CN111505556B - 测量磁通门传感器中的探头噪声的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种测量磁通门传感器中的探头噪声的方法，包括：开环灵敏度获取步骤：利用激励源单独对探头进行激励，测量所述探头的开环输出，以获得探头的开环灵敏度；噪声谱测量步骤：将探头置于磁屏蔽环境内，并测量探头的输出信号的噪声谱；开环噪声获取步骤：在噪声谱中去除由探头以外的部分引入的外部噪声，从而获得探头的开环噪声；以及闭环噪声获取步骤：基于预定的磁通门传感器的灵敏度、探头的开环灵敏度以及探头的开环噪声，获得探头在磁通门传感器中引入的噪声，作为探头的闭环噪声。

Description

测量磁通门传感器中的探头噪声的方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其是一种测量磁通门传感器中的探头噪声的方法。
背景技术
磁通门传感器是一种高精度的矢量磁场传感器，广泛的应用于各种磁场探测仪器和设备中，作为核心磁传感器件，实现地磁导航、磁异场探测、电磁跟踪等军民领域的不同应用。
磁通门传感器包括探头和电路两个基本部分，探头通常由磁性材料和线圈结构构成，在激励条件下将环境磁场调制为感应电动势，电路部分提供探头的激励并对拾取的感应电压信号进行处理，得到反映磁场强度的输出量。传感器的噪声源同样也包括探头和电路两部分，探头通常为主要噪声来源，在磁通门传感器的研发和生产过程中，对探头或探芯噪声进行单独的测试评价是很有意义的。
为了保证传感器的线性度、稳定性和量程，磁通门传感器通常采用闭环结构，反馈环节通过探头内的线圈结构产生反馈磁场。由于探头本身在反馈环路内，与处理电路分离会破坏其正常的闭环工作状态，因此在噪声测试时通常只测量传感器整机噪声，难以对闭环状态下的探头和电路噪声进行分别测量。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种测量磁通门传感器中的探头噪声的方法，通过测量磁通门探头的开环输出噪声和开环灵敏度，得到在闭环状态下探头部分的噪声水平，实现不依赖传感器电路的探头噪声测试评价，为磁通门探头的研发提供参考，也便于进行探头或探芯的批量筛选。
根据本发明的一方面，提供一种测量磁通门传感器中的探头噪声的方法，包括：开环灵敏度获取步骤：利用激励源单独对探头进行激励，测量所述探头的开环输出，以获得所述探头的开环灵敏度；噪声谱测量步骤：将所述探头置于磁屏蔽环境内，并测量所述探头的输出信号的噪声谱；开环噪声获取步骤：在所述噪声谱中去除由探头以外的部分引入的外部噪声，从而获得所述探头的开环噪声；以及闭环噪声获取步骤：基于预定的磁通门传感器的灵敏度、所述探头的开环灵敏度以及所述探头的开环噪声，获得探头在所述磁通门传感器中引入的噪声，作为所述探头的闭环噪声。
优选地，在所述开环灵敏度获取步骤中，利用交流电流源作为激励源对所述探头进行激励，在磁场发生器形成的直流场内，利用锁相放大器测量所述探头的开环输出的有效值，从而获得所述探头的开环灵敏度。
优选地，所述开环灵敏度获取步骤具体包括：
激励步骤：使用具有预定的电流值和频率的交流电流源对所述探头进行激励；
输出电压获取步骤：在所述磁场发生器内，对所述探头施加具有预定场强的直流场，使用锁相放大器对所述探头的输出电压进行解调，并获得在所述预定场强下的解调输出电压的有效值；以及
计算步骤：基于所述解调输出电压的有效值和所述预定场强，计算所述探头的开环灵敏度。
优选地，在所述输出电压获取步骤中，根据磁通门传感器的磁通门的不同类型，对于所述输出电压采用不同的解调方式。
优选地，在所述噪声谱测量步骤中，使用锁相放大器对所述探头的信号进行解调，从而测量所述探头的输出信号的噪声谱。
优选地，在所述开环噪声获取步骤中，在与所述开环灵敏度获取步骤和所述噪声谱测量步骤相同的测试环境下，将具有相同长度的导线替代所述探头中的磁芯，并且测量在磁芯被替代状态下的所述探头的噪声，作为由探头以外的部分引入的外部噪声。
优选地，在所述闭环噪声获取步骤中，通过将获得的所述探头的开环噪声乘以所述预定的磁通门传感器的灵敏度与获得的所述探头的开环灵敏度的比值，计算所述探头的闭环噪声。
优选地，所述导线包括铜线或铝线。
