CN111537924A - 一种旋转碟式磁场强探头 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种旋转碟式磁场强探头，包括：非磁性转轮、4N个第一软磁扇区、M个第二软磁扇区、参考信号发生器以及X轴、Y轴和Z轴磁阻传感器，第一、第二软磁扇区均位于非磁性转轮上；工作时，非磁性转轮以频率f绕z轴旋转，外磁场经第一软磁扇区调制成频率为4N×f的敏感磁场分量Hx和Hy，还经第二软磁扇区调制成频率为M×f的Hz，Hx、Hy和Hz分别经过该X轴、Y轴和Z轴磁阻传感器输出对应的测量信号，参考信号发生器输出频率为4N×f的第一参考信号和M×f的第二参考信号，第一参考信号、第二参考信号和测量信号经外部处理电路解调输出Hx、Hy和Hz。实现对三维磁场信号的高信噪比测量，降低测量结构复杂性。

Description

一种旋转碟式磁场强探头

技术领域

本发明实施例涉及磁阻传感器技术，尤其涉及一种旋转碟式磁场强探头。

背景技术

磁电阻传感器在正常使用时存在着1/f噪声，降低磁电阻传感器的噪声以及发展低噪声磁电阻传感器对于提高磁信号的精确测量具有重要的意义。

一般情况下，磁电阻传感器在低频时具有高的1/f噪声，而在高频时则以热噪声为主，其噪声能量密度大大低于低频时的噪声能量密度。因此，目前多选择将磁信号预先调制成高频磁场，再被磁电阻传感器测量以输出高频电压信号，而后进行解调，可以实现将磁信号测量从低频区域移动到高频区域的目的，降低1/f噪声能量密度。

然而，现有高频磁信号测量装置使得磁电阻传感器的复杂程度和尺寸大为增加，工艺复杂程度也大为增加。

申请号为US/365,398的美国专利申请公开了一种磁阻传感器方法和装置，用于调制磁传感器感测的磁通，该申请包括至少一个附接至基座结构的磁传感器、旋转构件，以及至少一个安装在旋转构件上的通量集中器，随着旋转构件的旋转，至少一个磁通集中器屏蔽了磁传感器，从而调制了至少一个磁传感器的输出。该申请使用一个TMR传感器芯片实现两轴传感器，其结构尺寸复杂。

发明内容

本发明实施例提供一种旋转碟式磁场强探头，以解决测量结构复杂的问题。

本发明实施例提供了一种旋转碟式磁场强探头，包括：

非磁性转轮、4N个第一软磁扇区和M个第二软磁扇区，所述第一软磁扇区和所述第二软磁扇区均位于所述非磁性转轮上，所述4N个第一软磁扇区的柱坐标分别为(r[r₁,r₂]，α[Φ₀,90°/N-Φ₀]，z[z₀,z₀+th₁])、(r[r₁,r₂]，α[Φ₀+90°/N，2×90°/N-Φ₀]，z[z₀,z₀+th₁])、(r[r₁,r₂]，α[Φ₀+(i-1)×90°/N,i×90°/N-Φ₀]，z[z₀,z₀+th₁])和(r[r₁,r₂]，α[Φ₀+(4N-1)×90°/N,4N×90°/N-Φ₀]，z[z₀,z₀+th₁])，所述M个第二软磁扇区的柱坐标分别为(r[r₃,r₄]，α[Φ₁,360°/M-Φ₁]，z[z₁,z₁+th₃])、(r[r₃,r₄]，α[Φ₁+360°/M,2×360°/M-Φ₁]，z[z₁,z₁+th₃])、(r[r₃,r₄]，α[Φ₁+(i-1)×360°/M，i×360°/M-Φ₁]，z[z₁,z₁+th₃])和(r[r₃,r₄]，α[Φ₁+(M-1)×360°/M,M×360°/M-Φ₁]，z[z₁,z₁+th₃])；

位于柱坐标(r(r＝(r₁+r₂)/2)，α(α＝0°&180°)，z[(z＝z₀-th₂)|(z＝z₀+th₁+th₂)])位置处的Y轴磁阻传感器；

位于柱坐标(r(r＝(r₁+r₂)/2)，α(α＝90°&270°)，z[(z＝z₀-th₂)|(z＝z₀+th₁+th₂)])位置处的X轴磁阻传感器；

位于柱坐标(r(r＝(r₃+r₄)/2),α[(α＝180°/M)|(α＝3×180°/M)|…|(α＝(2i-1)×180°/M)|…|(α＝(2M-1)×360°/M)|(α＝(M-1)×360°/M)]，z[(z＝z₁-th₄)|(z＝z₁+th₃+th₄)])位置处的Z轴磁阻传感器；

以及参考信号发生器，其中4N/M和M/4N均为非整数；

工作时，所述非磁性转轮以频率f绕z轴旋转，外磁场H经所述第一软磁扇区调制成频率为4N×f的敏感磁场分量Hx和Hy，所述外磁场H还经所述第二软磁扇区调制成频率为M×f的敏感磁场分量Hz，该三个敏感磁场分量Hx、Hy和Hz分别经过该X轴、Y轴和Z轴磁阻传感器输出对应的测量信号，所述参考信号发生器输出频率为4N×f的第一参考信号和M×f的第二参考信号，所述第一参考信号、所述第二参考信号和所述测量信号经外部处理电路解调输出磁场值Hx、Hy和Hz，以此对三维磁场信号的高信噪比进行测量。

