CN108693486A - 一种基于amr传感器的微弱低频磁信号检测方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于AMR传感器的微弱低频磁信号检测方法和系统，包括：AMR传感器模块，用于检测nT级别的微弱低频磁信号，利用双极性交流桥电压激励信号进行交流调制输出交流电压信号；激励通道模块，用于将单极性正弦信号转换为双极性交流桥电压激励信号；所述参考通道模块，用于对方波信号进行移相操作，得到方波信号；置位和复位模块，用于利用推挽输出特性，输出电流脉冲信号，信号通道模块，用于对交流电压信号依次进行放大、带通滤波、相敏解调和低通滤波，进而滤除相敏解调后的交流成分和传感器前级放大电路的本底噪声，得到微弱低频磁信号的有效成分。本发明的能够抑制噪声、抗干扰性强、对微弱低频磁场信号检测精度高。

Description

一种基于AMR传感器的微弱低频磁信号检测方法和系统

技术领域

本发明属于微弱低频磁场信号检测技术领域，更具体地，涉及一种基于AMR传感器的微弱低频磁信号检测方法和系统。

背景技术

磁异常探测是研究物理世界的重要手段，该技术广泛用于航磁测量、水下铁磁目标探测等领域。AMR传感器可以检测nT级别的微弱磁信号，相对于TMR、GMR等其他磁阻传感器有较好的噪声特性，同时AMR有较低的价格，因此成为低成本磁探测装置的首先。AMR磁传感器的基本结构由四个磁阻组成了惠斯通电桥，现有技术中采用直流桥电压激励AMR，传感器的调理电路由一级差分放大电路和一级低通滤波电路组成，当AMR传感器检测信号为低频微弱信号时，信号处理电路工作在低频带宽内，传感器的调理电路会受到放大器的低频1/f噪声和直流漂移等影响，因此会影响AMR传感器的磁场分辨率以及铁磁目标的探测精度。

由此可见，现有技术存在电路噪声干扰大、检测精度低的技术问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于AMR传感器的微弱低频磁信号检测方法和系统，由此解决现有技术存在电路噪声干扰、检测精度低的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于AMR传感器的微弱低频磁信号检测系统，包括：AMR传感器模块、激励通道模块、参考通道模块、置位和复位模块和信号通道模块；

所述AMR传感器模块，用于当电流脉冲信号经过时，产生一个瞬间强磁场，恢复AMR传感器的灵敏度，检测nT级别的微弱低频磁信号，利用双极性交流桥电压激励信号进行交流调制输出交流电压信号；

所述激励通道模块，用于将单极性正弦信号转换为双极性交流桥电压激励信号；

所述参考通道模块，用于对方波信号进行移相操作，得到相位为的方波信号；

所述置位和复位模块，用于利用推挽输出特性，输出电流脉冲信号，所述电流脉冲信号为2A-3A；

所述信号通道模块，用于对交流电压信号依次进行放大、带通滤波、相敏解调和低通滤波，进而滤除相敏解调后的交流成分和传感器前级放大电路的本底噪声，得到微弱低频磁信号的有效成分。

