CN110693495A - 一种高精度磁矢量检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高精度磁矢量检测装置及方法，包括敏感器件、GMI信号处理器、信号处理器与发射器，所述GMI信号处理器接收信号处理器与发射器发出的信号并将信号发送至敏感器件，所述敏感器件包括信号发生和处理电路、敏感组件、前置放大电路、检波电路、滤波电路、差分运算电路、V/I转换电路和反馈电路，所述敏感组件包括敏感元件和线圈，若干个敏感元件之间按三维矩阵的方式排列并以串并联组合的方式连接。本发明一种高精度磁矢量检测装置及方法，实现长期脑部磁场信息的检测和收集，提高脑部磁场信息检测的灵敏度、精确度和检测范围，并且其体积小，可穿戴，收集脑部信息面更广。

Description

一种高精度磁矢量检测装置及方法

技术领域

本发明涉及脑部信息检测与收集的技术领域，特别涉及一种高精度磁矢量检测装置及方法。

背景技术

脑部磁场信息可用于对脑部情况进行探测、检测与内部变化的感测应用。目前市场上对于脑部检测或脑部信息收集常见的有核磁共振设备扫描脑部的方式，脑波接收装置接收脑波及脑波信息，以及侵入式的脑部探针或探针矩阵来接收脑波,但是核磁共振设备利用强磁检测原理，受到许多的限制，如空间、强磁场和观测时间等等，长时间观测对大脑具有一定的损伤，脑波接收装置利用脑部发出电波的原理对脑部进行提取，但是受到头骨与脑脊液的屏蔽与干扰，其提取信息的精准度和信息接收能力不高，侵入式探针对脑波有更好的接收能力，但需要在头骨内植入探针，用专业的设备进行手术，风险大，因此到目前为止仍然没有可长期非侵入式直接观察脑内部发生变化与信息收集、传输的技术，尤其脑部有头骨与脑脊液对脑部的保护，更是难以探测到精确的数据，这始终是困扰人类的难题。

基于上述问题，需要开发出一种能够对脑部信息进行长期检测与收集的设备。

磁矢量是物质和空间的一个基本物理量，看不见测得到。人类对磁矢量的本质和应用技术一直进行着不懈的探索和研究。随着其测量精度和范围的提高，进而推动科学技术进步，造福人类社会。通过磁测量方法对脑部信息探测等研究的核心是对磁矢量具有高精度的探测研究器件，其中的关键仍然是制备出适用于以上特定环境的磁敏感材料，并根据环境要求对信号处理系统进行优化设计，还需要满足小型化和轻量化的要求。在对磁场众多的检测技术中，对磁场变化有超敏感性的以磁性材料为核心的前沿技术近年来得到广泛关注，基于超软磁导电合金材料的巨磁阻抗效应检测器，目前的检测范围为零点几纳特到几毫特，灵敏度可达几十纳特；

但是对脑部磁场信息的检测和收集要求器件具有极高的灵敏度和具有较宽的检测范围，巨磁阻抗效应检测器的检测精度和范围受到一定的限制，磁场检测的灵敏度和检测精度还需要进一步的提高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种高精度磁矢量检测装置及方法，实现长期脑部磁场信息的检测和收集，提高脑部磁场信息检测的灵敏度、精确度和检测范围，并且其体积小，可穿戴，收集脑部信息面更广。