本发明实施例中，旋转碟式磁场强探头包括非磁性转轮、4N个第一软磁扇区、M个第二软磁扇区、参考信号发生器以及X轴、Y轴和Z轴磁阻传感器，第一软磁扇区和第二软磁扇区均位于非磁性转轮上，X轴、Y轴和Z轴磁阻传感器位于非磁性转轮的上方或下方位置处。本发明实施例中，旋转蝶式磁场强探头将静止磁场调制成高频磁场，在高频磁场中进行测量，这样可以有效克服TMR磁阻传感器直流漂移引起的噪声，消除直流offset的影响，大大降低TMR磁阻传感器使用的噪声。并且该测量结构制作方法简单，只要在磁阻传感器外加一个旋转软磁探头即可实现，降低了测量结构的复杂性和尺寸，该测量结构对于地磁场的监控及信噪比的提高具有使用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图虽然是本发明的一些具体的实施例，对于本领域的技术人员来说，可以根据本发明的各种实施例所揭示和提示的器件结构，驱动方法和制造方法的基本概念，拓展和延伸到其它的结构和附图，毋庸置疑这些都应该是在本发明的权利要求范围之内。

图1是本发明实施例提供的一种旋转碟式磁场强探头的示意图；

图2是图1沿B-B的剖视图；

图3是图1沿B-B的剖视图；

图4是图1的旋转示意图；

图5a是Y轴磁阻传感器的感应磁场极大值位置图；

图5b是Y轴磁阻传感器的感应磁场极小值位置图；

图6a是X轴磁阻传感器的感应磁场极大值位置图；

图6b是X轴磁阻传感器的感应磁场极小值位置图；

图7a是Z轴磁阻传感器的感应磁场极大值位置图；

图7b是Z轴磁阻传感器的感应磁场极小值位置图；

图8a是X轴单向磁场条件下X轴磁阻传感器感应磁场强度随非磁性转轮旋转角度的变化图；

图8b是Z轴单向磁场条件下Z轴磁阻传感器感应磁场强度随非磁性转轮旋转角度的变化图；

图9是磁阻传感器的白噪声频谱图；

图10是外部处理电路的结构示意图；

图11是外部处理电路的结构示意图；

图12是非磁性转轮的驱动结构示意图；

图13是磁屏蔽电机的结构示意图。

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，以下将参照本发明实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本发明的技术方案，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例所揭示和提示的基本概念，本领域的技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参考图1所示，为本发明实施例提供的一种旋转碟式磁场强探头的示意图，图2是图1沿B-B的剖视图，图3是图1沿B-B的剖视图，图4是图1的旋转示意图。该旋转碟式磁场强探头1包括：非磁性转轮2、4N个第一软磁扇区3和M个第二软磁扇区4，第一软磁扇区3和第二软磁扇区4均位于非磁性转轮2上，4N个第一软磁扇区3的柱坐标分别为(r[r₁,r₂]，α[Φ₀,90°/N-Φ₀]，z[z₀,z₀+th₁])、(r[r₁,r₂]，α[Φ₀+90°/N,2×90°/N-Φ₀]，z[z₀,z₀+th₁])、(r[r₁,r₂]，α[Φ₀+(i-1)×90°/N,i×90°/N-Φ₀]，z[z₀,z₀+th₁])和(r[r₁,r₂]，α[Φ₀+(4N-1)×90°/N,4N×90°/N-Φ₀]，z[z₀,z₀+th₁])，M个第二软磁扇区4的柱坐标分别为(r[r₃,r₄]，α[Φ₁,360°/M-Φ₁]，z[z₁,z₁+th₃])、(r[r₃,r₄]，α[Φ₁+360°/M,2×360°/M-Φ₁]，z[z₁,z₁+th₃])、(r[r₃,r₄]，α[Φ₁+(i-1)×360°/M，i×360°/M-Φ₁]，z[z₁,z₁+th₃])和(r[r₃,r₄]，α[Φ₁+(M-1)×360°/M,M×360°/M-Φ₁]，z[z₁,z₁+th₃])；位于柱坐标(r(r＝(r₁+r₂)/2)，α(α＝0°&180°)，z[(z＝z₀-th₂)|(z＝z₀+th₁+th₂)])位置处的Y轴磁阻传感器5和6；位于柱坐标(r(r＝(r₁+r₂)/2)，α(α＝90°&270°)，z[(z＝z₀-th₂)|(z＝z₀+th₁+th₂)])位置处的X轴磁阻传感器7和8；位于柱坐标(r(r＝(r₃+r₄)/2),α[(α＝180°/M)|(α＝3×180°/M)|…|(α＝(2i-1)×180°/M)|…|(α＝(2M-1)×360°/M)|(α＝(M-1)×360°/M)],z[(z＝z₁-th₄)|(z＝z₁+th₃+th₄)])位置处的Z轴磁阻传感器9；以及参考信号发生器，其中4N/M和M/4N均为非整数；

工作时，非磁性转轮2以频率f绕z轴旋转，外磁场H经第一软磁扇区3调制成频率为4N×f的敏感磁场分量Hx和Hy，外磁场H还经第二软磁扇区4调制成频率为M×f的敏感磁场分量Hz，该三个敏感磁场分量Hx、Hy和Hz分别经过该X轴、Y轴和Z轴磁阻传感器输出对应的测量信号，参考信号发生器输出频率为4N×f的第一参考信号和M×f的第二参考信号，第一参考信号、第二参考信号和测量信号经外部处理电路解调输出磁场值Hx、Hy和Hz，以此对三维磁场信号的高信噪比进行测量。

本实施例中，非磁性转轮2的结构形状为圆形且具有一定厚度，可选为厚度较小的圆柱体衬底。以非磁性轮状2的中心轴为z＝0轴建立xyz坐标系，其中，X轴和Y轴构成的平面平行于非磁性轮状2的上下表面，Z轴方向垂直于非磁性轮状2的表面即平行于非磁性轮状2的厚度方向。可选非磁性轮状2的下表面的z坐标为z＝z₀，非磁性转轮2的厚度为th1，则其上表面的z坐标为z＝z₀+th1，位于非磁性轮状2下表面下方的器件的z坐标小于z₀，位于非磁性轮状2上表面上方的器件的z坐标大于z₀+th1。该旋转碟式磁场强探头1中器件的坐标点采用柱坐标(r，α，z)进行表征，其中，r表征与z轴的垂直间距，α表征为r在X-Y平面的投影与X轴的夹角。可选非磁性轮状2的材质为塑料、陶瓷、金属或聚合物等任意一种非磁性材料。

