CN108227016B - 面向埋地日遗化武的专用磁通门探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向埋地日遗化武的专用磁通门探测器，包括探头、激励模块选频模块和信号采集模块。所述探头包括探头输入端和探头输出端，用于感测外界磁场。所述激励模块与所述探头输入端连接，用于向所述探头输入激励信号。所述选频模块与所述探头输出端连接，用于检测所述探头产生的感应电压中的二次谐波信号。所述信号采集模块与所述选频模块连接。所述选频模块通过对所述探头输出端输出的所述感应电压处理得到二次谐波。所述信号采集模块通过对所述二次谐波进行信息处理得到被测磁场的强度，从而确定是否存在日遗化学武器。所述面向埋地日遗化武的专用磁通门探测器具有测量精度高，效率高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及探测领域，特别是涉及一种面向埋地日遗化武的专用磁通门探测器。
背景技术
二次世界大战末期，为了掩盖在中国使用化学武器的事实，日本政府在中国领土上遗弃了大量化学武器(简称“日遗化武”)，其中一部分通过在地下挖坑或山上挖洞的方式进行掩埋(简称“埋地日遗化武”)。历史资料表明，埋地日遗化武分布在包括黑龙江、吉林、辽宁、内蒙、山西、河北、北京、天津、安徽、江苏、浙江、江西、河南、湖北、湖南、广东、广西等地，随着生产活动的增加，发现点的数量还会继续增加。这些埋地日遗化武填充的毒剂主要包括芥子气、路易氏剂、二苯氰胂、二苯氯胂、光气、苯氯乙酮、溴化苄基、氢氰酸等，形成了剧毒的化学炮弹、化学航空炸弹、毒气筒、毒剂桶四大类，由于历经70年的侵蚀，埋地日遗化武锈蚀严重，大部分发生泄漏，对人民的生命财产安全和生态环境等造成了严重危害。然而日本政府至今仍以缺乏资料为由，拒向中国政府提供其掩埋在中国境内的化武数量及分布，因此对埋地日遗化武探测技术的研究具有非常重要的意义。
目标小且埋地深是埋地日遗化武的重要特点。四类埋地日遗化武的直径各不相同，但都不超过500mm。日遗化武化学炮弹的口径主要包括75mm、90mm、105mm、150mm四类；日遗化武化学航空炸弹直接一般是100mm和198mm；日遗化武毒气筒口径一般是290mm、114mm、50mm；日遗化武毒剂桶直径一般是470mm、400mm、325mm。这些小目标的日遗化武大多被深埋在2—5米的地下。个别散落的炮弹，深度为0—2米；但在河北唐山一个深达100米的废弃矿井中，也发现有日遗化武。
锈蚀严重是埋地日遗化武的另一个重要特点。日遗化武属于未爆弹，未爆弹可以分为未锈蚀、部分锈蚀和严重锈蚀。日遗化武被掩埋已超过70年，大多被严重锈蚀，其外壳不再以金属铁和钢为主要物质，取而代之的是以氧化铁和四氧化三铁为主的铁氧化物。多年的探测实践经验表明，现有的探测技术在探测锈蚀严重的日遗化武时存在精度不高，容易遗漏的问题。
发明内容
基于此，有必要针对传统的日遗化武探测器探测精度不高、容易遗漏的问题，提供一种探测精度高的面向埋地日遗化武的专用磁通门探测器。
一种面向埋地日遗化武的专用磁通门探测器，包括：
探头，包括探头输入端和探头输出端，用于感测外界磁场；
激励模块，与所述探头输入端连接，用于向所述探头输入激励信号；
选频模块，与所述探头输出端连接，用于检测所述探头产生的感应电压中的二次谐波信号；以及
信号采集模块，与所述选频模块连接。
在其中一个实施例中，所述激励模块包括：
波形发生电路；以及
功率放大电路，所述功率放大电路的输入端与所述波形发生电路的输出端连接，所述功率放大电路的输出端与所述探头输入端连接。
在其中一个实施例中，所述波形发生电路包括波形发生器，用于产生所述激励信号，所述激励信号经过所述功率放大电路放大后输入所述探头输入端。
在其中一个实施例中，所述激励模块还包括：
方波到尖顶三角波转换电路，连接于所述波形发生电路和功率放大电路之间；以及
所述波形发生电路产生的所述激励信号为方波信号，所述方波信号经过所述方波到尖顶三角波转换电路处理产生带尖顶的三角波激励信号，所述三角波激励信号通过所述功率放大电路放大处理。