为实现上述目的，本发明提出了一种高精度磁矢量检测装置，包括敏感器件、GMI信号处理器、信号处理器与发射器，所述GMI信号处理器接收信号处理器与发射器发出的信号并将信号发送至敏感器件，所述敏感器件包括信号发生电路、敏感组件、前置放大电路、检波电路、滤波电路、差分运算电路、V/I转换电路和反馈电路，所述信号发生电路分为矩形波信号发生电路和正弦波发生电路，接收GMI信号处理器发出的信号，并产生高频交流激励信号所需的基准信号，所述敏感组件包括敏感元件和线圈，所述线圈输入端与信号发生电路的输出端电连接，激励信号通过线圈施加到敏感元件上，敏感元件产生巨磁阻抗效应，并将巨磁阻抗效应产生的信号输出至前置放大电路，所述前置放大电路用于对线圈输出的微弱信号进行放大并抑制噪声，其输出端与检波电路的输入端电连接，所述检波电路对线圈输出的信号进行解调，其输出端与滤波电路的输入端电连接，所述滤波电路对峰值检波电路的输出信号进行平滑处理，输出敏感元件两端的峰值电压，其输出端与差分电路的输入端电连接，所述差分运算电路将敏感元件两端的峰值电压进行差分运算，得到敏感器件的输出电压信号，其输出端与V/I转换电路电连接，所述V/I转换电路将敏感器件的电压信号转化为电流信号，其输出端与反馈电路电连接，所述反馈电路包括反馈线圈，反馈线圈接收电流信号产生反馈磁场，反馈至GMI信号处理器进行信号的分析处理，GMI信号处理器将处理后的信号反馈至信号处理器与发射器，进行综合信号处理。

通过敏感器件、GMI信号处理器、信号处理器与发射器的相互配合作用，能够对敏感器件收集的信号进行及时分析处理，同时闭合回路的设置，提高敏感器件信息收集的稳定与放大效用，可以长期对脑部磁场信息进行收集，且不会对脑部产生损坏；通过信号发生电路、敏感组件、前置放大电路、检波电路、滤波电路、差分运算电路、V/I转换电路和反馈电路的相互配合作用，能够极大地提高磁场的检测范围，当系统的闭环增益足够高时，敏感器件的输出电压仅取决于反馈回路，且与被测磁场之间呈线性关系，而不受外界因素的影响，因此通过设置反馈电路，敏感器件的性能指标如非线性误差、温度稳定性，线性量程以及频带宽可以得到改善；通过在敏感元件上绕有线圈，这样的设置使得激励信号不直接通入敏感元件，而是先经过一个绕在其表面的线圈，这样可以产生阻抗变化的非对称特性，从而极大地提高敏感元件对磁场的灵敏程度，同时激励信号晶格线圈后，又直接对用作磁芯的敏感元件通电激励。这样纵向励磁变为圆周励磁，减小了退磁场的影响，同时激励磁场与反馈磁场、偏置磁场方向垂直，互不干扰，利于系统的调试与标定。

作为优选，所述敏感元件设有若干个，若干个所述敏感元件按三维矩阵的方式排列并以串并联组合的方式连接。通过将敏感元件的排列设置为三维空间阵列化，使其具有三维测定功能以及自校准功能，并大幅度提高磁矢量灵敏性，而且透过全包覆或半包覆方式形成的三维矩阵的敏感元件不受检测目标形状的限制。

作为优选，所述反馈电路还包括取样电阻，所述取样电阻为温度系数低的精密金属膜电阻。通过设置电阻，方便对敏感器件的输出电压进行检测，得到敏感器件输出电压的影响因素，更好的对敏感器件的性能指标进行调解。

作为优选，所述敏感元件为铁钴系超软磁非晶纳米晶合金。铁钴系超软磁非晶纳米晶合金其磁性较弱，但磁导率极高，能够提高磁场信息收集效力。

作为优选，所述前置放大电路包括前级放大电路和后级放大电路，所述前级放大电路同向比例放大，高输入阻抗，低输出阻抗，所述后级放大电路反向比例放大，将负的直流信号放大为正的直流信号。通过设置前级放大电路和后级放大电路，将巨磁阻抗效应产生的弱磁信号经两级放大后传输，减弱干扰信号的影响，提高信噪比。

作为优选，所述敏感组件的上方还设置有偏置线圈。感应敏感组件产生的磁场并对其磁场进行校正及过滤，提高敏感组件运行的准确度。

一种高精度磁矢量检测方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一，敏感器件的放置：将多个敏感器件分别安放在大脑的不同区域形成多个检测模块；