本实施例中，4N个第一软磁扇区3位于非磁性转轮2上。假设N＝2，则如图1所示非磁性转轮2上具有8个第一软磁扇区3，分别为3(1)～3(8)，原始状态下xy坐标第一象限内紧邻+X轴的一第一软磁扇区3标记为3(1)，剩余7个逆时针依次标记为3(2)～3(8)，可以理解，随着非磁性转轮2的旋转，3(1)会旋转至不同位置。该8个第一软磁扇区3的柱坐标分别为(r[r₁,r₂]，α[Φ₀,45°-Φ₀]，z[z₀,z₀+th₁])，(r[r₁,r₂]，α[Φ₀+45°,90°-Φ₀]，z[z₀,z₀+th₁])，(r[r₁,r₂]，α[Φ₀+90°,135°-Φ₀]，z[z₀,z₀+th₁])，(r[r₁,r₂]，α[Φ₀+135°,180°-Φ₀]，z[z₀,z₀+th₁])，(r[r₁,r₂]，α[Φ₀+180°,225°-Φ₀]，z[z₀,z₀+th₁])，(r[r₁,r₂]，α[Φ₀+225°,270°-Φ₀]，z[z₀,z₀+th₁])，(r[r₁,r₂]，α[Φ₀+270°，315°-Φ₀]，z[z₀,z₀+th₁])和(r[r₁,r₂]，α[Φ₀+315°,360°-Φ₀]，z[z₀,z₀+th₁])。可以理解，在其他实施例中还可选N＝1或N为大于或等于3的正整数。

4N个第一软磁扇区3的其中一个第一软磁扇区3的柱坐标为(r[r₁,r₂]，α[Φ₀,45°-Φ₀]，z[z₀,z₀+th₁])，表征该第一软磁扇区3位于非磁性轮状2内，第一软磁扇区3的上表面与非磁性轮状2的上表面重合，第一软磁扇区3的下表面与非磁性轮状2的下表面重合，该第一软磁扇区3的厚度等于非磁性轮状2的厚度，第一软磁扇区3由两条半径线和两条圆弧所围成，其中，一条半径线与x轴的夹角为Φ₀且另一条半径线与x轴的夹角为45°-Φ₀，一条圆弧位于半径为r₂的圆上且另一条圆弧位于半径为r₁的圆上。可选第一软磁扇区3的两条半径线的夹角小于90°。

本实施例中，M个第二软磁扇区4位于非磁性转轮2上。假设M＝5，则如图1所示非磁性转轮2上具有5个第二软磁扇区4，分别为4(1)～4(5)，原始状态下xy坐标第一象限内紧邻+X轴的一第二软磁扇区4标记为4(1)，剩余4个逆时针依次标记为4(2)～4(5)，可以理解，随着非磁性转轮2的旋转，4(1)会旋转至不同位置。该5个第二软磁扇区4的柱坐标分别为(r[r₃,r₄]，α[Φ₁,72°-Φ₁]，z[z₁,z₁+th₃])，(r[r₃,r₄]，α[Φ₁+72°,144°-Φ₁]，z[z₁,z₁+th₃])，(r[r₃,r₄]，α[Φ₁+144°,216°-Φ₁]，z[z₁,z₁+th₃])，(r[r₃,r₄]，α[Φ₁+216°,288°-Φ₁]，z[z₁,z₁+th₃])和(r[r₃,r₄]，α[Φ₁+288°，360°-Φ₁]，z[z₁,z₁+th₃])。可以理解，N和M均为整数，但4N/M不是整数以及M/4N不是整数，则在其他实施例中还可选M＝3，或者N确定后可以合理选取一个正整数M。

可选该旋转碟式磁场强探头1还包括两个X轴磁阻传感器7和8，两个Y轴磁阻传感器5和6以及一个Z轴磁阻传感器9，可选Y轴磁阻传感器5位于α＝0°位置处，Y轴磁阻传感器6位于α＝180°位置处，X轴磁阻传感器7位于α＝90°位置处，X轴磁阻传感器8位于α＝270°位置处。

本实施例中，可选该X轴、Y轴和Z轴磁阻传感器均位于非磁性转轮2的下方。其中，Y轴磁阻传感器5的柱坐标为(r(r＝(r₁+r₂)/2)，α(α＝0°)，z(z＝z₀-th₂))，Y轴磁阻传感器6的柱坐标为(r(r＝(r₁+r₂)/2)，α(α＝180°)，z(z＝z₀-th₂))，X轴磁阻传感器7的柱坐标为(r(r＝(r₁+r₂)/2)，α(α＝90°)，z(z＝z₀-th₂))，X轴磁阻传感器8的柱坐标为(r(r＝(r₁+r₂)/2)，α(α＝270°)，z(z＝z₀-th₂))，Z轴磁阻传感器9的柱坐标为(r(r＝(r₃+r₄)/2),α(α＝180°/M),z(z＝z₁-th₄))。

在其他实施例中，如图3所示还可选该X轴、Y轴和Z轴磁阻传感器均位于非磁性转轮2的上方。其中，Y轴磁阻传感器5的柱坐标为(r(r＝(r₁+r₂)/2)，α(α＝0°)，z(z＝z₀+th₁+th₂))，Y轴磁阻传感器6的柱坐标为(r(r＝(r₁+r₂)/2)，α(α＝180°)，z(z＝z₀+th₁+th₂))，X轴磁阻传感器7的柱坐标为(r(r＝(r₁+r₂)/2)，α(α＝90°)，z(z＝z₀+th₁+th₂))，X轴磁阻传感器8的柱坐标为(r(r＝(r₁+r₂)/2)，α(α＝270°)，z(z＝z₀+th₁+th₂))，Z轴磁阻传感器9的柱坐标为(r(r＝(r₃+r₄)/2),α(α＝180°/M),z(z＝z₁-th₄))。