在其中一个实施例中，所述方波到尖顶三角波转换电路和所述功率放大电路之间连接有隔离变压器，所述隔离变压器包括初级线圈和次级线圈，所述初级线圈与所述波形发生电路的输出端连接，所述次级线圈与所述功率放大电路的输入端连接。
在其中一个实施例中，所述功率放大电路包括依次连接的电压跟随器、前置放大器和功率放大器，所述次级线圈与所述电压跟随器连接。
在其中一个实施例中，所述选频模块包括谐振电路，所述谐振电路的输入端与所述探头输出端连接，所述谐振电路的谐振频率为所述激励信号的二次谐波频率，所述谐振电路输出的所述二次谐波信号输入所述信号采集单元进行信号处理。
在其中一个实施例中，所述选频模块包括：
仪器放大电路，所述仪器放大电路的输入端与所述谐振电路的输出端连接；
窄带带通滤波电路，所述窄带带通滤波电路的中心频率为所述激励信号的二次谐波频率，所述前置放大器的输入端与所述窄带带通滤波电路的输入端连接；以及
所述谐振电路输出的所述二次谐波信号输入所述仪器放大电路进行电压放大处理，再输入所述窄带带通滤波电路滤波处理后输入所述信号采集单元进行信号处理。
在其中一个实施例中，所述选频模块还包括输出端调零电路，所述输出端调零电路与所述仪器放大电路连接。
在其中一个实施例中，所述信号采集模块包括:
模数转换单元，用于将所述二次谐波信号转换为数字信号；以及
信号处理单元，用于处理所述数字信号得到被测磁场的强度。
本发明提供的面向埋地日遗化武的专用磁通门探测器通过探头探测外界磁场。通过选频模块检测所述探头产生的感应电压中的二次谐波信号。信号采集模块与所述选频模块连接。所述选频模块通过对所述探头输出端输出的所述感应电压处理得到二次谐波。所述信号采集模块通过对所述二次谐波进行信息处理得到被测磁场的强度，从而确定是否存在日遗化学武器，具有测量精度高，效率高的特点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的面向埋地日遗化武的专用磁通门探测器模块图；
图2为本发明实施例提供的探头结构示意图；
图3为本发明实施例提供的波形发生电路、方波到尖顶三角波转换电路的电路图；
图4为本发明实施例提供的功率放大电路的电路图；
图5为本发明实施例提供的仪器放大电路、输出端调零电路的电路图；
图6为本发明实施例提供的窄带带通滤波电路的电路图。
主要元件符号说明
面向埋地日遗化武的专用磁通门探测器10、探头100、探头输入端110、探头输出端120、磁芯130、激励线圈131、感应线圈132、激励模块200、波形发生电路210、波形发生器211、功率放大电路220、电压跟随器221、前置放大器222、功率放大器223、方波到尖顶三角波转换电路230、隔离变压器250、初级线圈251、次级线圈252、选频模块300、谐振电路310、仪器放大电路320、窄带带通滤波电路330、输出端调零电路340、信号采集模块400、模数转换单元410、信号处理单元420。
具体实施方式
为了使本发明的发明目的、技术方案及技术效果更加清楚明白，以下结合附图对本发明的具体实施例进行描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参见图1和图2，本发明实施例提供一种面向埋地日遗化武的专用磁通门探测器10。所述面向埋地日遗化武的专用磁通门探测器10包括探头100、激励模块200、选频模块300和信号采集模块400。所述探头100包括探头输入端110和探头输出端120。所述探头100用于感测外界磁场。所述激励模块200与所述探头输入端110连接，用于向所述探头100输入激励信号。所述选频模块300与所述探头输出端120连接，用于检测所述探头100产生的感应电压中的二次谐波信号。所述信号采集模块400与所述选频模块300连接。
