励电流源结构图。

图中，DDS为直接数字式频率合成器，BPF为带通滤波器，REF为直流参考源，Adder为加法器，Buffer为驱动器。

具体实施方式

实施例1

参见附图1，一种正交基模磁通门传感器，包括钴基非晶丝、激励电流源、感应线圈、时钟源、前置放大器、带通滤波器、相敏检波器、低通滤波器和反馈通道。其中，钴基非晶丝、激励电流源和时钟源构成传感器的激励电路；感应线圈、前置放大器、带通滤波器、相敏检波器、低通滤波器、反馈通道和时钟源构成传感器的测量电路。钴基非晶丝的一端接地，另一端与激励电流源相连接；激励电流源的一端与钴基非晶丝相连接，另一端与时钟源相连接；感应线圈缠绕于钴基非晶丝的外管壁，同时与前置放大器相连接；前置放大器的输入端与感应线圈相连接，输出端与带通滤波器相连接；带通滤波器的输入端与前置放大器相连接，输出端与相敏检波器相连接；相敏检波器的输入端分别与带通滤波器和时钟源相连接，输出端与积分器相连接；积分器的输入端与相敏检波器相连接，输出端分别与低通滤波器和反馈通道相连接；低通滤波器的输入端与积分器相连接，输出端输出感知信号；反馈通道的输入端与积分器相连接，输出端与感应线圈相连接；时钟源同时与激励电流源和相敏检波器相连接。

参见附图2，磁芯为钴基非晶丝，(Co_0.94Fe_0.06)_72.5Si_12.5B₁₅，直径120μm，长度2cm，固定于玻璃管中，一端引接至激励电流源，另一端接地。玻璃管外部缠绕感应线圈。感应线圈为漆包线绕制而成，漆包线直径0.12mm，感应线圈直径2mm，匝数400。

激励电流源为含有偏置的交流电流源，即同时含有DC成分及AC成分，其中DC幅值大于AC峰值，使得激励电流源处于单极性状态。

参见附图4，激励电流源包括直接数字式频率合成器DDS、带通滤波器BPF、直流参考源REF、加法器Adder、驱动器Buffer。所述DDS的输入端与外部时钟源相连接，输出端与所述带通滤波器BPF相连接；所述带通滤波器BPF的输入端与所述DDS相连接，输出端与所述加法器Adder相连接；所述加法器Adder的输入端分别与所述带通滤波器BPF和所述直流参考源REF相连接，输出端与所述驱动器Buffer相连接；所述驱动器Buffer的输入端与所述加法器Adder相连接，输出端与负载相连接；所述直流参考源REF与所述加法器Adder的输入端相连接。

采用高精度DAC控制恒流源方案实现高精度恒流源。激励频率为100kHz，电流直流量为50mA，交流量为40mAp。

在感应线圈的信号输出端配置调谐电容，提高信噪比；设计低噪声前置放大器，实现感应线圈输出信号的低噪声放大，电压噪声优于2nV/rt(Hz)@100kHz；

带通滤波器实现带外信号噪声压制，抑制边频信号，带通滤波器的中心频率设置为激励频率100kHz，带宽设置为±20kHz，为4阶滤波器。

相敏检波器在100kHz时钟信号驱动下，对基模调制信号进行解调，输出代表被测磁场信号的低频包络。解调时钟与激励信号为同一时钟源分频得到，通过移相器调整相位差改善相敏检波器输出。

积分器对相敏检波器的输出进行积分，并通过反馈通道输出至感应线圈。感应线圈既作为拾取线圈，又作为反馈线圈。积分器配合反馈通道，实现闭环控制。此控制系统为无差系统，积分器通过反馈电阻直接输出至感应线圈，实时补偿外部磁场变化，磁芯始终工作在零场附进，提升系统的线性度及观测量程。

