CN107422282B - 一种数字化球面型三轴磁通门磁力仪 - Google Patents

一种数字化球面型三轴磁通门磁力仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种数字化球面型三轴磁通门磁力仪，包括球面型三轴磁通门传感器和数字化磁通门信号采集电路，球面型三轴磁通门传感器用于输出沿X轴、Y轴和Z轴方向的模拟电压信号，数字化磁通门信号采集电路包括电路结构相同的X轴、Y轴和Z轴信号采集电路，沿X轴、Y轴和Z轴方向的模拟电压信号输入对应的X轴、Y轴和Z轴信号采集电路；信号采集电路包括第一电压跟随器、信号衰减模块、减法模块、第二电压跟随器、低通滤波模块、可编程增益放大模块、AD模块、MCU控制模块和DA反馈模块，本发明采用了自然电位补偿技术、自动增益放大以及AD转换技术，使整个数字化球面型三轴磁通门磁力仪具有低噪声、高稳定性、高分辨力的特性。

Description

一种数字化球面型三轴磁通门磁力仪
技术领域
本发明涉及磁场探测技术领域，特别是涉及一种数字化球面型三轴磁通门磁力仪。
背景技术
磁测技术的原理是通过周期性的交变磁场使得磁芯周期性地处于磁饱和状态，利用磁芯对激励磁场的调制作用将环境磁场转化为电信号输出。通过对感应电动势的分析确定环境磁场的大小。传统的磁通门传感器采用模拟电路实现对电压信号采集，模拟电路存在受温度影响比较大，容易发生偏移，误差较大等缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种将传统的磁通门传感器输出的模拟信号进行数字化的数字化球面型三轴磁通门磁力仪。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种数字化球面型三轴磁通门磁力仪，包括相互连接的球面型三轴磁通门传感器和数字化磁通门信号采集电路，球面型三轴磁通门传感器用于输出沿X轴、Y轴和Z轴方向的模拟电压信号，数字化磁通门信号采集电路包括电路结构相同的X轴、Y轴和Z轴信号采集电路；
所述信号采集电路包括第一电压跟随器、信号衰减模块、减法模块、第二电压跟随器、低通滤波模块、可编程增益放大模块、AD模块、MCU控制模块和DA反馈模块，第一电压跟随器、信号衰减模块、减法模块、第二电压跟随器、低通滤波模块、可编程增益放大模块、AD模块和MCU控制模块依次连接，MCU控制模块、DA反馈模块和减法模块依次连接构成反馈电路；MCU控制模块还与可编程增益放大模块连接。
进一步的，所述MCU控制模块包括FPGA控制模块和STM32控制模块，FPGA控制模块用于电路数据交互，STM32控制模块用于人机交互。
进一步的，所述可编程增益放大模块的增益是：FPGA模块实时接收AD模块传送的数字信号，并将数字信号对应的增益发送至可编程增益放大模块，对模拟信号进行增益放大，以实现动态调整增益。
进一步的，所述球面型三轴磁通门传感器包括球面型三轴磁通门探头、激磁电路和信号处理电路。
进一步的，所述球面型三轴磁通门探头包括无磁球芯、激磁绕线、检测绕线骨架、检测绕线、反馈绕线骨架和反馈绕线，所述无磁球芯是由三个可导磁的正方体环沿X轴、Y轴、Z轴方向相互正交形成，无磁球芯上绕置有多匝激磁绕线；所述检测绕线骨架上加工有沿X轴、Y轴、Z轴方向且相互正交的凹槽，检测绕线绕置在凹槽内，无磁球芯安装在检测绕线骨架的内腔中；所述反馈绕线骨架呈球形，其上刻有多条等宽、等高且不等深的绕线槽，反馈绕线绕置在三轴绕线槽内；反馈绕线骨架内部开有沿X轴、Y轴、Z轴方向的通孔，通孔的两端安装有可拆卸球盖，可拆卸球盖的外端面为平面，检测绕线骨架安装在反馈绕线骨架内且位于中心处；所述无磁球芯、检测绕线骨架和反馈绕线骨架的X轴、Y轴、Z轴同轴。
