CN111198348A - 一种磁传感器噪声测试系统标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁传感器噪声测试系统标定方法，该方法包括如下步骤：第一步，采集噪声测试系统自有噪声；第二步，采集金属膜电阻热噪声和噪声测试系统自有噪声叠加在一起的总噪声；第三步，获得金属膜电阻热噪声的工程推算值；第四步，获得最接近金属膜电阻热噪声理论值的工程推算值；第五步，提取金属膜电阻热噪声的噪声频谱；第六步，确定第四步和第五步中噪声测试系统的工作参数，标定完成。本发明提出的一种磁传感器噪声测试系统标定方法能够发挥噪声测试系统的最佳性能，大大提高磁传感器噪声测试结果的准确度，为磁传感器在施加偏置电压和激励磁场的条件下进行的噪声测试提供了有效参考。

Description

一种磁传感器噪声测试系统标定方法
技术领域
本发明涉及传感器噪声测试技术领域，具体为一种磁传感器噪声测试系统的标定方法。
背景技术
磁传感器常用于对微小磁场和微弱磁场的探测，磁场信号强度越弱，对磁传感器分辨能力要求就越高。磁传感器的本底噪声反映了其分辨力极限。为了准确获取磁传感器的分辨力极限，对磁传感器噪声测试系统进行标定是必不可少的。
发表于《传感技术学报》，名称为“磁阻型弱磁传感器特性自动测试系统”的论文，测试了一款巨磁阻(GMR)磁传感器的低频噪声，将测量数据与磁传感器生产厂家提供的传感器资料中的低频噪声数据进行了对比。通过对比，推断其测量数据与传感器资料中给出的数据基本一致。该文献中没有对磁传感器噪声测试系统进行标定，且其获得的噪声数据也没有剔除噪声测试系统自有噪声，导致其数据准确度不高。
目前暂无与本发明磁传感器噪声测试系统标定方法类似的专利及文献。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：针对目前磁传感器噪声测试中不对噪声测试系统进行标定导致噪声测试准确度不高的问题，本发明提供一种磁传感器噪声测试系统标定方法。该方法通过对噪声测试系统进行标定，提高了测试系统采集的噪声精度。
为了解决以上问题，本发明采用以下标定方法：
一种磁传感器噪声测试系统的标定方法，包括如下步骤：
第一步：将噪声测试系统中的低噪声放大器输入端短路，采集噪声测试系统自有噪声，生成时域波形，并对该时域波形进行数据处理；
第二步：将金属膜电阻连接在低噪声放大器输入端，采集金属膜电阻热噪声和噪声测试系统自有噪声叠加在一起的总噪声，生成时域波形，并对该时域波形进行数据处理；
第三步：结合第一步和第二步中经数据处理后的噪声时域波形，获得金属膜电阻热噪声的工程推算值；
第四步：调节测试系统工作参数，进行多次测试，得到第三步中最接近金属膜电阻热噪声理论值的工程推算值；
第五步：在第四步中获得最接近金属膜电阻热噪声理论值的工程推算值，并将该测试条件下经过数据处理后的时域波形转换为频域波形，提取金属膜电阻热噪声的噪声频谱；
第六步：确定第四步和第五步中噪声测试系统的工作参数，标定完成，通过标定，提高了磁传感器噪声测试结果的准确度。
进一步地，噪声测试系统包括低噪声放大器、数据采集卡和计算机。
进一步地，在第一步和第二步中，所述的数据处理过程是对采集的数据进行FFT数字滤波，将采集的数据带宽限制为0至10kHz，并保持整个数据处理过程中带宽不变。
进一步地，在第五步中，所述的时域波形转换为频域波形的过程是首先进行FFT，然后将金属膜电阻热噪声与噪声测试系统自有噪声叠加在一起的总噪声的功率谱与噪声测试系统自有噪声的功率谱相减，剔除噪声测试系统的自有噪声。
进一步地，噪声测试系统的工作环境温度范围为绝对温度290k至310k。
进一步地，低噪声放大器的放大倍数调节范围为1至20000倍。
进一步地，数据采集卡运行一次，采集的数据量为一百万至一千万。
进一步地，数据采集卡的采集速率范围为1kS/s至432kS/s。
进一步地，计算机内装载有数据分析软件。
本发明提出了一种磁传感器噪声测试系统标定方法。该方法基于噪声功率谱差值和热噪声理论，能够提高磁传感器噪声测试结果的准确度，为磁传感器在有偏置电压和激励磁场条件下进行的噪声采集提供了有效参考。
附图说明
图1为本发明标定步骤图；
图2为本发明噪声测试系统示意图；
图3为本发明实施例一中噪声测试系统自有噪声采集示意图；
图4为本发明实施例一中噪声测试系统自有噪声时域波形图；
图5为本发明实施例一中噪声测试系统自有噪声频谱图；
图6为本发明实施例一中金属膜电阻热噪声和噪声测试系统自有噪声叠加在一起的总噪声采集示意图；
图7为本发明实施例一中金属膜电阻热噪声和噪声测试系统自有噪声叠加在一起的总噪声时域波形图；
图8为本发明实施例一中金属膜电阻热噪声和噪声测试系统自有噪声叠加在一起的总噪声频谱图；