在其他实施例中，还可选Z轴磁阻传感器的柱坐标为(r(r＝(r₃+r₄)/2),α(α＝3×180°/M),z(z＝z₁-th₄))，或为(r(r＝(r₃+r₄)/2),α(α＝5×180°/M)，z(z＝z₁-th₄))，或为(r(r＝(r₃+r₄)/2),α(α＝7×180°/M),z(z＝z₁-th₄))，或为(r(r＝(r₃+r₄)/2)，α(α＝9×180°/M),z(z＝z₁-th₄))。

可以理解，z₀和z₁均大于或等于0，th₁、th₂、th₃和th₄均大于0，z₀和z₁可以相等也可以不等，th₁、th₂、th₃和th₄中任意两个数值可以相等也可以不等，在本发明中不进行具体限定，在不影响旋转碟式磁场强探头工作的基础上，相关从业人员可以合理设置该多项数值。

本实施例中，该旋转碟式磁场强探头1还包括参考信号发生器和转轴12，可选转轴12的旋转方向为图4箭头方向所示的顺时针方向。

工作时，转轴12以频率f旋转同步带动非磁性转轮2以频率f绕z轴旋转。三维外磁场H经第一软磁扇区3调制成频率为4N×f的敏感磁场分量Hx和Hy，三维外磁场H还经第二软磁扇区4调制成频率为M×f的敏感磁场分量Hz。敏感磁场分量Hx分别被X轴磁阻传感器7和8测量并输出X轴测量信号，敏感磁场分量Hy分别被Y轴磁阻传感器5和6测量并输出Y轴测量信号，敏感磁场分量Hz被Z轴磁阻传感器9测量并输出Z轴测量信号。参考信号发生器输出频率为4N×f的第一参考信号和M×f的第二参考信号。第一参考信号、第二参考信号以及X轴、Y轴和Z轴测量信号均输出至外部处理电路，外部处理电路对接收的参考信号和测量信号进行解调后得出Hx、Hy和Hz值并输出该三个磁场值，以此实现对三维外磁场H的磁场信号的高信噪比测量。

如图5a和图5b所示，为Y轴磁阻传感器的测量原理图。图5a为感应磁场极大值位置，此时Y轴磁阻传感器5在非磁性转轮2上的正投影位于相邻两个第一软磁扇区3(1)和3(2)的间隙中间，Y向感应磁场幅度最大，单个扇区跨越弧度为Φ。图5b为感应磁场极小值位置，此时第一软磁扇区3(2)的旋转角度θ＝Φ/2，Y轴磁阻传感器5在非磁性转轮2上的正投影位于第一软磁扇区3(2)的正中间位置，磁场屏蔽效果最大，因此Y向感应磁场幅度最小。

如图6a和图6b所示，为X轴磁阻传感器的测量原理图。图6a为感应磁场极大值位置，此时X轴磁阻传感器7在非磁性转轮2上的正投影位于相邻两个第一软磁扇区3(3)和3(4)的间隙中间，X向感应磁场幅度最大，单个扇区跨越弧度为Φ。图6b为感应磁场极小值位置，此时第一软磁扇区3(3)的旋转角度θ＝Φ/2，X轴磁阻传感器7在非磁性转轮2上的正投影位于第一软磁扇区3(3)的正中间位置，磁场屏蔽效果最大，因此X向感应磁场幅度最小。

如图7a和图7b所示，为Z轴磁阻传感器的测量原理图。图7a为感应磁场极大值位置，此时Z轴磁阻传感器9在非磁性转轮2上的正投影位于其中一个第二软磁扇区4(2)的正下方或者正上方位置，Z向感应磁场幅度最大，单个扇区跨越弧度为Φ1。图7b为感应磁场极小值位置，此时第二磁性扇区4(2)的旋转角度θ1＝Φ1/2，Z轴磁阻传感器9在非磁性转轮2上的正投影位于相邻两个第二软磁扇区4(2)和4(3)的间隙中间，磁场屏蔽效果最大，因此Z向感应磁场幅度最小。

如图8a所示，为X轴单向磁场条件下X轴磁阻传感器感应磁场强度随非磁性转轮旋转角度的变化图。可以看出，在0°-360°旋转角度范围内，X轴磁阻传感器信号为周期变化且周期为45°。本实施例中选择在0°-360°范围内有8个第一软磁扇区3，跨度为45°，因此假设非磁性转轮旋转频率为f，则X轴磁阻传感器频率为8*f。

同时可以看出，在Y轴单向磁场条件下，Y轴磁阻传感器感应磁场强度随非磁性转轮角度的变化，和X轴单向磁场条件下X轴磁阻传感器磁场强度随非磁性转轮旋转角度的变化是一致的，其结果和图8a相似。

如图8b所示，为Z轴单向磁场条件下Z轴磁阻传感器感应磁场强度随非磁性转轮旋转角度的变化图。可以看出，在0°-360°旋转角度范围内，Z轴磁阻传感器信号为周期变化且周期为72°。本实施例中选择在0°-360°范围内有5个第二软磁扇区4，跨度为72°，因此假设非磁性转轮旋转频率为f，则Z轴磁阻传感器频率为5*f。

如图9所示，为磁阻传感器的白噪声频谱图。由于白噪声具有1/f特征，即在低频140时磁阻传感器噪声较大，而在高频150以上时磁阻传感器噪声大幅降低，因此通过引入非磁性转轮以及在其上设置4N个第一软磁扇区和M个第二软磁扇区，分别将测量磁场Hx、Hy和Hz调制到4N*f和M*f频率，从而达到降低白噪声和提高信噪比的目的。