所述探头100可以为差分结构。所述探头100可以包括两个间隔设置的磁芯130。每个所述磁芯包括相对的两端。两个所述磁芯130同向的一端可以通过同一根激励线圈131连接。所述激励线圈131可以作为所述探头输入端110。两个所述磁芯130的同向的另一端也可以通过一根感应线圈132缠绕连接。所述感应线圈132作为所述探头输出端120。所述磁芯可以为钴基非晶态软磁合金材料。所述钴基非晶态软磁合金材料具有高磁导率、低矫顽力以及低磁场饱和强度的优点。所述激励模块200可以通过所述激励线圈131输入所述激励信号。所述激励信号可以为交变磁场信号。两个所述磁芯130内部的磁场强度等于被测磁场强度与交变磁场信号之和。当被测磁场强度强度不为零时，所述感应线圈132中会感应出与被测磁场有关的感应电压。由于磁导率的调制作用，所述感应电压的二次谐波成分与被测磁场的强度成正比。因此，通过检测所述二次谐波信号即可获得被测磁场相关信息。所述选频模块300通过对所述探头输出端120输出的所述感应电压处理得到所述二次谐波。所述信号采集模块400通过对所述二次谐波进行信息处理得到被测磁场的强度。通过所述被测磁场的强度能够识别产生磁场的具体物质，从而能够判断是否为日遗化学武器。所述面向埋地日遗化武的专用磁通门探测器10通过检测感应电压的二次谐波辨别被测磁场的强度，具有精度高的优点，不容易遗漏的优点。
请参见图3和图4，在其中一个实施例中，所述激励模块200包括波形发生电路210、功率放大电路220。所述功率放大电路220的输入端与所述波形发生电路210的输出端连接。所述功率放大电路220的输出端与所述探头输入端110连接。所述波形发生电路210用于产生方形波或三角形波。所述三角形波可以作为所述激励信号输入所述探头100。所述方波可以转换为三角波输入所述探头100。
在其中一个实施例中，所述波形发生电路210包括波形发生器211。所述波形发生器211用于产生所述激励信号。所述激励信号经过所述功率放大电路220放大后输入所述探头输入端110。所述波形发生器211的型号可以为MAX038型的高精度函数发生器。所述MAX038型高精度函数发生器可以产生正弦波、方波及三角波，具有输出频率范围宽、温度漂移低、线性度高等优点。所述波形发生电路210还可以包括串联于接地线和所述函数发生器第8引脚之间的电位器RP2、电阻R4。所述波形发生电路210还可以包括串联于接地线和所述波形发生器211第10引脚之间的的电位器RP1、电阻R3。所述函数发生器的第7引脚、第6引脚接地。调整第7引脚的电位器Rp1可调整输出波形频率。所述函数发生器的第5引脚和接地线之间连接有电容C5。所述函数发生器利用第7引脚输入恒定的输入电流Iin对5脚所接电容C5充电和放电，进而形成振荡，产生三角波或者方波。所述函数发生器的第3引脚和第4引脚可以分别同电阻R2和电阻R1与接地线连接。所述第3引脚和第4引脚还可以分别与波形选择开关K连接。通过改变所述波形选择开关K的状态，可以在第19引脚输出不同形状的波形。
在其中一个实施例中，所述激励模块200还包括方波到尖顶三角波转换电路230。所述激励模块200连接于所述波形发生电路210和功率放大电路220之间。所述波形发生电路210产生的所述激励信号为方波信号。所述方波信号经过所述方波到尖顶三角波转换电路230处理产生带尖顶的三角波激励信号。所述三角波激励信号通过所述功率放大电路220放大处理。所述方波到尖顶三角波转换电路230包括运算放大器A2。所述运算放大器A2的反向输入端依次通过电阻R6、电阻R5与所述第19引脚连接。所述运算放大器A2的同向输入端依次通过电容C2、所述电阻R5与所述第19引脚连接。所述运算放大器A2的反向输入端通过电容C1与所述运算放大器A2的输出端连接。所述运算放大器A2的同向输还通过电阻RF接地。所述方波到尖顶三角波转换电路230的微分时间常数由C2和RF的乘积决定。而积分时间常数由R6和C1的乘积决定。从所述运算放大器A2输出端输出的是带尖顶的三角波。带尖顶的三角波能够减小剩磁引起的误差，具有更高的精度，激励效果更好。
请参见图4，在其中一个实施例中，所述方波到尖顶三角波转换电路230和所述功率放大电路220之间连接有隔离变压器250。所述隔离变压器250包括初级线圈251和次级线圈252。所述初级线圈251与所述波形发生电路210的输出端连接。所述次级线圈252与所述功率放大电路220的输入端连接。所述隔离变压器250用于电气隔离。