步骤二，信号的发射：信号处理器与发射器发送信号至每个与敏感器件连接的GMI信号处理器，GMI信号处理器接收信号后发送至相对应的敏感器件；

步骤三，敏感器件磁场信息的独立读取与检测：

（1）信号发生电路接收GMI信号处理器发出的信号，并产生高频交流激励信号所需的基准信号，

（2）激励信号首先晶格线圈，然后直接对敏感元件通电激励，产生巨磁阻抗效应，将巨磁阻抗效应产生的信号输出至前置放大电路，

（3）前置放大电路用于对敏感元件输出的微弱信号进行放大并抑制噪声，

（4）经过放大后的微弱信号经检波电路进行解调，

（5）滤波电路对解调后的信号进行平滑处理，输出敏感元件两端的峰值电压，

（6）差分运算电路将敏感元件两端的峰值电压进行差分运算，得到敏感器件的输出电压信号，

（7）V/I转换电路将敏感器件的电压信号转化为电流信号，

（8）反馈电路接收电流信号产生反馈磁场，反馈至GMI信号处理器进行磁场信号的分析处理，

步骤四，综合信号的处理：各个GMI信号处理器将处理后的信号分别发送至信号处理器与发射器，进行磁场信号的综合分析处理。

通过将多个敏感器件分别安放在大脑各个区域形成各个检测模块，信号处理器与发射器发送电磁波信号至各个GMI信号处理器，每个GMI信号处理器接收信号后发送至相对应的敏感器件，敏感器件对大脑各个区域的磁场信息进行读取和检测，再将检测到的信息反馈至GMI信号处理器形成闭合回路，各个检测模块单独检测便于检测不同频率电磁波对磁场和高频电场的独立相应，提高磁场测量的可靠性，最后将各个检测模块检测的信号通过信号处理器与发射器进行综合信号处理，不仅检测精度高，稳定性好，而且受外界的影响较少。

作为优选，在步骤（1）中，多个敏感器件以全包覆或半包覆的方式形成三维矩阵均匀分布在大脑的各个区域，并进行自我校准，包括位置的自我校准。这样的分布测量方式使得敏感器件具有三维测定功能及自校准功能，能够大幅度提高对磁场检测的灵敏度。

作为优选，在步骤三中，前置放大电路对敏感元件输出的微弱信号首先进行同向比例放大，高输入阻抗，低输出阻抗，然后将负的直流信号放大为正的直流信号。将巨磁阻抗效应产生的弱磁信号经过两次放大后传输，能够有效的减弱干扰信号的影响，提高信噪比。

本发明的有益效果：

1.通过敏感器件、GMI信号处理器、信号处理器与发射器的相互配合作用，利用巨磁阻抗效应产生的弱磁对大脑磁场进行收集和检测，同时闭合回路的设置，提高敏感器件信息收集的稳定与放大效用，而且可以长期对脑部磁场信息进行收集，且不会对脑部产生损坏；

2.通过信号发生电路、敏感组件、前置放大电路、检波电路、滤波电路、差分运算电路、V/I转换电路和反馈电路的相互配合作用，能够极大地提高磁场的检测范围且敏感器件的性能指标如非线性误差、温度稳定性，线性量程以及频带宽可以得到改善；

3.通过在敏感元件上绕有线圈，可以产生阻抗变化的非对称特性，从而极大地提高敏感元件对磁场的灵敏程度，同时激励信号晶格线圈后，又直接对用作磁芯的敏感元件通电激励。这样纵向励磁变为圆周励磁，减小了退磁场的影响，同时激励磁场与反馈磁场、偏置磁场方向垂直，互不干扰，利于系统的调试与标定；

4.本发明利用具有巨磁阻抗效应的敏感元件兼具微小型化的特点，实现重大仪器在不降低其检测范围和精度的前提下将其微小型化，穿戴方便，不受空间的限制，便于检测。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是敏感器件的三维空间阵列结构示意图。

图3是本发明实施例敏感器件的结构原理图。

图4是前置放大电路图。

图5是检波电路图。

图6是滤波电路图。

图7是差分运算电路图。

图8是V/I转换电路图。

图中：1-信号发生电路、2-敏感组件、3-前置放大电路、4-检波电路、5-滤波电路、6-差分运算电路、7-V/I转换电路、8-反馈电路、9-偏置线圈、10-敏感器件、11-GMI信号处理器、12-信号处理器与发射器、21-敏感元件、22-线圈、31-前级放大电路、32-后级放大电路、81-反馈线圈、82-取样电阻R_f。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