进一步地，激励通道模块包括D/A转换模块、放大和低通滤波模块，

所述D/A转换模块，用于第一定时器中断时，输出单极性正弦信号；

所述放大和低通滤波模块，用于对单极性正弦信号依次进行放大和低通滤波，输出双极性交流桥电压激励信号。

进一步地，参考通道模块包括PWM模块和移相模块，

所述PWM模块，用于第二定时器中断时，输出方波信号；

所述移相模块，用于对方波信号进行移相操作，得到相位为的方波信号。

进一步地，信号通道模块包括前置放大和带通滤波模块、相敏检测模块和低通滤波模块；

所述前置放大和带通滤波模块，用于对交流电压信号依次进行放大和带通滤波，得到相位为第一信号；

所述相敏检测模块，用于将相位为第一信号与相位为的方波信号相乘，得到有效成分为直流信号的第二信号；所述相敏检测模块采用基于电子开关式乘法器结构的相敏检测器。

所述低通滤波模块，用于滤除第二信号的交流成分和前级放大电路本底噪声，得到微弱低频磁信号的有效成分。

进一步地，系统还包括ADC模数转换模块，所述ADC模数转换模块，用于将微弱低频磁信号的有效成分转化为数字信号。

进一步地，系统还包括STM32微控制器模块，所述STM32微控制器模块包括第一定时器、第二定时器和串口模块，所述串口模块，用于进行串口通信传输数字信号。

按照本发明的另一方面，提供了一种基于AMR传感器的微弱低频磁信号检测方法，包括：

(1)利用双极性交流桥电压激励信号对nT级别的微弱低频磁信号进行交流调制，得到交流电压信号；

(2)对交流电压信号依次进行放大和带通滤波，得到相位为第一信号；将相位为第一信号与相位为的方波信号相乘，得到有效成分为直流信号的第二信号；滤除第二信号的交流成分和前级放大电路本底噪声，得到微弱低频磁信号的有效成分。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的交流桥电压激励AMR传感器的信号预处理方法，可以有效地滤出前级放大电路部分的低频1/f噪声，引入噪声低，有效地提高AMR传感器探测系统的信噪比。本发明系统能够抑制噪声、具有抗干扰性强、对微弱低频磁场信号检测精度高等优点，解决了基于直流桥电压激励下AMR传感器信号处理电路噪声干扰的问题，适用于水下运动铁磁目标的磁异常信号的检测。

(2)本发明的相敏检测模块采用的是基于电子开关式乘法器结构的相敏检测器，其独特的电子开关式乘法器结构可以减小相敏检测中的非线性失真。参考信号模块和移相模块分别通过STM32微控制器模块中的第一定时器和第二定时器完成，相较于模拟电路，节省电路成本，而且结构简单，成本低廉，易于实现。

(3)一般干扰磁场大于4～20高斯，AMR传感器模块中的磁阻传感器的灵敏度就会下降，所以本发明中利用瞬间脉冲电流流过AMR传感器内部线圈，产生一个瞬间强磁场，可以重新让AMR传感器恢复高灵敏度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于AMR传感器的微弱低频磁信号检测系统的结构示意图；

图2(a)是本发明实施例提供的一种基于AMR传感器的微弱低频磁信号检测方法的原理图；

图2(b)是本发明实施例提供的传感器输入信号频谱图；

图2(c)是本发明实施例提供的交流调制以后的输出信号频谱图；

图2(d)是本发明实施例提供的放大器噪声频谱图和经过放大器放大的调制信号频谱图；

图2(e)是本发明实施例提供的低通滤波以后的输出信号频谱图和调制后的放大器噪声频谱图；

图3为本发明实施例提供的相敏检测模块的示意图；

图4为本发明实施例提供的激励通道模块电路原理图；

图5为本发明实施例提供的前置放大和带通滤波模块电路原理图；

图6为本发明实施例提供的相敏检测模块电路原理图；

图7为本发明实施例提供的低通滤波模块电路原理图；

图8为本发明实施例提供的置位和复位模块电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，一种基于AMR传感器的微弱低频磁信号检测系统，包括激励通道模块1、参考通道模块2、置位和复位模块3、信号通道模块4、ADC模数转换模块5、STM32微控制器模块6和AMR传感器模块15；

所述AMR传感器模块15，用于当电流脉冲信号经过时，产生一个瞬间强磁场，恢复AMR传感器的灵敏度，检测nT级别的微弱低频磁信号，利用双极性交流桥电压激励信号进行交流调制输出交流电压信号；