本发明实施例中，旋转碟式磁场强探头包括非磁性转轮、4N个第一软磁扇区、M个第二软磁扇区、参考信号发生器以及X轴、Y轴和Z轴磁阻传感器，第一软磁扇区和第二软磁扇区均位于非磁性转轮上，X轴、Y轴和Z轴磁阻传感器位于非磁性转轮的上方或下方位置处。工作时，非磁性转轮以频率f绕z轴旋转，外磁场经第一软磁扇区调制成频率为4N×f的敏感磁场分量Hx和Hy，外磁场还经第二软磁扇区调制成频率为M×f的敏感磁场分量Hz，该三个敏感磁场分量Hx、Hy和Hz分别经过该X轴、Y轴和Z轴磁阻传感器输出对应的测量信号，参考信号发生器输出频率为4N×f的第一参考信号和M×f的第二参考信号，第一参考信号、第二参考信号和测量信号经外部处理电路解调输出磁场值Hx、Hy和Hz，以此对三维磁场信号的高信噪比进行测量。本发明实施例中，旋转蝶式磁场强探头将静止磁场调制成高频磁场，在高频磁场中进行测量，这样可以有效克服隧道磁阻(TMR)磁阻传感器直流漂移引起的噪声，消除直流offset的影响，大大降低TMR磁阻传感器使用的噪声。并且该测量结构制作方法简单，只要在磁阻传感器外加一个旋转软磁探头即可实现，降低了测量结构的复杂性和尺寸，该测量结构对于地磁场的监控及信噪比的提高具有使用价值。

示例性的，在上述技术方案的基础上，结合图1～图4所示可选非磁性转轮2具有4N个第一光入射孔10和M个第二光入射孔11，4N个第一光入射孔10的柱坐标分别为(r(r＝r_e1),α(α＝θ&θ+90°/N&θ+2×90°/N…&θ+(i-1)×90°/N…&θ+(4N-1)×90°/N)，z[z₀,z₀+th₁])，M个第二光入射孔11的柱坐标分别为(r(r＝r_e2)，α(α＝θ₁&θ₁+360°/M&θ₁+2×360°/M…&θ₁+(i-1)×360°/M…&θ₁+(M-1)×360°/M)，z[z₀,z₀+th₁])，其中，r₁<r_e1，r₁<r_e2；

参考信号发生器包括：第一发光元件161、第二发光元件162、第一光探测器14、第二光探测器15、第一逻辑触发电路和第二逻辑触发电路，第一发光元件161位于第一光入射孔10上方或者下方位置处，第二发光元件162位于第二光入射孔11上方或者下方位置处，第一光探测器14位于第一光入射孔10与第一发光元件161相对的另一侧位置处，第二光探测器15位于第二光入射孔11与第二发光元件162相对的另一侧位置处；

工作时，非磁性转轮2以频率f绕z轴旋转，当第一光入射孔10和第二光入射孔11依次正对第一发光元件161和第二发光元件162时，第一光探测器14触发第一逻辑触发电路输出频率4N×f的第一参考信号以及第二光探测器15触发第二逻辑触发电路输出频率M×f的第二参考信号。本实施例沿用上述附图和附图标记。

本实施例中，设定N＝2，则8个第一光入射孔10贯穿非磁性转轮2的上下表面，分别为10(1)～10(8)，原始状态下xy坐标第一象限内紧邻+X轴的一第一光入射孔10或者与+X轴交叠的一第一光入射孔10标记为10(1)，剩余7个逆时针依次标记为10(2)～10(8)，可以理解，随着非磁性转轮2的旋转，10(1)会旋转至不同位置。该8个第一光入射孔10的柱坐标分别为(r(r＝r_e1)，α(α＝θ)，z[z₀,z₀+th₁])，(r(r＝r_e1)，α(α＝θ+45°)，z[z₀,z₀+th₁])，(r(r＝r_e1)，α(α＝θ+90°)，z[z₀,z₀+th₁])，(r(r＝r_e1)，α(α＝θ+135°)，z[z₀,z₀+th₁])，(r(r＝r_e1)，α(α＝θ+180°)，z[z₀,z₀+th₁])，(r(r＝r_e1)，α(α＝θ+225°)，z[z₀,z₀+th₁])，(r(r＝r_e1)，α(α＝θ+270°)，z[z₀,z₀+th₁])，(r(r＝r_e1)，α(α＝θ+315°)，z[z₀,z₀+th₁])。

本实施例中，设定M＝5，则5个第二光入射孔11贯穿非磁性转轮2的上下表面，分别为11(1)～11(5)，原始状态下xy坐标第一象限内紧邻+X轴的一第二光入射孔11或者与+X轴交叠的一第二光入射孔11标记为11(1)，剩余4个逆时针依次标记为11(2)～11(5)，可以理解，随着非磁性转轮2的旋转，11(1)会旋转至不同位置。该5个第二光入射孔11的柱坐标分别为(r(r＝r_e2)，α(α＝θ₁)，z[z₀,z₀+th₁])，(r(r＝r_e2)，α(α＝θ₁+72°)，z[z₀,z₀+th₁])，(r(r＝r_e2)，α(α＝θ₁+144°)，z[z₀,z₀+th₁])，(r(r＝r_e2)，α(α＝θ₁+216°)，z[z₀,z₀+th₁])，(r(r＝r_e2)，α(α＝θ₁+288°)，z[z₀,z₀+th₁])。

本实施例中，参考信号发生器包括两个发光元件和两个光探测器，分别为第一发光元件161和第二发光元件162以及第一光探测器14和第二光探测器15，发光元件和光探测器分别位于非磁性转轮2的两侧，以便于光探测器通过光入射孔探测发光元件发出的光线。可选光探测器和磁阻传感器位于非磁性转轮2的同一侧。

如图2所示可选第一发光元件161位于第一光入射孔10上方位置处，第二发光元件162位于第二光入射孔11上方位置处，第一光探测器14位于第一光入射孔10下方位置处，第二光探测器15位于第二光入射孔11下方位置处。在其他实施例中，如图3所示还可选第一发光元件161位于第一光入射孔10下方位置处，第二发光元件162位于第二光入射孔11下方位置处，第一光探测器14位于第一光入射孔10上方位置处，第二光探测器15位于第二光入射孔11上方位置处。可选发光元件为LED灯或其他任意一种适用的发光元件。可以理解，发光元件和光探测器的位置确定之后固定不变。