优选地，所述外部噪声包括所述激励源所引入的噪声和/或用于所述开环灵敏度获取步骤和所述噪声谱测量步骤的测试仪器所引入的噪声。
优选地，使用所述磁通门传感器的电路中的激励部分作为所述激励源，或者使用信号发生器与压控电流源设备作为所述激励源对所述探头进行激励。
发明的有益效果
本发明通过测量磁通门传感器探头的开环噪声和开环灵敏度，得到探头部分在闭环情况下引入的噪声量，实现不依赖于具体传感器电路的磁通门探头闭环噪声评估，有利于进行磁通门传感器中探头的性能评价和批量筛选测试；并且，得到的测试流程较为简单，便于实际测量中使用。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，但其说明仅用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1示出本发明的实施例的测量磁通门传感器中的探头噪声的方法。
图2示出了开环灵敏度获取步骤中的具体操作例。
图3示出了磁通门传感器闭环电路的原理图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件并没有详细叙述。
结合图1-3说明本发明的测量磁通门传感器中的探头噪声的方法。图1示出本发明的实施例的测量磁通门传感器中的探头噪声的方法。图2示出了开环灵敏度获取步骤中的具体操作例。图3示出了磁通门传感器闭环电路的原理图。
本发明提供一种测量磁通门传感器中的探头噪声的方法。
图1示出本发明的实施例的测量磁通门传感器中的探头噪声的方法。如图1所示，包括：开环灵敏度获取步骤S1，利用激励源单独对探头进行激励，测量探头的开环输出，以获得探头的开环灵敏度；噪声谱测量步骤S2，将探头置于磁屏蔽环境内，并测量探头的输出信号的噪声谱；开环噪声获取步骤S3，在所述噪声谱中去除由探头以外的部分引入的外部噪声，从而获得探头的开环噪声；以及闭环噪声获取步骤S4：基于预定的磁通门传感器的灵敏度、探头的开环灵敏度以及探头的开环噪声，获得探头在磁通门传感器中引入的噪声，作为探头的闭环噪声。
优选地，在开环灵敏度获取步骤中，利用交流电流源作为激励源对探头进行激励，在磁场发生器形成的直流场内，利用锁相放大器测量探头的开环输出的有效值，从而获得探头的开环灵敏度。
图2示出了开环灵敏度获取步骤中的具体操作例。如图2所示，开环灵敏度获取步骤具体包括：
激励步骤S11，使用具有预定的电流值和频率的交流电流源对探头进行激励。例如，激励电流和频率根据传感器实际使用的电流大小和频率而设置，或者根据测试需要改变激励参数；
输出电压获取步骤S12，在磁场发生器(例如，标准磁场发生器)内，对探头施加具有预定场强的直流场(例如，恒定直流场)，使用锁相放大器对探头的输出电压进行解调，并获得在预定场强下的解调输出电压的有效值。其中，例如，场强大小在磁芯响应的线性区间内，并且可以由探头的激励源提供锁相放大器的参考信号。优选地，根据磁通门传感器的磁通门的不同类型，对于输出电压采用不同的解调方式。例如，平行式磁通门通常采用激励频率二次谐波进行解调，而正交磁通门则采用基频进行解调；
计算步骤S13，基于解调输出电压的有效值和预定场强，计算探头的开环灵敏度。例如，基于下述公式计算探头的开环灵敏度：Ao＝U/H，其中，Ao为探头的开环灵敏度，U为解调输出电压的有效值，H为预定场强。由于磁通门电路中相敏解调环节的存在，为了进行闭环噪声的计算，开环灵敏度计算使用解调频率下的输出电压，而非整个频谱上的有效值。
在噪声谱测量步骤S2中，优选地，使用锁相放大器对所述探头的信号进行解调，从而测量所述探头的输出信号的噪声谱。
在开环噪声获取步骤S3中，例如通过如下方式获得由探头以外的部分引入的外部噪声：在与开环灵敏度获取步骤S1和噪声谱测量步骤S2相同的测试环境(例如，相同的测试设备和条件)下，将具有相同长度的导线替代探头中的磁芯，并且测量在磁芯被替代状态下的探头的噪声，作为由探头以外的部分引入的外部噪声。此外，例如通过如下公式，实现在探头的输出信号的噪声谱中去除外部噪声来获得探头的开环噪声：
Figure BDA0002428392560000061
其中，So(ω)表示关于角频率ω的探头的输出信号的噪声谱，Se(ω)表示关于角频率ω的由探头以外的部分引入的外部噪声，Sr(ω)表示关于角频率ω的修正后的探头噪声谱，作为探头的开环噪声。