在其中一个实施例中，所述功率放大电路220包括依次连接的电压跟随器221、前置放大器222和功率放大器223，所述次级线圈252与所述电压跟随器221连接。所述次级线圈252的两端分别连接于所述压跟随器。所述前置放大器222用于放大电压。所述电压跟随器221的反向输入端与所述电压跟随器221的输出端连接。所述电压跟随器221的输出端通过耦合电容C6、电阻R7接地。所述电压跟随器221的输出端还通过耦合电容C6与所述前置放大器222的同向输入端连接。所述前置放大器222的反向输入端通过电阻R8接地。所述前置放大器222的同向输入端和所述前置放大器222的输出端通过电阻R9连接。所述前置放大器222的输出端通过耦合电容C7与所述功率放大器223的同向输入端连接。所述耦合电容C7通过电阻R10接地。所述功率放大器223的反向输入端通过电阻R11、电容C8接地。所述功率放大器223的反向输入端还通过电阻R12与所述功率放大器223的输出端连接。所述功率放大器223的输出端通过依次连接的电阻R13、电容C13接地。所述电阻R13、电容C13用于抑制高频杂讯。所述功率放大器223的输出端通过电容C10输出功率放大后的信号。所述电容C10具有滤波隔直的功能。所述功率放大器223可以为LM1875芯片。
在其中一个实施例中，所述选频模块300包括谐振电路310。所述谐振电路310的输入端与所述探头输出端120连接。所述谐振电路310的谐振频率为所述激励信号的二次谐波频率。所述谐振电路310输出的所述二次谐波信号输入所述信号采集单元进行信号处理。所述谐振电路310包括连接在所述感应线圈两端的电容C15。所述谐振电路310可以为RLC谐振电路310。
请参见图5和图6，在其中一个实施例中，所述选频模块300包括仪器放大电路320、窄带带通滤波电路330。所述仪器放大电路320的输入端与所述谐振电路310的输出端连接。所述窄带带通滤波电路330的中心频率为所述激励信号的二次谐波频率。所述前置放大器222的输入端与所述窄带带通滤波电路330的输入端连接。所述谐振电路310输出的所述二次谐波信号输入所述仪器放大电路320进行电压放大处理，再输入所述窄带带通滤波电路330滤波处理后输入所述信号采集单元进行信号处理。所述仪器放大电路320可以包括具有低噪声、低失调功能的仪器放大器A6。所述仪器放大器A6包括芯片INA101M。所述芯片INA101M内可以包括两个接成同相结构的运算放大器和一个接成差动结构的运算放大器，该结构有利于进一步抑制探头100输出的噪声信号。所述仪器放大器A6可以连接有电阻RG。所述仪器放大器A6的电压放大倍数等于(1+40K/RG)。调整所述电阻RG可调整所述仪器放大电路320的放大倍数。
请参见图6，所述窄带带通滤波电路330为无限增益多反馈环路型有源滤波电路。所述窄带带通滤波电路330包括运算放大器A8。电阻R15和电容C12依次连接于所述运算放大器A8的反向输入端。所述电容C11的一端连接于所述电阻R15和电容C12之间。所述电容C11的另一端与所述运算放大器A8的输出端连接。所述电容C11还通过电阻R18与所述运算放大器A8的反向输入端连接。电阻R17一端连接于电阻R15和电容C12之间，另一端接地。所述电阻R15用于与所述仪器放大电路320的输出端连接。所述窄带带通滤波电路330的中心频率由C11、C12、R17、R18参数大小决定，大小等于滤波电路中通过R16引入了大环路正反馈，有利于提高信号品质。
在其中一个实施例中，所述选频模块300还包括输出端调零电路340。所述输出端调零电路340与所述仪器放大电路320的调零接口连接。所述输出端调零电路340用于使所述仪器放大电路320归零，以提高输出信号的精确度。所述输出端调零电路340还包括运算放大器A7。所述运算放大器A7的反向输入端连接于所述仪器放大器A6的调零接口，并与所述运算放大器A7的输出端连接。所述运算放大器A7的同向输入端通过电阻R14接地，并通过电阻R13、RP3连接于电源。