工作时，转轴12以频率f旋转以同步带动非磁性转轮2以频率f绕z轴旋转，则非磁性转轮2上的光入射孔的位置发生旋转。当第一光入射孔10和第二光入射孔11旋转至依次正对第一发光元件161和第二发光元件162时，位于第一光入射孔10下方的第一光探测器14可以探测到第一发光元件161发出的光线，则第一光探测器14触发第一逻辑触发电路输出频率4N×f的第一参考信号，位于第二光入射孔11下方的第二光探测器15可以探测到第二发光元件162发出的光线，则第二光探测器15触发第二逻辑触发电路输出频率M×f的第二参考信号。

可选第一参考信号和第二参考信号均为高电平或低电平信号；在第一光探测器探测到第一发光元件发出的光线之前，第一逻辑触发电路的电平保持不变，在第一光探测器探测到第一发光元件发出的光线之后，第一逻辑触发电路的电平发生转换；在第二光探测器探测到第二发光元件发出的光线之前，第二逻辑触发电路的电平保持不变，在第二光探测器探测到第二发光元件发出的光线之后，第二逻辑触发电路的电平发生转换。

可以理解，若非磁性转轮2旋转至第一发光元件161、第一光入射孔10与第一光探测器14面向设置的情况下，第一光探测器14可以探测到第一发光元件151的光线并触发第一逻辑触发电路，则第一逻辑触发电路切换输出的第一参考信号的电平；若非磁性转轮2旋转至第一发光元件161、第一光入射孔10与第一光探测器14交错的情况下，第一光探测器14无法探测到第一发光元件161的光线，则第一逻辑触发电路保持第一参考信号的电平不变。第二参考信号的切换过程与第一参考信号的切换过程完全相同，在此不再赘述。

具体的，工作时，非磁性转轮2以频率f绕z轴旋转，光入射孔的位置发生变化。当第一光入射孔10(1)正对第一发光元件161时，第一光探测器14探测到第一发光元件161的光线并将该光信号转变为电信号，从而能够探测到非磁性转轮2的角位移，并触发第一逻辑触发电路输出频率为4N×f的第一参考信号，可选该第一参考信号的电平为高电平，并保持输出；顺序的，当第一光入射孔10(2)正对第一发光元件161时，第一光探测器14探测到第一发光元件161的光线并将该光信号转变为电信号，从而能够探测到非磁性转轮2的角位移，并触发第一逻辑触发电路切换第一参考信号的电平，此时第一参考信号从高电平切换为4N×f频率的低电平，并保持输出；以此类推，当第一光入射孔10正对第一发光元件161时，第一光探测器14触发第一逻辑触发电路切换第一参考信号的电平，当第一光入射孔10与第一发光元件161交错时，第一逻辑触发电路输出的第一参考信号的电平保持不变。由此可知，第一逻辑触发电路输出频率为4N×f的由高电平和低电平组成的第一参考信号。

同理，基于第二发光元件162、第二光入射孔11和第二光探测器15，第二逻辑触发电路输出频率为M×f的由高电平和低电平组成的第二参考信号。

可选第一光探测器14、第二光探测器15、X轴磁阻传感器7和8、Y轴磁阻传感器5和6以及Z轴磁阻传感器9位于同一电路板13上。可以理解，光探测器、磁阻传感器、逻辑触发电路等结构均位于同一电路板13上，逻辑触发电路与对应的光探测器电连接，但并不具体限定逻辑触发电路的柱坐标。

示例性的，在上述技术方案的基础上，可选参考信号发生器包括模拟角度传感器和倍频器；模拟角度传感器监控非磁性转轮的旋转，并输出随角度变化的正弦或余弦周期信号，再通过倍频器分别输出频率为4N×f的第一参考信号和频率为M×f的第二参考信号。与上述实施例不同，本实施例中参考信号发生器可以设置在转轴上。参考信号发生器包含模拟角度传感器，该模拟角度传感器可以用于检测转轴的转动，根据转轴的旋转角度输出频率为f的正弦或者余弦信号。参考信号发生器还包括倍频器，频率为f的正弦或者余弦信号经过倍频器分别生成频率为4N×f的第一参考信号和频率为M×f的第二参考信号。

示例性的，在上述技术方案的基础上，可选X轴磁阻传感器、Y轴磁阻传感器、Z轴磁阻传感器均为隧道磁阻线性传感器。

如图10所示可选外部处理电路包括第一锁相电路24、第二锁相电路28和第三锁相电路26；Y轴磁阻传感器5和6的测量信号经过第一电容20耦合输出到第一锁相电路24，X轴磁阻传感器7和8的测量信号经过第二电容22耦合输出到第二锁相电路28，Z轴磁阻传感器9的测量信号经过第三电容21耦合输出到第三锁相电路26，其中，锁相电路均包含混频器和低通滤波器，第一锁相电路24和第二锁相电路28的低通滤波器的截止频率均小于4N×f，第三锁相电路26的低通滤波器的截止频率小于M×f。

可选外部处理电路还包括前置放大器，前置放大器设置在电容和锁相电路之间。如图11所示，待测量物理量43即测量信号经过调制传感器44形成频率为f的信号，其中包括高频载波信号源Vac和与其相应的传感器441。锁相电路42可选为锁相放大器或锁相环，包括混频器421和低通滤波器422，调制传感器44输出的调制信号经过一个带噪声放大器45进行信号放大，得到信号频率为f的信号，其中，噪声放大器45即为前置放大器。然后，高频载波信号源Vac直接输出一个具有频率为f信号的同频率参考信号，该参考信号输入到混频器421，混频后得到一个高频信号和一个低频信号，而后通过低通滤波器422去掉低频部分。由于噪声信号不会发生频移，所以放大器45的噪声也被过滤掉，最后得到没有放大器噪声的高频输出信号46。