低通滤波器抑制带外噪声，-3dB带宽设置为20kHz，为二阶低通滤波器。输出阻抗设置为50Ω。

所发明的磁通门传感器关键参数如下：

1)探头体积：小于10cm³；

2)带宽：DC～10kHz；

3)噪声：优于4pT/rt(Hz)@1Hz；

4)线性度：优于100ppm；

5)量程：±100μT；

6)灵敏度：100μV/nT。

最后应说明的是：上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所述领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种正交基模磁通门传感器，其特征在于：所述传感器包括钴基非晶丝、激励电流源、感应线圈、时钟源、前置放大器、带通滤波器、相敏检波器、低通滤波器和反馈通道，其中，钴基非晶丝、激励电流源和时钟源构成传感器的激励电路；感应线圈、前置放大器、带通滤波器、相敏检波器、低通滤波器、反馈通道和时钟源构成传感器的测量电路；钴基非晶丝的一端接地，另一端与激励电流源相连接；激励电流源的一端与钴基非晶丝相连接，另一端与时钟源相连接；感应线圈缠绕于钴基非晶丝的外管壁，同时与前置放大器相连接；前置放大器的输入端与感应线圈相连接，输出端与带通滤波器相连接；带通滤波器的输入端与前置放大器相连接，输出端与相敏检波器相连接；相敏检波器的输入端分别与带通滤波器和时钟源相连接，输出端与积分器相连接；积分器的输入端与相敏检波器相连接，输出端分别与低通滤波器和反馈通道相连接；低通滤波器的输入端与积分器相连接，输出端输出感知信号；反馈通道的输入端与积分器相连接，输出端与感应线圈相连接；时钟源同时与激励电流源和相敏检波器相连接；

其中，所述激励电流源为含有偏置的交流电流源，即同时含有DC成分及AC成分，其中DC幅值大于AC峰值，使得激励电流源处于单极性状态；所述激励电流源包括直接数字式频率合成器DDS、带通滤波器BPF、直流参考源REF、加法器Adder、驱动器Buffer；所述DDS的输入端与外部时钟源相连接，输出端与所述带通滤波器BPF相连接；所述带通滤波器BPF的输入端与所述DDS相连接，输出端与所述加法器Adder相连接；所述加法器Adder的输入端分别与所述带通滤波器BPF和所述直流参考源REF相连接，输出端与所述驱动器Buffer相连接；所述驱动器Buffer的输入端与所述加法器Adder相连接，输出端与负载相连接；所述直流参考源REF与所述加法器Adder的输入端相连接；

其中，所述相敏检波器的解调时钟与激励信号为同一时钟源分频得到，通过移相器调整相位差改善相敏检波器输出；

其中，所述积分器通过反馈通道输出至感应线圈，所述感应线圈既作为拾取线圈，又作为反馈线圈；积分器配合反馈通道，实现闭环控制；此控制系统为无差系统，积分器通过反馈电阻直接输出至感应线圈，实时补偿外部磁场变化，磁芯始终工作在零场附进，提升系统的线性度及观测量程。

2.如权利要求1所述的一种正交基模磁通门传感器，其特征在于：所述钴基非晶丝为非晶态磁性材料，固定于玻璃管中，一端引接至激励电流源，另一端接地；玻璃管外部缠绕感应线圈。

3.如权利要求1所述的一种正交基模磁通门传感器，其特征在于：所述激励电流源的激励频率为100kHz，电流直流量为50mA，交流量为40mAp。

4.如权利要求1所述的一种正交基模磁通门传感器，其特征在于：在所述感应线圈的信号输出端配置调谐电容。

5.如权利要求1所述的一种正交基模磁通门传感器，其特征在于：所述带通滤波器的中心频率设置为激励频率100kHz，带宽设置为±20kHz，为4阶滤波器。

6.如权利要求1所述的一种正交基模磁通门传感器，其特征在于：所述低通滤波器抑制带外噪声，-3dB带宽设置为20kHz，为二阶低通滤波器，输出阻抗设置为50Ω。

7.如权利要求1所述的一种正交基模磁通门传感器，其特征在于：所述磁通门传感器具有的关键参数如下：

1)探头体积：小于10cm³；

2)带宽：DC～10kHz；

3)噪声：优于4pT/rt(Hz)@1Hz；

4)线性度：优于100ppm；

5)量程：±100μT；

6)灵敏度：100μV/nT。