进一步的，所述三轴绕线槽均沿各自的赤道面对称设置。
进一步的，所述反馈绕线为单匝线圈。
进一步的，所述激磁电路与激磁绕线连接；激磁电路包括振荡器、分频器、高速电子隔离器、单稳态触发器和P-NMOS管H桥；所述振荡器分别与分频器和高速电子隔离器相连接，分频器后依次连接单稳态触发器和P-NMOS管H桥；其中，单稳态触发器用于将方波信号进行脉冲宽度调节，即调节无磁球芯的磁导通状态和磁饱和状态所占时间长短；P-NMOS管H桥提高电流驱动能力。
进一步的，所述信号处理电路前端与检测绕线连接，后端与反馈绕线连接；信号处理电路包括依次连接的仪表放大器、相敏解调器、积分器和伺服放大器，相敏解调器还与高速电子隔离器相连接；其中，伺服跨导放大器用于将模拟电压信号转换成两路大小相同的电流输出，即为反馈电流和最终输出电流，反馈电流输入至反馈绕线，最终输出电流输入接地电阻后输出模拟电压信号。
进一步的，所述单稳态触发器在引脚1和引脚2之间连接一个电容C1，引脚2与基准高电平VDD之间连接一个电阻R1，引脚14和引脚15之间连接一个电容C2，引脚14与基准高电平VDD之间连接一个电阻R2，通过调整电容C1、电阻R1、电容C2以及电阻R2，调节输出信号的脉冲宽度。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用了自然电位补偿技术，即DA反馈模块，采用负反馈提高了系统的稳定性，减小了非线性失真，抑制了干扰和噪声；
2、本发明中设有可编程增益放大模块，动态调整增益，对信号进行放大或缩小，以增大动态响应范围，有效的提高了分辨率；
3、本发明还具有低噪声、低温漂、高精度和高稳定性的特点。
附图说明
图1为本发明球面型三轴磁通门探头的结构示意图；
图2为图1的A—A剖视图；
图3本发明检测绕线骨架的结构示意图；
图4本发明无磁球芯的结构示意图；
图5本发明球面型三轴磁通门传感器的结构示意图；
图6本发明激磁电路的结构示意图；
图7本发明三轴信号处理电路的结构示意图；
图8本发明数字化磁通门信号采集电路的结构示意图。
图中标记：1、球面型三轴磁通门探头；2、线性稳压源；3、振荡器；4、分频器；5、单稳态触发器；6、P-NMOS管H桥；7、高速电子隔离器；8、仪表放大器；9、相敏解调器；10、积分器；11、伺服跨导放大器；101、无磁球芯；102、检测绕线骨架；103、反馈绕线骨架；104、绕线槽；105、可拆卸球盖；106、通孔；107、凹槽。
具体实施方式
如图1～图8所示，本实施例提供的数字化球面型三轴磁通门磁力仪包括球面型三轴磁通门传感器和数字化磁通门信号采集电路；球面型三轴磁通门传感器用于输出沿X轴、Y轴和Z轴方向的模拟电压信号，它包括球面型三轴磁通门探头1、激磁电路和三轴信号处理电路；数字化磁通门信号采集电路包括电路结构相同的X轴、Y轴和Z轴信号采集电路，沿X轴、Y轴和Z轴方向的模拟电压信号输入对应的X轴、Y轴和Z轴信号采集电路，信号采集电路用于将模拟电压信号转换为数字电压信号。
如图1～图4示，所述球面型三轴磁通门探头1包括无磁球芯101、检测绕线骨架102、反馈绕线骨架103、激磁绕线、检测绕线和反馈绕线，所述无磁球芯101是由三个正方体环沿X轴、Y轴、Z轴方向相互正交形成，三个正方体环均由导磁薄片压制而成且厚度和大小相同，无磁球芯101上绕置有多匝激磁绕线。
