CN109001818A - 隧道磁电阻海洋梯度磁力仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道磁电阻海洋梯度磁力仪，包括至少两个隧道磁电阻磁场信息探测单元、和隧道磁电阻磁场信息探测单元数量相等的PCB运算放大电路板、电池电源、无磁水密罐、水密接插件和水下电缆；PCB运算放大电路板沿着水密罐的高度方向平行等距设置在所述的无磁水密罐内，每个PCB运算放大电路板上设置有一个隧道磁电阻磁场信息探测单元和三个运算放大器，电池电源设置在所述的无磁水密罐内，并对隧道磁电阻磁场信息探测单元和运算放大电路供电；水下电缆通过水密接插件与PCB运算放大电路板相连；本发明是一种矢量海洋磁力仪，可以捕捉到磁场三维信息，通过梯度计的设计可以消除水下共模环境噪音，提高信噪比。

Description

隧道磁电阻海洋梯度磁力仪

技术领域

本发明涉及一种海洋磁力梯度计，特别是一种隧道磁电阻海洋梯度磁力仪，属于海洋地球物理勘探设备领域。

背景技术

海洋磁场探测是人类认识和开发海洋的重要手段，以海底岩石的磁性差异为前提，根据磁异常场的特征及其分布规律了解海底岩石磁性不均匀性，进而推断地壳结构和构造，洋底生成和演化历史，并可勘查大陆边缘地区的矿产分布如石油、天然气等矿产资源的分布。其次，海洋磁场探测在保证航海安全，海洋工程建设和海上救援等方面有着重要的意义，如沉船、管线、水雷等的排查和搜索等。

随着薄膜技术和材料科学的不断发展，基于各种物理效应的高性能固态磁传感器逐渐进入产业化和商用阶段。基于半导体镀膜工艺和封装工艺的飞速发展，磁阻传感器也不断在技术上推陈出新，包括霍尔元件，各向异性磁电阻(AMR)、巨磁电阻(GMR)和量子隧穿磁电阻(TMR)传感器。隧穿效应基于量子粒子的波动性，1995年，Miyazaki等发现Fe/Al2O3/Fe基磁隧道结在室温下的TMR值高达18％，低温下为30％，揭开了TMR研究的新篇章；2007年,Y.M Lee等将溅射法制备的CoFeB/MgO/CoFeB基MTJ的室温TMR值提高到500％,5K低温时可达到1010％。十多年的基础理论研究为TMR磁传感器的实际应用铺平了道路。2008年美国NVE公司成功研制出第一颗TMR磁传感器，随后该生产技术专利被日本的TDK株式会社所承包。近年来我国磁阻传感器尤其是TMR磁阻传感器有了长足的发展，江苏多维科技有限公司(MDT)于2016年1月发布了世界上首款超低噪音、超小型量子隧道磁传感器TMR900x系列，实现了毫米级的超小封装，兼备150pT/rtHz的超低噪声特性和300mV/V/Oe的超高灵敏度，目前已量产处于商业化阶段。2018年1月，日本TDK公司与旭化成微电子株式会社(AKM)联合发布了首款高精度三轴TMR磁力计，将TDK公司开发的高度灵敏TMR元件与AKM公司设计的先进电子罗盘ASIC组合到一个小型LGA 11针封装内，尺寸仅为1.6毫米x 1.6毫米x 0.6毫米。

发明内容

针对上述现有技术，本发明的目的是提供一种灵敏度高、功耗低、常温工作、小巧轻便，适合于水下磁场测量的隧道磁电阻海洋梯度磁力仪。

为实现上述目的，本发明一种隧道磁电阻海洋梯度磁力仪，包括两个隧道磁电阻磁场信息探测单元、2个PCB运算放大电路板、电池电源、无磁水密罐、水密接插件和水下电缆；

PCB运算放大电路板沿着水密罐的高度方向平行设置在所述的无磁水密罐内，每个PCB运算放大电路板上设置有一个隧道磁电阻磁场信息探测单元和三个运算放大器，电池电源设置在所述的无磁水密罐内，并对隧道磁电阻磁场信息探测单元和运算放大电路供电；水下电缆通过水密接插件与PCB运算放大电路板相连；