所述激励通道模块1包括D/A转换模块7、放大和低通滤波模块8，

所述D/A转换模块7，用于第一定时器中断时，输出单极性正弦信号；

所述放大和低通滤波模块8，用于对单极性正弦信号依次进行放大和低通滤波，输出双极性交流桥电压激励信号。

所述参考通道模块2包括PWM模块9和移相模块10，

所述PWM模块9，用于第二定时器中断时，输出方波信号；

所述移相模块10，用于对方波信号进行移相操作，得到相位为的方波信号。

所述置位和复位模块3，用于利用推挽输出特性，输出电流脉冲信号，所述电流脉冲信号为2A-3A。

所述信号通道模块4包括前置放大和带通滤波模块11、相敏检测模块12和低通滤波模块13；

所述前置放大和带通滤波模块11，用于对交流电压信号依次进行放大和带通滤波，得到相位为第一信号；

所述相敏检测模块12，用于将相位为第一信号与相位为的方波信号相乘，得到有效成分为直流信号的第二信号；所述相敏检测模块采用基于电子开关式乘法器结构的相敏检测器。

所述低通滤波模块13，用于滤除第二信号的交流成分和前级放大器本底噪声，得到微弱低频磁信号的有效成分。

所述ADC模数转换模块5，用于将微弱低频磁信号的有效成分转化为数字信号。

STM32微控制器模块6包括第一定时器、第二定时器和串口模块14，所述串口模块，用于进行串口通信传输数字信号。

如图2(a)所示，一种基于AMR传感器的微弱低频磁信号检测方法，包括：

(1)S1为AMR传感器的输入信号，从图2(b)中可以看出，传感器的输入信号为nT级别的微弱低频信号，利用双极性交流桥电压激励信号对nT级别的微弱低频磁信号进行交流调制，得到交流电压信号，如图2(c)所示，为交流调制以后的输出信号S2的频谱图；可以发现S1经过调制，频谱迁移到调制频率f_c处。

(2)对交流电压信号进行放大，输出信号为S3(即为相位为第一信号)，如图2(d)所示，S3包含两部分信号的频谱，包括S2被放大以后的放大器噪声频谱和运算放大器本底噪声信号频谱，S3再经过频率为f_c的交流信号调制，输出信号为S4(即为将相位为第一信号与相位为的方波信号相乘，得到有效成分为直流信号的第二信号)，如图2(e)所示，被放大的S2相当于经过两次调制，因此信号频谱迁移到0Hz处和2f_c处，运算放大器本底噪声信号经过调制频谱迁移到f_c处。S4接着再经过低通滤波器，f_c、2f_c和3f_c处信号都将被滤出掉，因此有效地滤出放大器本底噪声，而低通滤波以后输出信号正好是微弱低频磁信号的有效成分。

如图3所示，当参考信号r(t)为方波信号，其中，方波的幅度为±V_r，角频率为被测信号V_s被与参考信号频率相同的载波信号调制后，获得的输入信号x(t)，可表示为x(t)＝V_s cos(ω₀t+θ)，由傅里叶级数可将r(t)展开为则x(t)和r(t)经过相敏检测模块输出为得到u_p(t)，

结果为前一项是差频项，后一项是和频项。经过低通滤波，可以看到，只有前一项差频项中n＝1的分量能够通过，其他分量均被滤除，LPF输出信号为

由式(2)可以知道，相敏检波模块的输出u_o(t)与V_sV_r的乘积项成正比，与输入信号和参考信号的相位差θ的余弦值成正比。

如图4所示，放大和低通滤波模块8所用的运算放大器为FET输入型运放AD823，该模块分为两级运算放大电路，第一级为反相比例放大电路，运放同相端加入直流偏置抬高输出信号，偏置信号由基准电压经过电阻R₆和电阻R₇分压得到。第二级为同相放大电路，同相输入端放置由电阻R₅和电容C₂组成的一阶无源低通滤波器。

如图5所示，前置放大和带通滤波模块11，所述的AMR传感器模块15输出信号为差分信号，模块11第一级为差分式放大电路，差分放大电路中的电阻选取1％精度的贴片电阻，第二级为带通滤波电路。模块11连接相敏检测模块12，因此带通滤波器可以避免过高频或者过低频的输入信号干扰，从而提高信噪比。

如图6所示，相敏检测模块12的核心元器件是AD630，AD630为电子开关式乘法器，其具有良好的线性度和动态范围。

如图7所示，低通滤波模块13，相敏检测模块12输出连接模块13，低通滤波器的等效带宽与锁定放大器。

如图8所示，置位和复位模块3，模块3的核心器件是IRF7106，通过IRF7106来完成正向电流脉冲和负向电流脉冲的交替输出。脉冲的时钟信号由STM32微控制器模块6提供。