所述检测绕线骨架102上加工有沿X轴、Y轴、Z轴方向相互正交的凹槽107，检测绕线绕置在凹槽107内，无磁球芯101安装在检测绕线骨架102的内腔中，无磁球芯101和检测绕线骨架102的X轴、Y轴、Z轴同轴。
所述反馈绕线骨架103呈球形，反馈绕线骨架103上刻有多条等宽、等高、且不等深的三轴绕线槽104(X、Y、Z三轴绕线槽104相互正交)，各绕线槽104分别沿各自的赤道面(赤道面是指与轴垂直且直径最大的那个圆面)对称设置，反馈绕线为单匝线圈，且反馈绕线绕置在绕线槽104内，采用单匝线圈可规避电容以及线圈缠绕方式等不可控因素的影响，使检测绕线采集到的感应脉冲更理想，从而提高磁测的准确度。本发明还在反馈绕线骨架103内部开有沿X轴、Y轴、Z轴方向的通孔106，通孔106的两端安装有可拆卸球盖105，检测绕线骨架102(内腔中已安装了无磁球芯101)可通过打开可拆卸球盖105后从通孔106放入至反馈绕线骨架103的中心处。可拆卸球盖105的外端面为平面，可保证磁探头工作时姿态稳定，并可在绕线骨架放入反馈绕线骨架103时作为基台，以方便绕线骨架放入。检测绕线骨架102和反馈绕线骨架103的X轴、Y轴、Z轴同轴。
本发明所采用的上述反馈绕线绕置方式使磁测系统构成闭环系统，反馈绕线产生均匀反馈磁场，使无磁球芯101工作在零场状态，提高了磁测的线性度和稳定度。球面型结构的反馈绕线又使所产生的磁场均匀范围更大，可提高环境磁场测量的准确度。
本发明所采用的无磁球芯101的磁化方向是沿正方体环的方向，即沿正方体环的4个边的方向，在磁导通的状态下，无磁球芯101上沿X轴、Y轴、Z轴方向设置的三个正方体环的4个边的导磁薄片聚集环境磁场的磁力线，使无磁球芯101的聚磁效果更强，检测绕线内的磁感应强度也就更强。在磁饱和状态下，无磁球芯101上沿X轴、Y轴、Z轴方向设置的三个正方体环的4个边扩散环境磁场的磁力线，使无磁球芯101的散磁效果更强，检测绕线内的磁感应强度也就更弱，从而检测绕线产生的四个感应脉冲信号更强、更精确，进一步提高了环境磁场测量的精度。
如图6所示，所述激磁电路包括线性稳压源2、振荡器3、分频器4、单稳态触发器5、P-NMOS管H桥6和高速电子隔离器7，线性稳压源2的输入端连接外部电压源，输出端输出基准高电平VDD，为振荡器3、分频器4、单稳态触发器5、P-NMOS管H桥6和高速电子隔离器7提供电源电压。振荡器3用于产生频率为2f的方波信号，分频器4将振荡器3输出的频率为2f的方波信号进行二分频，输出频率为f的方波信号；单稳态触发器5将分频器4输出的频率为f的方波信号进行脉冲宽度调节，即细调无磁球芯101磁导通状态以及磁饱和状态所占时间长短；单稳态触发器5通过P-NMOS管H桥6与激磁绕线连接，用于给激磁绕线提供电压激励，P-NMOS管H桥6提供了电流驱动能力，从而提高线路的Q值，提高了测量精度。高速电子隔离器7将振荡器3输出的频率为2f数字方波信号转变为频率为2f模拟方波信号。
所述单稳态触发器5的引脚1和引脚2之间连接一个电容C1，引脚2与基准高电平VDD之间连接一个电阻R1，引脚14和引脚15之间连接一个电容C2，引脚14与基准高电平VDD之间连接一个电阻R2；通过调整电容C1、电阻R1、电容C2以及电阻R2，调节输出信号的脉冲宽度，即细调无磁球芯101的磁导通状态和磁饱和状态所占时间长短。
激磁绕线在P-NMOS管H桥6输出的频率为f的方波激励下，使无磁球芯101的磁导率在磁导通、磁饱和状态周期性转变。在磁导通状态下，无磁球芯101的磁导率较高，磁力线向无磁球芯处聚集，检测绕线内的磁感应强度变强；在磁饱和状态下，无磁球芯101的磁导率接近于空气的磁导率，磁力线从无磁球芯101处散开，检测绕线内的磁感应强度变弱。在方波电压的一个激磁周期内，检测绕线内的磁感应强度变化四次，使得检测绕线产生四个感应脉冲。