如图1至图3所示，本发明一种高精度磁矢量检测装置及方法，包括敏感器件10、GMI信号处理器11、信号处理器与发射器12，

所述GMI信号处理器11接收信号处理器与发射器12发出的信号并将信号发送至敏感器件10，所述敏感器件10包括信号发生电路1、敏感组件2、前置放大电路3、检波电路4、滤波电路5、差分运算电路6、V/I转换电路7和反馈电路8，

信号发生电路1分为矩形波信号发生电路和正弦波发生电路，接收GMI信号处理器11发出的信号，并产生高频交流激励信号所需的基准信号，

所述敏感组件2包括敏感元件21和线圈22，

所述敏感元件21为铁钴系超软磁非晶纳米晶合金，并对制备的非晶纳米晶合金进行后处理（如表面复合、退火等）获得韧性、电性能和软磁性能均优异的纳米晶合金，

所述敏感元件21设有若干个，若干个所述敏感元件21以三维矩阵形式排列且串并联方式组合连接，分别为大脑顶部、大脑前后和大脑两侧，所述线圈22与信号发生电路1的输出端电连接，用于接收激励信号，线圈22的输出端与敏感元件21的输入端连接，将激励信号施加到敏感元件21上，敏感元件21产生巨磁阻抗效应，由此产生相应的信号输出至前置放大电路3，

在敏感组件2的上方设置偏置线圈9，感应敏感组件2产生的磁场并对其磁场进行校正及过滤，提高敏感组件2运行的准确度，

如图4所示，所述前置放大电路3由两级放大电路组成，包括前级放大电路31和后级放大电路32，前级放大路31组成同向比例放大形式，高输入阻抗，低输出阻抗，后级放大电路32组成反向比例放大形式，将负的直流信号放大为正的直流信号，用于对敏感元件21输出的微弱信号进行放大后传输，减弱干扰信号的影响，提高信噪比，其输出端与检波电路4的输入端电连接，

如图5所示，由于敏感元件21在高频电流激励下，输出的信号是经过外加磁场调制过的信号，因此检波电路4对该调制信号进行解调，解调后检波电路4的输出端与滤波电路5的输入端电连接，

如图6所示，从峰值检波电路4出来的信号不仅是与所测磁场有关的直流信号，还夹杂着其他一些频率的信号，所以滤波电路5有效的对检波电路4的输出信号进行平滑处理，并输出敏感元件21两端的峰值电压，滤波电路5的输出端与差分运算电路6的输入端电连接，

如图7所示，从滤波电路5出来的信号反映的是敏感元件21两端的峰值电压，即使待测磁场为零，输出的值也不会为零，需要差分运算电路6，使待测磁场为零时，敏感器件10的输出电压也为零，差分运算电路6的输出端与V/I转换电路7电连接，

如图8所示，V/I转换电路7将敏感器件10的电压信号转化为电流信号，其输出端与反馈电路8电连接，反馈电路8包括反馈线圈81和取样电阻Rf82_，V/I转换电路7将电流信号送入反馈线圈81中，反馈电路8中加入一个取样电阻Rf82，选用温度系数低的精密金属膜电阻，反馈线圈81接收电流信号产生反馈磁场，通过敏感元件21反馈至信号发生电路1，反馈磁场H_f与待测磁场方向相反，即反馈磁场削弱了磁芯中的磁场。若 V/I 转换系数大，可使磁芯始终工作在零磁场附近，能够极大地提高磁场的检测范围。敏感器件10输出电压 V_out从取样电阻Rf82中得到。

当 KG1G2G3G4 Gn>>1 时，Vout=Rf×H/n

其中，K 为磁电转换系数，G 为电压电流转换系数，n 为反馈线圈81的匝数。

当系统的闭环增益足够高时，敏感器件10的输出电压仅取决于反馈电路8，且与被测磁场之间呈线性关系，而不受外界因素的影响。因此引入负反馈后，敏感器件的性能指标如非线性误差、温度稳定性，线性量程以及频带宽可以得到改善，V/I转换电路7的设计直接影响着整个闭环敏感器件的性能。V/I转换电路7是将电压信号转化为电流信号，它不仅要求输出电流与输入电压具有线性关系，而且还要求输出电流应能够保持稳定而不随负载的变化而变化，即转换后的电流相当于一个输出可调的恒流源。