在所述闭环噪声获取步骤S4中，例如通过如下方式计算闭环状态下的传感器中的探头引入的噪声Sc(ω)：将获得的探头的开环噪声Sr(ω)乘以预定的磁通门传感器的整机灵敏度A与获得的探头的开环灵敏度Ao的比值A/Ao，即，
Figure BDA0002428392560000062
图3示出了磁通门传感器闭环电路的原理图。以下参考图3，进一步描述闭环噪声获取步骤S4的原理。
磁通门传感器闭环电路近似为包含积分环节的一阶无差系统，探头将外界磁场调制产生电压信号，设其增益为KH-V；前向通道中包括滤波放大及相敏解调环节，令其总增益为K，积分环节时间常数为τ；反馈环节包括电路的反馈系数b和探头反馈线圈系数bV-H。令探头输出电压噪声为Ue，则其传递函数可表示为：
Figure BDA0002428392560000063
其中，s为拉普拉斯变换的复变量，为通用表达，并且其中，
Figure BDA0002428392560000071
而传感器的反馈增益bbV-H由设定的整机闭环灵敏度A决定，
Figure BDA0002428392560000072
电路积分常数不会很大，因此噪声电压的传递函数可近似为
Figure BDA0002428392560000073
由于相敏检波器的存在，KH-V实际应为解调频率下的开环灵敏度Ao。
闭环状态下反馈磁场与外磁场抵消，探头同样工作于零场状态，因此可以在屏蔽环境下测量探头开环噪声，代替闭环状态下的探头噪声进行计算。
因此，探头引入的传感器噪声可以表示为：
Figure BDA0002428392560000074
在本发明的测量磁通门传感器中的探头噪声的方法中，导线包括例如铜线、铝线等这样的金属导线。由探头以外的部分引入的外部噪声例如包括激励源所引入的噪声和/或用于开环灵敏度获取步骤和噪声谱测量步骤的测试仪器所引入的噪声。此外，激励源例如为所述磁通门传感器的电路中的激励部分，或者使用信号发生器与压控电流源设备对探头进行激励。
以下描述根据本发明的测量磁通门传感器中的探头噪声的方法的一更具体实例。
在本实例中，磁通门传感器中的探头例如为三轴探头，探芯例如使用U型非晶丝磁芯，本实例以其中一轴为例。
测量磁通门传感器中的探头噪声的方法包括如下步骤S101-S104：
步骤S101、使用交流电流源对探头进行激励，在磁场发生器形成的标准直流场内，利用锁相放大器测量探头开环输出的有效值，得到探头在传感器解调频率下的开环灵敏度Ao；
所述步骤S101具体包括：
1)使用信号发生器和压控电流源设备以正弦波探头进行激励，激励电流I和频率f按照传感器实际使用的电流大小和频率设置；
2)在屏蔽室中的标准磁场发生器线圈内，对探头其中一轴向施加强度为Ht＝20μT的恒定直流场，使用锁相放大器设备SR850对探头输出电压进行解调，信号发生器提供锁相放大器的参考信号，被测磁通门传感器使用正交模式，因此采用基频进行解调，得到该场强下的解调输出电压有效值Ut＝320mV；
3)计算探头的开环灵敏度Ao＝Ut/Ht＝16μV/nT；
步骤S102、将探头置于四层磁屏蔽桶内，使用锁相放大器对探头信号进行解调，测得解调输出信号的噪声谱，本实例主要关注其1Hz处功率谱密度，测得为
Figure BDA0002428392560000081
步骤S103、使用与步骤S101、步骤S102相同的测试设备和条件，以等长铜线代替探头使用的磁芯，测量得到此状态下1Hz频率点的噪声为
Figure BDA0002428392560000091
在步骤S102结果中去除此部分噪声，得到修正后的探头噪声
Figure BDA0002428392560000092
从而去除激励源和测试仪器引入的噪声；
步骤S104、被测磁通门传感器设定的整机灵敏度为A＝100μV/nT，步骤S101得到的探头开环灵敏度为Ao＝16μV/nT，以步骤S103得到的噪声值Sr乘以A/Ao，得到闭环状态下，探头部分引入的传感器噪声
Figure BDA0002428392560000093
按照整机灵敏度A＝100μV/nT换算成磁场噪声为
Figure BDA0002428392560000094