如图7所示，所述三轴信号处理电路包括电路结构相同的X轴、Y轴以及Z轴信号处理电路，信号处理电路包括仪表放大器8、相敏解调器9、积分器10和伺服跨导放大器11，以X轴为例，球面型三轴磁通门探头1的X轴检测绕线感应到的频率为2f的感应脉冲，仪表放大器8用于将X轴检测绕线感应到的频率为2f的感应脉冲信号放大，相敏解调器9将放大后的频率为2f的感应脉冲与高速电子隔离器7输出的频率为2f的模拟方波信号相乘，得到频率为2f的模拟信号；积分器10将相敏解调器9输出的模拟信号进行积分并输出电压；伺服跨导放大器11将积分器10输出的电压转换成两路大小相同的电流输出，即为反馈电流与最终输出电流，将反馈电流输入到X轴反馈绕线中，最终电流输入接地电阻后输出X轴模拟电压信号，该电压信号与环境磁场成比例关系，即测得了环境磁场的大小。
如图8所示，所述球面型三轴磁通门传感器输出沿X轴、Y轴和Z轴方向的模拟电压信号输入至X轴、Y轴和Z轴信号采集电路；信号采集电路包括第一电压跟随器、信号衰减模块、减法模块、第二电压跟随器、低通滤波模块、可编程增益放大模块、AD模块、MCU控制模块和DA反馈模块，以X轴为例；沿X轴方向的模拟电压信号输入至第一电压跟随器，第一电压跟随器提高信号采集电路的输入阻抗；再经过信号衰减模块将模拟电压信号由球面型三轴磁通门传感器的基准电压±VCC转换成AD模块的基准电压±V；再经过减法模块将信号衰减模块的输出信号与DA反馈模块的输出信号相减，再经过第二电压跟随器减小前端电路的输出阻抗；再通过低通滤波模块滤除工频干扰和高频干扰；再经过可编程增益放大模块，对强弱不同的输入信号进行相应的增益放大；再经过AD模块将模拟信号转换为数字信号；MCU控制模块通过串口接收AD模块的数字信号，并通过串口将数字信号传送到DA反馈模块中，DA反馈模块将其输入至减法模块中，构成反馈电路。
所述MCU控制模块包括FPGA模块和STM32模块，FPGA模块实时接收AD模块通过串口传送的数字信号，并将数字信号对应的增益发送至可编程增益放大模块，对模拟信号进行增益放大。
所述可编程增益放大模块的增益根据AD模块输出的数字信号大小决定，根据数字信号的大小选择对应的增益，电压范围与增益对应值如表1所示，电压范围与AD模块采用芯片的基准电压V相关。
表1：电压范围与增益对应表
电压范围(V为AD模块采用芯片的基准电压) 增益
[-V/128,V/128] 128
[-V/64,-V/128)，(V/128,V/64] 64
[-V/32,-V/64)，(V/64,V/32] 32
[-V/16,-V/32)，(V/32,V/16] 16
[-V/8,-V/16)，(V/16,V/8] 8
[-V/4,-V/8)，(V/8,V/4] 4
[-V/2,-V/4)，(V/4,V/2] 2
[-V,-V/2)，(V/2,V] 1
所述STM32模块用于实现数据后处理以及显示功能，数据后处理是指将增益放大后的数据还原至真实数据；显示功能是指将电压信号转换为磁场信号，并将磁场信号显示到显示屏上，以便于实施监控。
所述低通滤波器是由两个一阶低通有源滤波器串联构成二阶低通滤波器。
以上所述仅是本发明优选的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明所提供的技术方案和发明构思进行的改造和替换都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种数字化球面型三轴磁通门磁力仪，其特征在于：包括相互连接的球面型三轴磁通门传感器和数字化磁通门信号采集电路，球面型三轴磁通门传感器用于输出沿X轴、Y轴和Z轴方向的模拟电压信号，数字化磁通门信号采集电路包括电路结构相同的X轴、Y轴和Z轴信号采集电路；