如图10所示可选第一参考信号分别连接到第一锁相电路24和第二锁相电路28，第一锁相电路24输出与外磁场H的Y轴磁场分量对应的Vy信号，第二锁相电路28输出与外磁场H的X轴磁场分量对应的Vx信号；第二参考信号连接到第三锁相电路26，第三锁相电路26输出与外磁场H的Z轴磁场分量对应的Vz信号。可选锁相电路为图中所示锁相放大器。

如上所述，第一光入射孔10(1)在第一发光元件161的照射下，第一光电探测器14将非磁性转轮2旋转的频率f转变成4N×f的第一参考信号。第二光入射孔11(1)在第二发光元件162的照射下，第二光电探测器15将非磁性转轮2旋转的频率f转变成M×f的第二参考信号。其中，第一参考信号分别传输至触发器23和触发器27，经触发器23输入到锁相放大器24的参考信号输入端，用于后续得到对应Y轴磁阻传感器的测量信号，经触发器27输入到锁相放大器28的参考信号输入端，用于后续得到对应X轴磁阻传感器的测量信号。第二参考信号被传输至触发器25，经触发器25输入到锁相放大器26的参考信号输入端，用于后续得到对应Z轴磁阻传感器的测量信号。

另一方面，X轴磁阻传感器7，Y轴磁阻传感器5和Z轴磁阻传感器9接收到的敏感磁场分量Hx、Hy和Hz分别转变成频率为4N×f，4N×f和M×f的电信号，并分别经过耦合电容即第一电容20、第二电容22和第三电容21后输入到锁相放大器24、26和28的测量信号输入端。这样锁相放大器24根据触发器23输出的第一参考信号和Y轴磁阻传感器5的Y轴测量信号，得到Y轴磁场分量的输出信号Vy；锁相放大器28根据触发器27输出的第一参考信号和X轴磁阻传感器7的X轴测量信号，得到X轴磁场分量的输出信号Vx，锁相放大器26根据触发器25输出的第二参考信号和Z轴磁阻传感器的Z轴测量信号，得到Z轴磁场分量的输出信号，从而最终得到外磁场的矢量值。

锁相放大器24、26和28对应的参考信号为脉冲形式，光电探测器14和15接受到的光信号用于激发触发器23、25和27，而后分别输出高电平和低电平。光探测器每接受到一次LED入射光，则进行高低电平反转触发，即开始时低电平，在接受到LED入射光之前，一直保持低电平，接受到LED入射光后切换为高电平，并且一直保持高电平，直到接受到下一次LED入射光，再次从高电平变成低电平。

示例性的，在上述技术方案的基础上，如图12和图13所示可选非磁性转轮2通过磁屏蔽电机29驱动产生旋转，非磁性转轮2和磁屏蔽电机29通过非磁性传动轴12连接，磁屏蔽电机29表面覆盖一层金属导电层291，磁屏蔽电机291的靠近非磁性转轮2的一侧覆盖软磁金属层292进行磁屏蔽。可选第一软磁扇区3、第二软磁扇区4以及软磁金属层292均为软磁合金材料。

本实施例中，磁屏蔽电机29通过非磁性传动轴即转轴12来驱动非磁性转轮2旋转。磁屏蔽电机29包括电机293以及连接电机293和非磁性转轮2的转轴12，还包括包在电机293表面的金属导电屏蔽层291，其中靠近非磁性转轮2的一侧还贴附有软磁金属层292。非磁性转轮2为非磁性材料，包括塑料、陶瓷、金属和聚合物；第一软磁扇区、第二软磁扇区和软磁金属层为软磁合金材料，即包含Co、Fe、Ni和B、Si、C以及过渡金属Nb、Cu、Zr元素组成的高磁导率软磁材料。软磁金属屏蔽层292用于对电机293的旋转磁场进行屏蔽，以免对非磁性转轮2造成影响。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互组合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (11)

1.一种旋转碟式磁场强探头，其特征在于，包括：

非磁性转轮、4N个第一软磁扇区和M个第二软磁扇区，所述第一软磁扇区和所述第二软磁扇区均位于所述非磁性转轮上，所述4N个第一软磁扇区的柱坐标分别为(r[r₁,r₂]，α[Φ₀,90°/N-Φ₀]，z[z₀,z₀+th₁])、(r[r₁,r₂]，α[Φ₀+90°/N，2×90°/N-Φ₀]，z[z₀,z₀+th₁])、(r[r₁,r₂]，α[Φ₀+(i-1)×90°/N,i×90°/N-Φ₀]，z[z₀,z₀+th₁])和(r[r₁,r₂]，α[Φ₀+(4N-1)×90°/N,4N×90°/N-Φ₀]，z[z₀,z₀+th₁])，所述M个第二软磁扇区的柱坐标分别为(r[r₃,r₄]，α[Φ₁,360°/M-Φ₁]，z[z₁,z₁+th₃])、(r[r₃,r₄]，α[Φ₁+360°/M,2×360°/M-Φ₁]，z[z₁,z₁+th₃])、(r[r₃,r₄]，α[Φ₁+(i-1)×360°/M，i×360°/M-Φ₁]，z[z₁,z₁+th₃])和(r[r₃,r₄]，α[Φ₁+(M-1)×360°/M,M×360°/M-Φ₁]，z[z₁,z₁+th₃])；

位于柱坐标(r(r＝(r₁+r₂)/2)，α(α＝0°&180°)，z[(z＝z₀-th₂)|(z＝z₀+th₁+th₂)])位置处的Y轴磁阻传感器；

位于柱坐标(r(r＝(r₁+r₂)/2)，α(α＝90°&270°)，z[(z＝z₀-th₂)|(z＝z₀+th₁+th₂)])位置处的X轴磁阻传感器；

位于柱坐标(r(r＝(r₃+r₄)/2),α[(α＝180°/M)|(α＝3×180°/M)|…|(α＝(2i-1)×180°/M)|…|(α＝(2M-1)×360°/M)|(α＝(M-1)×360°/M)]，z[(z＝z₁-th₄)|(z＝z₁+th₃+th₄)])位置处的Z轴磁阻传感器；