图9为本发明实施例二中噪声测试系统自有噪声采集示意图；
图10为本发明实施例二中噪声测试系统自有噪声时域波形图；
图11为本发明实施例二中噪声测试系统自有噪声频谱图；
图12为本发明实施例二中金属膜电阻热噪声和噪声测试系统自有噪声叠加在一起的总噪声采集示意图；
图13为本发明实施例二中金属膜电阻热噪声和噪声测试系统自有噪声叠加在一起的总噪声时域波形图；
图14为本发明实施例二中金属膜电阻热噪声和噪声测试系统自有噪声叠加在一起的总噪声频谱图；
图15为本发明实施例一中金属膜电阻热噪声频谱图；
图16为本发明实施例三中磁传感器热噪声和噪声测试系统自有噪声叠加在一起的总噪声采集示意图；
图17为本发明实施例三中磁传感器热噪声频谱图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的标定方法进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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例，本领域普通技术人员在没有做出创造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。
实施例
实施例一
如图1所示，本发明的一种磁传感器噪声测试系统的标定方法分为六个步骤，分别为：
第一步，将噪声测试系统中的低噪声放大器输入端短路，采集噪声测试系统自有噪声，生成时域波形，并对该时域波形进行数据处理；第二步，将金属膜电阻连接在低噪声放大器输入端，采集金属膜电阻热噪声和噪声测试系统自有噪声叠加在一起的总噪声，生成时域波形，并对该时域波形进行数据处理；第三步，结合第一步和第二步中经数据处理后的噪声时域波形，获得金属膜电阻热噪声的工程推算值；第四步，调节噪声测试系统工作参数(主要是低噪声放大器的放大倍数以及数据采集卡的采集速率)，进行多次测试，得到第三步中最接近金属膜电阻热噪声理论值的工程推算值；第五步，在第四步中获得最接近金属膜电阻热噪声理论值的工程推算值，并将该测试条件下经过数据处理后的时域波形转换为频域波形，提取金属膜电阻热噪声的噪声频谱。第六步，确定第四步和第五步中噪声测试系统的工作参数(主要是低噪声放大器的放大倍数以及数据采集卡的采集速率)，标定完成。
如图2所示，上述标定方法所使用的噪声测试系统包括低噪声放大器、数据采集卡、计算机以及相关电源、连接线等。低噪声放大器用于对微弱噪声信号进行放大，数据采集卡用于采集经放大后的噪声信号，计算机内装载有数据分析软件包括MATLAB、Origin，用于对数据采集卡采集的噪声信号进行数据处理和频谱分析。
保持整个测试系统工作的环境温度为绝对温度290k不变。
如图3所示，采用同轴线缆将低噪声放大器输入端短路，放大器放大倍数为10000，数据采集卡采集速率为400kS/s，采集数据量为1000万。采用数据处理软件对采集的测试系统自有噪声时域信号进行FFT数字滤波，将采集的噪声信号数据带宽限制为0至10kHz，如图4所示。
对采集的噪声测试系统自有噪声进行工程推算：
Figure BDA0002360128990000061
Figure BDA0002360128990000062
Figure BDA0002360128990000063
VPP1为实施例一中经过滤波之后的噪声测试系统自有噪声时域波形峰峰值；VRMS1为实施例一中噪声测试系统自有噪声有效值；VNSD1为实施例一中噪声测试系统自有噪声谱密度；VNSD1-1为实施例一中经过归一化后的噪声测试系统自有噪声谱密度。
如图5所示，对图4中经过滤波之后的时域波形进行FFT，得到实施例一中噪声测试系统自有噪声频谱图。
如图6所示，在上一步的基础上，将电阻值为4.63kΩ的金属膜电阻引脚直接接在放大器差分输入端，电阻在无电流流过时，其噪声仅有热噪声。放大器放大倍数不变，采集卡采集速率不变，总采集数据量不变。采用数据处理软件对采集的金属膜电阻热噪声和噪声测试系统自有噪声叠加在一起的总噪声进行FFT数字滤波，滤波之后的时域图如图7所示。
对采集的金属膜电阻热噪声和噪声测试系统自有噪声叠加在一起的总噪声进行工程推算：
Figure BDA0002360128990000071
Figure BDA0002360128990000072
Figure BDA0002360128990000073
VPP2为实施例一中经过滤波之后的金属膜电阻热噪声和噪声测试系统自有噪声叠加在一起的总噪声时域波形峰峰值；VRMS2为实施例一中金属膜电阻热噪声和噪声测试系统自有噪声叠加在一起的总噪声有效值；VNSD2为实施例一中金属膜电阻热噪声和噪声测试系统自有噪声叠加在一起的总噪声谱密度；VNSD2-1为实施例一中经过归一化后的金属膜电阻热噪声和噪声测试系统自有噪声叠加在一起的总噪声谱密度。