所述信号采集电路包括第一电压跟随器、信号衰减模块、减法模块、第二电压跟随器、低通滤波模块、可编程增益放大模块、AD模块、MCU控制模块和DA反馈模块，第一电压跟随器、信号衰减模块、减法模块、第二电压跟随器、低通滤波模块、可编程增益放大模块、AD模块和MCU控制模块依次连接，MCU控制模块、DA反馈模块和减法模块依次连接构成反馈电路；MCU控制模块还与可编程增益放大模块连接；
所述球面型三轴磁通门传感器包括球面型三轴磁通门探头、激磁电路和信号处理电路；
所述球面型三轴磁通门探头包括无磁球芯、激磁绕线、检测绕线骨架、检测绕线、反馈绕线骨架和反馈绕线，所述无磁球芯是由三个可导磁的正方体环沿X轴、Y轴、Z轴方向相互正交形成，无磁球芯上绕置有多匝激磁绕线；所述检测绕线骨架上加工有沿X轴、Y轴、Z轴方向且相互正交的凹槽，检测绕线绕置在凹槽内，无磁球芯安装在检测绕线骨架的内腔中；所述反馈绕线骨架呈球形，其上刻有多条等宽、等高且不等深的绕线槽，反馈绕线绕置在三轴绕线槽内；反馈绕线骨架内部开有沿X轴、Y轴、Z轴方向的通孔，通孔的两端安装有可拆卸球盖，可拆卸球盖的外端面为平面，检测绕线骨架安装在反馈绕线骨架内且位于中心处；所述无磁球芯、检测绕线骨架和反馈绕线骨架的X轴、Y轴、Z轴同轴。
2.根据权利要求1所述的数字化球面型三轴磁通门磁力仪，其特征在于：所述MCU控制模块包括FPGA控制模块和STM32控制模块，FPGA 控制模块用于电路数据交互，STM32控制模块用于人机交互。
3.根据权利要求2所述的数字化球面型三轴磁通门磁力仪，其特征在于：所述可编程增益放大模块的增益是：FPGA模块实时接收AD模块传送的数字信号，并将数字信号对应的增益发送至可编程增益放大模块，对模拟信号进行增益放大。
4.根据权利要求1所述的数字化球面型三轴磁通门磁力仪，其特征在于：所述三轴绕线槽均沿各自的赤道面对称设置。
5.根据权利要求1 所述的数字化球面型三轴磁通门磁力仪，其特征在于：所述反馈绕线为单匝线圈。
6.根据权利要求1所述的数字化球面型三轴磁通门磁力仪，其特征在于：所述激磁电路与激磁绕线连接；激磁电路包括振荡器、分频器、高速电子隔离器、单稳态触发器和P-NMOS管H桥；所述振荡器分别与分频器和高速电子隔离器相连接，分频器后依次连接单稳态触发器和P-NMOS管H桥；其中，单稳态触发器用于将方波信号进行脉冲宽度调节，即调节无磁球芯的磁导通状态和磁饱和状态所占时间长短；P-NMOS管H桥提高电流驱动能力。
7.根据权利要求6所述的数字化球面型三轴磁通门磁力仪，其特征在于：所述信号处理电路前端与检测绕线连接，后端与反馈绕线连接；信号处理电路包括依次连接的仪表放大器、相敏解调器、积分器和伺服放大器，相敏解调器还与高速电子隔离器相连接；其中，伺服跨导放大器用于将模拟电压信号转换成两路大小相同的电流输出，即为反馈电流和最终输出电流，反馈电流输入至反馈绕线，最终输出电流输入接地电阻后输出模拟电压信号。
8.根据权利要求6所述的数字化球面型三轴磁通门磁力仪，其特征在于：所述单稳态触发器在引脚1和引脚2之间连接一个电容C1，引脚1与基准高电平VDD之间连接一个电阻R1，引脚14和引脚15之间连接一个电容C2，引脚14与基准高电平VDD之间连接一个电阻R2。
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