隧道磁电阻磁场信息探测单元包括隧道磁电阻敏感元器件，隧道磁电阻敏感元器件检测外界磁场在相互正交的X轴方向、Y轴方向和Z轴方向上产生的磁场分量、并将X轴方向，Y轴方向和Z轴方向上产生的磁场分量转化为三路电压输出信号，X轴、Y轴、Z轴构成建立在隧道磁电阻磁场信息探测单元上的矢量坐标系，隧道磁电阻磁场信息探测单元设置有八个引脚，其中的六个引脚分别为X轴模拟差分输出正、X轴模拟差分输出负、Y轴模拟差分输出正、Y轴模拟差分输出负、Z轴模拟差分输出正和Z轴模拟差分输出负，剩余的两个引脚分别为电源Vcc和接地GND；

隧道磁电阻磁场信息探测单元输出的三路电压信号通过水下电缆输出。

本发明一种隧道磁电阻海洋梯度磁力仪还包括：

1.运算放大器包含滤波电路模块和信号放大电路模块。

2.隧道磁电阻敏感元器件为三个相互正交的隧道磁电阻单轴单芯片敏感元件或者集成在单个封装体内的三轴隧道磁电阻敏感元件。

本发明有益效果：本发明的隧道磁电阻海洋梯度磁力仪，是一种矢量海洋磁力仪，可以捕捉到磁场三维信息，其灵敏度高、功耗低、常温工作、小巧轻便，适合于水下磁场测量。采用多个TMR磁传感器组合成梯度系统，可以获得磁场变化的梯度场，磁场变化的梯度量值随距离增大衰减的速度更快，梯度值变化更明显。而且，梯度计的设计可以有效的降低环境共模噪音，提高信噪比，增强磁力仪实际使用的探测灵敏度。可以满足水下长时间测量的需求，达到在无需水下电缆供电的条件下连续工作6个月以上的要求，可以进行矢量磁信号的探测。本发明功耗低，体积小，操作简单，易携带，可进行水下大范围磁场信息收集。本发明为三维矢量传感，可以同时收集三维空间内的磁场信息，灵敏度分别为35V/Oe。本发明具有低功耗的特点，矢量TMR海洋磁力仪的功耗为9mW。

附图说明

图1是所述发明方案隧道磁电阻海洋梯度磁力仪总体结构示意图；

图2是所述发明方案中PCB电路板结构示意图；

图3是所述发明方案中采用三个TMR单轴敏感元件构成的矢量TMR磁场信息探测单元；

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明实例中的技术方案进行详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施者，本领域普通技术人员在没有做出创作性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1是所示为本发明的一种隧道磁电阻海洋梯度磁力仪结构示意图，包括至少两个隧道磁电阻(TMR)磁场信息探测单元14、PCB电路板13、锂电池电源16、无磁水密罐12、水密接插件11和水下电缆17；无磁水密罐12内部装有TMR磁场信息探测单元14、PCB电路板13和电池电源16；TMR磁场信息探测单元14安装在PCB电路板13的上方；两个锂电池电源16安放在无磁水密罐12的底部，通过导线15与两个PCB电路板13相连接；PCB电路板13的输出信号经过水密接插件11与水下电缆17相连接，将探测到的磁场信息输出。

图1所示的PCB电路板13如图2所示：包括一个采用三个TMR单轴敏感元件构成的矢量TMR磁场信息探测单元14，三个运算放大器21。

图1所示的TMR磁场信息探测单元14如图3所示：包括三个TMR单轴敏感元件141、142和143，三个TMR单轴敏感元件141、142和143相互正交。三个TMR单轴敏感元件141、142和143同时感知外界磁场在正交的三个方向X、Y、Z上产生的磁场分量，并将其转化为三路电压输出；引脚144、145、146、147、148、149分别代表X轴模拟差分输出正、X轴模拟差分输出负、Y轴模拟差分输出正、Y轴模拟差分输出负、Z轴模拟差分输出正和Z轴模拟差分输出负；引脚150和151分别代表电源Vcc和接地GND。

运算放大器21包含滤波电路模块和直流信号放大电路模块，运算放大器21将电压输出信号放大到信号采集输入相匹配的水平。

采用两个TMR磁信息探测单元组成梯度计的形式，主要用于磁场梯度场的测量，其突出特点是磁场梯度值随距离的衰减变化更快，而且可以去除环境共模噪音的干扰，使得磁信息探测元件的实际探测能力增加。