通过采用上述技术方案，敏感器件10一方面可以长时间对脑部内部活动与信息变化进行精密测量且对脑部不会造成损害，同时也不会受到头骨与脑脊液对信息的大量屏蔽与干扰，有利于人们对大脑的深度研究，比如对大脑的大数据分析、脑部控制等，另一方面扩大了脑部磁场信息检测范围和提高检测的稳定性和可靠性，检测范围从45 T到1 nT；在微特以下磁场检测中，预计灵敏度达到0.5 nT，噪声指标为峰峰值0.1 nT；而且通过敏感器件10、 GMI信号处理器11和信号处理器与发射器12的相互配合作用，可以长时间对大脑进行扫描和探测，检测大脑内部是否存在病变，且对脑部不会造成损害。

一种高精度磁矢量检测方法，包括以下步骤，

步骤一，敏感器件10的放置：将多个敏感器件10以全包覆或半包覆的方式形成三维矩阵均匀分布于大脑的不同区域形成多个检测模块，并进行位置的自我校准；

步骤二，信号的发射：信号处理器与发射器12发送信号至每个与敏感器件10连接的GMI信号处理器11，GMI信号处理器11接收信号后发送至相对应的敏感器件10；

步骤三，敏感器件10磁场信息的独立读取与检测：

（1）信号发生电路1接收GMI信号处理器11发出的信号，并产生高频交流激励信号所需的基准信号，

（2）激励信号首先晶格线圈22，然后直接对敏感元件21通电激励，产生巨磁阻抗效应，将巨磁阻抗效应产生的信号输出至前置放大电路3，

（3）前置放大电路3接收敏感元件21输出的微弱信号后，首先进行同向比例放大，高输入阻抗，低输出阻抗，然后将负的直流信号放大为正的直流信号，用于对敏感元件21输出的微弱信号进行放大并抑制噪声，

（4）经过放大后的微弱信号经检波电路4进行解调，

（5）滤波电路5对解调后的信号进行平滑处理，输出敏感元件21两端的峰值电压，

（6）差分运算电路6将敏感元件21两端的峰值电压进行差分运算，得到敏感器件10的输出电压信号，

（7）V/I转换电路7将敏感器件10的电压信号转化为电流信号，

（8）反馈电路8接收电流信号产生反馈磁场，反馈至GMI信号处理器11进行磁场信号的分析处理，

步骤四，综合信号的处理：各个GMI信号处理器11将处理后的信号分别发送至信号处理器与发射器12，进行磁场信号的综合分析处理。

与核磁共振仪器相比，核磁共振利用强磁检测原理，受到许多的限制，如空间、强磁场、观测时间等等，而本发明基于弱磁场的检测原理，因微型化后变为可穿戴设备，可长时间观测，对精密的大脑几乎没有影响；

与脑波接受设备相比，脑波接受设备利用脑部发出电波的原理，受到头骨与脑脊液的屏蔽与干扰，本发明基于弱磁场的检测原理，因此不受头骨与脑脊液的干扰与影响，观测精准度与信息接收的能力相比强大许多；

与侵入式探针设备相比，侵入式探针对脑波有更好的接收能力，但需要在头骨内植入探针，也要专业的设备进行手术，有许多风险，本发明为非侵入式的方式，在安全性上高出许多，可靠性更好。

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、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高精度磁矢量检测装置，其特征在于：包括敏感器件、GMI信号处理器、信号处理器与发射器，