则有经过工程推算后的金属膜电阻热噪声谱密度为：
Figure BDA0002360128990000074
VNSDresistor1为7.4×10-9V/Hz1/2。
如图8所示，对图7中经过滤波之后的时域波形进行FFT，得到实施例一中金属膜电阻热噪声和噪声测试系统自有噪声叠加在一起的总噪声频谱图。
实施例二
如图9至图14所示，保持整个噪声测试系统工作的环境温度为绝对温度290k不变，实施例二操作步骤同实施例一，不同之处仅在于实施例二中放大器放大倍数为1000，数据采集卡采集速率为200kS/s。
在实施例二中，经过工程推算后的金属膜电阻热噪声谱密度为：
Figure BDA0002360128990000081
VNSDresistor2为6.6×10-9V/Hz1/2。
VNSD3-1为实施例二中经过归一化后的噪声测试系统噪声谱密度，VNSD4-1为实施例二中经过归一化后的金属膜电阻热噪声和噪声测试系统自有噪声叠加在一起的总噪声谱密度。
根据热噪声理论，电阻的热噪声功率谱密度为：
Sresistortheory＝4kTR(9)；
式中，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，R为电阻的阻值。
4.63kΩ的金属膜电阻热噪声理论值为
Figure BDA0002360128990000082
比较V2 NSDresistor1、V2 NSDresistor2和Sresistortheory三者的数值，V2 NSDresistor1更接近Sresistortheory，表明实施例一中的放大器放大倍数和采集卡采集速率设置更佳。
将图5和图8中的噪声谱密度进行平方，得到噪声的功率谱密度值P1和P2；将P2和P1相减，剔除噪声测试系统的自有噪声，然后开根号，得到金属膜电阻热噪声的频谱图，并与金属膜电阻热噪声理论值进行了对比，如图15所示：
Figure BDA0002360128990000091
实施例三
如图16所示，为了验证上述标定方法的有效性，采用内部结构为惠斯通电桥形式的磁传感器为实际案例进行分析。噪声测试系统工作参数以实施例一中参数为准。磁传感器无偏置电压、无外加激励磁场，将磁传感器的OUT+和OUT-端接在放大器差分输入端，磁传感器的OUT+和OUT-两端之间电阻值为2.45kΩ。将采集的磁传感器热噪声和噪声测试系统自有噪声叠加在一起的总噪声谱密度平方值与噪声测试系统自有噪声谱密度平方值相减，并开根号，得到如图17所示的磁传感器噪声频谱，该频谱与理论值较为接近。说明经过标定后的磁传感器噪声测试系统能够有效采集磁传感器的噪声，验证了本发明所提出的一种磁传感器噪声测试系统标定方法的有效性，解决了现有的磁传感器在施加偏置电压和激励磁场条件下进行的噪声采集无有效参考的问题。

Claims (4)

1.一种磁传感器噪声测试系统标定方法，其特征在于：包括如下步骤:
第一步：将噪声测试系统中的低噪声放大器输入端短路，采集噪声测试系统自有噪声，生成时域波形，并对该时域波形进行数据处理；
第二步：将金属膜电阻连接在低噪声放大器输入端，采集金属膜电阻热噪声和噪声测试系统自有噪声叠加在一起的总噪声，生成时域波形，并对该时域波形进行数据处理；
第三步：结合第一步和第二步中经数据处理后的噪声时域波形，获得金属膜电阻热噪声的工程推算值；
第四步：调节噪声测试系统工作参数，进行多次测试，得到第三步中最接近金属膜电阻热噪声理论值的工程推算值；
第五步：在第四步中获得最接近金属膜电阻热噪声理论值的工程推算值，并将该测试条件下经过数据处理后的时域波形转换为频域波形，提取金属膜电阻热噪声的噪声频谱；
第六步：确定第四步和第五步中噪声测试系统的工作参数，标定完成，通过标定，提高磁传感器噪声测试结果的准确度。
2.根据权利要求1所述的一种磁传感器噪声测试系统标定方法，其特征在于：所述噪声测试系统包括低噪声放大器、数据采集卡和计算机。
3.根据权利要求1所述的一种磁传感器噪声测试系统标定方法，其特征在于：在第一步和第二步中，所述的数据处理过程是对采集的数据进行FFT(Fast Fourier Transform)数字滤波，将采集的数据带宽限制为0至10kHz，并保持整个数据处理过程中带宽不变。
4.根据权利要求1所述的一种磁传感器噪声测试系统标定方法，其特征在于：在第五步中，所述的时域波形转换为频域波形的过程是首先将时域波形进行FFT，然后将金属膜电阻热噪声与噪声测试系统自有噪声叠加在一起的总噪声的功率谱与噪声测试系统自有噪声的功率谱相减，剔除噪声测试系统的自有噪声。
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