采用三维TMR磁传感器作为探头，其突出特点是可以捕获磁场矢量数值，而不是标量总场，不仅可以完成对目标物探测的初级目的，还可以进一步的用于目标的识别和定位的作用。

本发明具体实施方式还包括：

一种隧道磁电阻海洋梯度磁力仪，包括至少两个隧道磁电阻(TMR)磁场信息探测单元、运算放大电路板、电池电源、无磁水密罐、水密接插件和水下电缆。TMR磁场信息探测单元为三维矢量磁传感器，两个TMR磁场信息探测单元分别安装在所述的运算放大电路板上，运算放大电路板按照一定的基线距离沿着Z-轴方向平行放置在所述的无磁水密罐内，锂电池电源也放置在所述的无磁水密罐内，用于对TMR敏感元件和电路的供电。

具体的，TMR传感器检测水下环境的磁场特征，并产生相应的输出信号。

水下电缆通过所述的水密接插件将TMR磁传感器探测到的电压模拟信号输出。

TMR磁场信息探测单元为TMR三轴单芯片敏感元件或者集成在单个封装体内的三轴TMR敏感元件。

TMR磁场信息探测单元的个数至少为两个，所述的TMR传感器按照一定的设计排列成一种阵列，每个TMR磁场信息探测单元之间的距离为基线距离，在后续信号处理中会用于磁场梯度值的分析。

无磁水密罐的材料为铝合金。

运算放大电路为了提高传感器的输出阻抗，降低前端放大电路对电桥的影响，对电桥输出进行差分处理,再采用仪表级放大器AD8422进行单端电压输出。

放大器AD8422运放芯片用作运算放大器，低电压噪声和低电流噪声特性使AD8422成为测量惠斯登电桥的理想选择，关键性能包括：8nV/√Hz@1kHz的低噪音；宽电源电压范围3.6V至36V单电源，需要额外提供一个基准电压，基准电压的产生需要专门的芯片提供；或者±1.8V至±18V双电源，不需要提供基准电压。

电路板整体采用±9V双极镍氢电池供电，其中TMR芯片的供电采用的电阻分压法，分压值为+9V的二分之一，即Vcc-TMR＝4.5V，放大芯片8422采用的是双极性供电，即Vcc-amp＝±9V。

TMR海洋磁力梯度仪包括水密电缆，水密电缆经过水密无磁水密罐盖子上的水密接插件与内部的电路板相连。

Claims (3)

1.一种隧道磁电阻海洋梯度磁力仪，其特征在于：包括两个隧道磁电阻磁场信息探测单元、2个PCB运算放大电路板、电池电源、无磁水密罐、水密接插件和水下电缆；

所述的PCB运算放大电路板沿着水密罐的高度方向平行设置在所述的无磁水密罐内，每个PCB运算放大电路板上设置有一个隧道磁电阻磁场信息探测单元和三个运算放大器，所述的电池电源设置在所述的无磁水密罐内，并对隧道磁电阻磁场信息探测单元和运算放大电路供电；水下电缆通过水密接插件与PCB运算放大电路板相连；

所述的隧道磁电阻磁场信息探测单元包括隧道磁电阻敏感元器件，隧道磁电阻敏感元器件检测外界磁场在相互正交的X轴方向、Y轴方向和Z轴方向上产生的磁场分量、并将X轴方向，Y轴方向和Z轴方向上产生的磁场分量转化为三路电压输出信号，X轴、Y轴、Z轴构成建立在隧道磁电阻磁场信息探测单元上的矢量坐标系，隧道磁电阻磁场信息探测单元设置有八个引脚，其中的六个引脚分别为X轴模拟差分输出正、X轴模拟差分输出负、Y轴模拟差分输出正、Y轴模拟差分输出负、Z轴模拟差分输出正和Z轴模拟差分输出负，剩余的两个引脚分别为电源Vcc和接地GND；

所述的隧道磁电阻磁场信息探测单元输出的三路电压信号通过水下电缆输出。

2.根据权利要求所述的一种隧道磁电阻海洋梯度磁力仪，其特征在于：所述的运算放大器包含滤波电路模块和信号放大电路模块。

3.根据权利要求1所述的一种隧道磁电阻海洋梯度磁力仪，其特征在于：所述的隧道磁电阻敏感元器件为三个相互正交的隧道磁电阻单轴单芯片敏感元件或者集成在单个封装体内的三轴隧道磁电阻敏感元件。