所述GMI信号处理器接收信号处理器与发射器发出的信号并将信号发送至敏感器件，

所述敏感器件包括信号发生电路、敏感组件、前置放大电路、检波电路、滤波电路、差分运算电路、V/I转换电路和反馈电路，

所述信号发生电路分为矩形波信号发生电路和正弦波发生电路，接收GMI信号处理器发出的信号，并产生高频交流激励信号所需的基准信号，

所述敏感组件包括敏感元件和线圈，所述线圈输入端与信号发生电路的输出端电连接，激励信号通过线圈施加到敏感元件上，敏感元件产生巨磁阻抗效应，并将巨磁阻抗效应产生的信号输出至前置放大电路，

所述前置放大电路用于对线圈输出的微弱信号进行放大并抑制噪声，其输出端与检波电路的输入端电连接，

所述检波电路对线圈输出的信号进行解调，其输出端与滤波电路的输入端电连接，

所述滤波电路对峰值检波电路的输出信号进行平滑处理，输出敏感元件两端的峰值电压，其输出端与差分电路的输入端电连接，

所述差分运算电路将敏感元件两端的峰值电压进行差分运算，得到敏感器件的输出电压信号，其输出端与V/I转换电路电连接，

所述V/I转换电路将敏感器件的电压信号转化为电流信号，其输出端与反馈电路电连接，

所述反馈电路包括反馈线圈，反馈线圈接收电流信号产生反馈磁场，反馈至GMI信号处理器进行信号的分析处理，

GMI信号处理器将处理后的信号反馈至信号处理器与发射器，进行综合信号处理。

2.如权利要求1所述的高精度磁矢量检测装置，其特征在于：所述敏感元件设有若干个，若干个所述敏感元件按三维矩阵的方式排列并以串并联组合的方式连接。

3.如权利要求1所述的高精度磁矢量检测装置，其特征在于：所述反馈电路还包括取样电阻，所述取样电阻为温度系数低的精密金属膜电阻。

4.如权利要求1所述的高精度磁矢量检测装置，其特征在于：所述敏感元件为铁钴系超软磁非晶纳米晶合金。

5.如权利要求1所述的高精度磁矢量检测装置，其特征在于：所述前置放大电路包括前级放大电路和后级放大电路，所述前级放大电路同向比例放大，高输入阻抗，低输出阻抗，所述后级放大电路反向比例放大，将负的直流信号放大为正的直流信号。

6.如权利要求1所述的高精度磁矢量检测装置，其特征在于：所述敏感组件的上方还设置有偏置线圈。

7.一种如权利要求1所述的高精度磁矢量检测方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一，敏感器件的放置：将多个敏感器件分别安放在大脑的不同区域形成多个检测模块；

步骤二，信号的发射：信号处理器与发射器发送信号至每个与敏感器件连接的GMI信号处理器，GMI信号处理器接收信号后发送至相对应的敏感器件；

步骤三，敏感器件磁场信息的独立读取与检测：

信号发生电路接收GMI信号处理器发出的信号，并产生高频交流激励信号所需的基准信号，

激励信号首先晶格线圈，然后直接对敏感元件通电激励，产生巨磁阻抗效应，将巨磁阻抗效应产生的信号输出至前置放大电路，

前置放大电路用于对敏感元件输出的微弱信号进行放大并抑制噪声，

经过放大后的微弱信号经检波电路进行解调，

滤波电路对解调后的信号进行平滑处理，输出敏感元件两端的峰值电压，

差分运算电路将敏感元件两端的峰值电压进行差分运算，得到敏感器件的输出电压信号，

V/I转换电路将敏感器件的电压信号转化为电流信号，

反馈电路接收电流信号产生反馈磁场，反馈至GMI信号处理器进行磁场信号的分析处理，

步骤四，综合信号的处理：各个GMI信号处理器将处理后的信号分别发送至信号处理器与发射器，进行磁场信号的综合分析处理。

8.如权利要求7所述的高精度磁矢量检测方法，其特征在于：在步骤（1）中，多个敏感器件以全包覆或半包覆的方式形成三维矩阵均匀分布在大脑的各个区域，并进行自我校准。

9.如权利要求7所述的高精度磁矢量检测方法，其特征在于：在步骤三中，前置放大电路对敏感元件输出的微弱信号首先进行同向比例放大，高输入阻抗，低输出阻抗，然后将负的直流信号放大为正的直流信号。

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