以及参考信号发生器，其中4N/M和M/4N均为非整数；

工作时，所述非磁性转轮以频率f绕z轴旋转，外磁场H经所述第一软磁扇区调制成频率为4N×f的敏感磁场分量Hx和Hy，所述外磁场H还经所述第二软磁扇区调制成频率为M×f的敏感磁场分量Hz，该三个敏感磁场分量Hx、Hy和Hz分别经过该X轴、Y轴和Z轴磁阻传感器输出对应的测量信号，所述参考信号发生器输出频率为4N×f的第一参考信号和M×f的第二参考信号，所述第一参考信号、所述第二参考信号和所述测量信号经外部处理电路解调输出磁场值Hx、Hy和Hz，以此对三维磁场信号的高信噪比进行测量。

2.根据权利要求1所述的旋转碟式磁场强探头，其特征在于，所述非磁性转轮具有4N个第一光入射孔和M个第二光入射孔，所述4N个第一光入射孔的柱坐标分别为(r(r＝r_e1)，α(α＝θ&θ+90°/N&θ+2×90°/N…&θ+(i-1)×90°/N…&θ+(4N-1)×90°/N)，z[z₀,z₀+th₁])，所述M个第二光入射孔的柱坐标分别为(r(r＝r_e2)，α(α＝θ₁&θ₁+360°/M&θ₁+2×360°/M…&θ₁+(i-1)×360°/M…&θ₁+(M-1)×360°/M)，z[z₀,z₀+th₁])，其中，r₁<r_e1，r₁<r_e2；

所述参考信号发生器包括：第一发光元件、第二发光元件、第一光探测器、第二光探测器、第一逻辑触发电路和第二逻辑触发电路，所述第一发光元件位于所述第一光入射孔上方或者下方位置处，所述第二发光元件位于所述第二光入射孔上方或者下方位置处，所述第一光探测器位于所述第一光入射孔与所述第一发光元件相对的另一侧位置处，所述第二光探测器位于所述第二光入射孔与所述第二发光元件相对的另一侧位置处；

工作时，所述非磁性转轮以频率f绕z轴旋转，当所述第一光入射孔和所述第二光入射孔依次正对所述第一发光元件和所述第二发光元件时，所述第一光探测器触发所述第一逻辑触发电路输出频率4N×f的所述第一参考信号以及所述第二光探测器触发所述第二逻辑触发电路输出频率M×f的所述第二参考信号。

3.根据权利要求1所述的旋转碟式磁场强探头，其特征在于，所述参考信号发生器包括模拟角度传感器和倍频器；

所述模拟角度传感器监控所述非磁性转轮的旋转，并输出随角度变化的正弦或余弦周期信号，再通过所述倍频器分别输出频率为4N×f的所述第一参考信号和频率为M×f的所述第二参考信号。

4.根据权利要求2所述的旋转碟式磁场强探头，其特征在于，所述第一参考信号和所述第二参考信号均为高电平或低电平信号；

在所述第一光探测器探测到所述第一发光元件发出的光线之前，所述第一逻辑触发电路的电平保持不变，在所述第一光探测器探测到所述第一发光元件发出的光线之后，所述第一逻辑触发电路的电平发生转换；

在所述第二光探测器探测到所述第二发光元件发出的光线之前，所述第二逻辑触发电路的电平保持不变，在所述第二光探测器探测到所述第二发光元件发出的光线之后，所述第二逻辑触发电路的电平发生转换。

5.根据权利要求2所述的旋转碟式磁场强探头，其特征在于，所述第一光探测器、所述第二光探测器、所述X轴磁阻传感器、所述Y轴磁阻传感器和所述Z轴磁阻传感器位于同一电路板上。

6.根据权利要求1所述的旋转碟式磁场强探头，其特征在于，所述X轴磁阻传感器、所述Y轴磁阻传感器、所述Z轴磁阻传感器均为隧道磁阻线性传感器。

7.根据权利要求6所述的旋转碟式磁场强探头，其特征在于，所述外部处理电路包括第一锁相电路、第二锁相电路和第三锁相电路；

所述Y轴磁阻传感器的测量信号经过第一电容耦合输出到所述第一锁相电路，所述X轴磁阻传感器的测量信号经过第二电容耦合输出到所述第二锁相电路，所述Z轴磁阻传感器的测量信号经过第三电容耦合输出到所述第三锁相电路，其中，锁相电路均包含混频器和低通滤波器，所述第一锁相电路和所述第二锁相电路的低通滤波器的截止频率均小于4N×f，所述第三锁相电路的低通滤波器的截止频率小于M×f。

8.根据权利要求7所述的旋转碟式磁场强探头，其特征在于，所述外部处理电路还包括前置放大器，所述前置放大器设置在所述电容和所述锁相电路之间。

9.根据权利要求7或8所述的旋转碟式磁场强探头，其特征在于，所述第一参考信号分别连接到所述第一锁相电路和所述第二锁相电路，所述第一锁相电路输出与所述外磁场H的Y轴磁场分量对应的Vy信号，所述第二锁相电路输出与所述外磁场H的X轴磁场分量对应的Vx信号；

所述第二参考信号连接到所述第三锁相电路，所述第三锁相电路输出与所述外磁场H的Z轴磁场分量对应的Vz信号。

10.根据权利要求1所述的旋转碟式磁场强探头，其特征在于，所述非磁性转轮通过磁屏蔽电机驱动产生旋转，所述非磁性转轮和所述磁屏蔽电机通过非磁性传动轴连接，所述磁屏蔽电机表面覆盖一层金属导电层，所述磁屏蔽电机的靠近所述非磁性转轮的一侧覆盖软磁金属层进行磁屏蔽。

11.根据权利要求10所述的旋转碟式磁场强探头，其特征在于，所述第一软磁扇区、所述第二软磁扇区以及所述软磁金属层均为软磁合金材料。

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