本发明通过测量磁通门传感器探头的开环噪声和开环灵敏度，得到探头部分在闭环情况下引入的噪声量，实现不依赖于具体传感器电路的磁通门探头闭环噪声评估，有利于进行磁通门传感器中探头的性能评价和批量筛选测试；并且，得到的测试流程较为简单，便于实际测量中使用。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。以上示例性实施例仅仅是用于阐明本发明的原理，而并非用于限定本发明的保护范围。本领域技术人员在不背离本发明所揭示的精神和原理的范围内，可以对本发明做出各种改进，而不会超出由权利要求书限定的范围。

Claims (10)

1.一种测量磁通门传感器中的探头噪声的方法，包括：
开环灵敏度获取步骤：利用激励源单独对探头进行激励，测量所述探头的开环输出，以获得所述探头的开环灵敏度；
噪声谱测量步骤：将所述探头置于磁屏蔽环境内，并测量所述探头的输出信号的噪声谱；
开环噪声获取步骤：在所述噪声谱中去除由探头以外的部分引入的外部噪声，从而获得所述探头的开环噪声；以及
闭环噪声获取步骤：基于预定的磁通门传感器的灵敏度、所述探头的开环灵敏度以及所述探头的开环噪声，获得探头在所述磁通门传感器中引入的噪声，作为所述探头的闭环噪声，
在所述开环灵敏度获取步骤中，利用交流电流源作为激励源对所述探头进行激励，在磁场发生器形成的直流场内，利用锁相放大器测量所述探头的开环输出的有效值，从而获得所述探头的开环灵敏度，
所述开环灵敏度获取步骤具体包括：
激励步骤：使用具有预定的电流值和频率的交流电流源对所述探头进行激励；
输出电压获取步骤：在所述磁场发生器内，对所述探头施加具有预定场强的直流场，使用锁相放大器对所述探头的输出电压进行解调，并获得在所述预定场强下的解调输出电压的有效值；以及
计算步骤：基于所述解调输出电压的有效值和所述预定场强，计算所述探头的开环灵敏度，
在所述开环噪声获取步骤中，在与所述开环灵敏度获取步骤和所述噪声谱测量步骤相同的测试环境下，将具有相同长度的导线替代所述探头中的磁芯，并且测量在磁芯被替代状态下的所述探头的噪声，作为由探头以外的部分引入的所述外部噪声，
在所述闭环噪声获取步骤中，通过将获得的所述探头的开环噪声乘以所述预定的磁通门传感器的灵敏度与获得的所述探头的开环灵敏度的比值，计算所述探头的闭环噪声。
2.根据权利要求1所述的方法，在所述输出电压获取步骤中，根据磁通门传感器的磁通门的不同类型，对于所述输出电压采用不同的解调方式。
3.根据权利要求1或2所述的方法，在所述噪声谱测量步骤中，使用锁相放大器对所述探头的信号进行解调，从而测量所述探头的输出信号的噪声谱。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述导线包括铜线或铝线。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述外部噪声包括所述激励源所引入的噪声和/或用于所述开环灵敏度获取步骤和所述噪声谱测量步骤的测试仪器所引入的噪声。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，所述外部噪声包括所述激励源所引入的噪声和/或用于所述开环灵敏度获取步骤和所述噪声谱测量步骤的测试仪器所引入的噪声。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，使用所述磁通门传感器的电路中的激励部分作为所述激励源，或者使用信号发生器与压控电流源设备作为所述激励源对所述探头进行激励。
8.根据权利要求3所述的方法，其中，使用所述磁通门传感器的电路中的激励部分作为所述激励源，或者使用信号发生器与压控电流源设备作为所述激励源对所述探头进行激励。
9.根据权利要求4所述的方法，其中，使用所述磁通门传感器的电路中的激励部分作为所述激励源，或者使用信号发生器与压控电流源设备作为所述激励源对所述探头进行激励。
10.根据权利要求5所述的方法，其中，使用所述磁通门传感器的电路中的激励部分作为所述激励源，或者使用信号发生器与压控电流源设备作为所述激励源对所述探头进行激励。
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