直流桥电压激励下AMR传感器的磁场信号检测系统后级信号处理电路噪声较大，本发明的基于AMR传感器的微弱低频磁信号检测系统及方法，即采用交流桥电压激励AMR传感器，并在后级设计相敏检测电路来检出磁信号。结合图2～图8理论分析证明该方法可以有效的减少传感器信号调理电路噪声，经实际测量，磁探测节点的分辨率由15nT提高到7nT，信噪比改善24dB。本发明有利于提高整个系统的信噪比。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于AMR传感器的微弱低频磁信号检测系统，其特征在于，包括：AMR传感器模块、激励通道模块、参考通道模块、置位和复位模块和信号通道模块；

所述AMR传感器模块，用于当电流脉冲信号经过时，产生一个瞬间强磁场，恢复AMR传感器的灵敏度，检测nT级别的微弱低频磁信号，利用双极性交流桥电压激励信号进行交流调制输出交流电压信号；

所述激励通道模块，用于将单极性正弦信号转换为双极性交流桥电压激励信号；

所述参考通道模块，用于对方波信号进行移相操作，得到相位为的方波信号；

所述置位和复位模块，用于利用推挽输出特性，输出电流脉冲信号，所述电流脉冲信号为2A-3A；

所述信号通道模块，用于对交流电压信号依次进行放大、带通滤波、相敏解调和低通滤波，进而滤除相敏解调后的交流成分和传感器前级放大电路的本底噪声，得到微弱低频磁信号的有效成分。

2.如权利要求1所述的一种基于AMR传感器的微弱低频磁信号检测系统，其特征在于，所述激励通道模块包括D/A转换模块、放大和低通滤波模块，

所述D/A转换模块，用于第一定时器中断时，输出单极性正弦信号；

所述放大和低通滤波模块，用于对单极性正弦信号依次进行放大和低通滤波，输出双极性交流桥电压激励信号。

3.如权利要求1或2所述的一种基于AMR传感器的微弱低频磁信号检测系统，其特征在于，所述参考通道模块包括PWM模块和移相模块，

所述PWM模块，用于第二定时器中断时，输出方波信号；

所述移相模块，用于对方波信号进行移相操作，得到相位为的方波信号。

4.如权利要求1或2所述的一种基于AMR传感器的微弱低频磁信号检测系统，其特征在于，所述信号通道模块包括前置放大和带通滤波模块、相敏检测模块和低通滤波模块；

所述前置放大和带通滤波模块，用于对交流电压信号依次进行放大和带通滤波，得到相位为第一信号；

所述相敏检测模块，用于将相位为第一信号与相位为的方波信号相乘，得到有效成分为直流信号的第二信号；

所述低通滤波模块，用于滤除第二信号的交流成分和前级放大电路本底噪声，得到微弱低频磁信号的有效成分。

5.如权利要求4所述的一种基于AMR传感器的微弱低频磁信号检测系统，其特征在于，所述相敏检测模块采用基于电子开关式乘法器结构的相敏检测器。

6.如权利要求1或2所述的一种基于AMR传感器的微弱低频磁信号检测系统，其特征在于，所述系统还包括ADC模数转换模块，所述ADC模数转换模块，用于将微弱低频磁信号的有效成分转化为数字信号。

7.如权利要求1或2所述的一种基于AMR传感器的微弱低频磁信号检测系统，其特征在于，所述系统还包括STM32微控制器模块，所述STM32微控制器模块包括第一定时器、第二定时器和串口模块，所述串口模块，用于进行串口通信传输数字信号。

8.一种基于AMR传感器的微弱低频磁信号检测方法，其特征在于，包括：

(1)利用双极性交流桥电压激励信号对nT级别的微弱低频磁信号进行交流调制，得到交流电压信号；

(2)对交流电压信号依次进行放大和带通滤波，得到相位为第一信号；将相位为第一信号与相位为的方波信号相乘，得到有效成分为直流信号的第二信号；滤除第二信号的交流成分和前级放大电路本底噪声，得到微弱低频磁信号的有效成分。