在其中一个实施例中，所述信号采集模块400包括模数转换单元410、信号处理单元420。所述模数转换单元410用于将所述二次谐波信号转换为数字信号。所述信号处理单元420用于处理所述数字信号得到被测磁场的强度。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种面向埋地日遗化武的专用磁通门探测器，其特征在于，包括：
探头(100)，包括探头输入端(110)和探头输出端(120)，用于感测外界磁场；
激励模块(200)，与所述探头输入端(110)连接，用于向所述探头(100)输入激励信号；
选频模块(300)，与所述探头输出端(120)连接，用于检测所述探头(100)产生的感应电压中的二次谐波信号；以及
信号采集模块(400)，与所述选频模块(300)连接；
所述激励模块(200)包括：
波形发生电路(210)；以及
功率放大电路(220)，所述功率放大电路(220)的输入端与所述波形发生电路(210)的输出端连接，所述功率放大电路(220)的输出端与所述探头输入端(110)连接；
方波到尖顶三角波转换电路(230)，连接于所述波形发生电路(210)和功率放大电路(220)之间；以及
所述波形发生电路(210)产生的所述激励信号为方波信号，所述方波信号经过所述方波到尖顶三角波转换电路(230)处理产生带尖顶的三角波激励信号，所述三角波激励信号通过所述功率放大电路(220)放大处理。
2.如权利要求1所述的面向埋地日遗化武的专用磁通门探测器，其特征在于，所述波形发生电路(210)包括波形发生器(211)，用于产生所述激励信号，所述激励信号经过所述功率放大电路(220)放大后输入所述探头输入端(110)。
3.如权利要求1所述的面向埋地日遗化武的专用磁通门探测器，其特征在于，所述方波到尖顶三角波转换电路(230)和所述功率放大电路(220)之间连接有隔离变压器(250)，所述隔离变压器(250)包括初级线圈(251)和次级线圈(252)，所述初级线圈(251)与所述波形发生电路(210)的输出端连接，所述次级线圈(252)与所述功率放大电路(220)的输入端连接。
4.如权利要求3所述的面向埋地日遗化武的专用磁通门探测器，其特征在于，所述功率放大电路(220)包括依次连接的电压跟随器(221)、前置放大器(222)和功率放大器(223)，所述次级线圈(252)与所述电压跟随器(221)连接。
5.如权利要求4所述的面向埋地日遗化武的专用磁通门探测器，其特征在于，所述选频模块(300)包括谐振电路(310)，所述谐振电路(310)的输入端与所述探头输出端(120)连接，所述谐振电路(310)的谐振频率为所述激励信号的二次谐波频率，所述谐振电路(310)输出的所述二次谐波信号输入所述信号采集模块(400)进行信号处理。
6.如权利要求5所述的面向埋地日遗化武的专用磁通门探测器，其特征在于，所述选频模块(300)包括：
仪器放大电路(320)，所述仪器放大电路(320)的输入端与所述谐振电路(310)的输出端连接；
窄带带通滤波电路(330)，所述窄带带通滤波电路(330)的中心频率为所述激励信号的二次谐波频率，所述前置放大器(222)的输入端与所述窄带带通滤波电路(330)的输入端连接；以及
所述谐振电路(310)输出的所述二次谐波信号输入所述仪器放大电路(320)进行电压放大处理，再输入所述窄带带通滤波电路(330)滤波处理后输入所述信号采集模块(400)进行信号处理。
7.如权利要求6所述的面向埋地日遗化武的专用磁通门探测器，其特征在于，所述选频模块(300)还包括输出端调零电路(340)，所述输出端调零电路(340)与所述仪器放大电路(320)连接。
8.如权利要求1所述的面向埋地日遗化武的专用磁通门探测器，其特征在于，所述信号采集模块(400)包括:
模数转换单元(410)，用于将所述二次谐波信号转换为数字信号；以及
信号处理单元(420)，用于处理所述数字信号得到被测磁场的强度。
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