CN111880129B - 一种自适应补偿磁通门传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自适应补偿磁通门传感器，由激励电路、敏感元件、检测电路、反馈电路、微型控制器以及磁场补偿电路构成。微型控制器执行相应的自适应控制算法，结合对应的电子电路与补偿线圈，实现对变化磁场的实时自动补偿，本发明对原始被测磁场信号进行补偿操作，从而降低对A/D芯片的指标要求，解决大动态范围和高分辨力指标难以同时实现的问题。在相同动态范围和分辨力指标约束的情况下，本发明所提出的技术方案可以将A/D芯片的有效位数节约10位，此外本发明可以对变化的磁场进行实时自适应补偿，无需人工手动调节，进而满足磁场长期监测的应用要求。

Description

一种自适应补偿磁通门传感器

技术领域

本发明属于磁场检测传感器技术领域，具体涉及一种磁通门传感器，特别涉及一种带有自适应补偿功能的磁通门传感器。

背景技术

磁通门传感器是测量直流和低频交流磁场的矢量传感器，其磁场测量的基本原理是法拉第电磁感应定律，核心环节为高导磁材料的磁导率受激励磁场作用发生非线性变化。磁通门传感器具有体积小、重量轻、矢量测量、可靠性高的特点，被誉为综合性能最佳的磁传感器，应用于深井探测、卫星磁测、海洋监测等领域。

在一些需要进行数据长线传输的应用领域，如地质灾害监测预警方面，磁通门传感器需在钻探深度较大的井孔中进行磁场长期监测，会遇到数据的长线传输问题。为避免干扰引入，通常会将磁通门传感器输出的模拟信号转换成数字信号，之后将数字信号传输至地面或远处的数据采集站进行数据采集存储。此外，在地磁场的环境下进行测量，磁传感器需要有较大动态范围，同时前沿科学研究需要磁传感器具有较高的分辨力。传统方法直接采用模拟信号和数字信号转换芯片(A/D芯片)进行信号转换，但受大动态测量范围与高分辨力双重指标的约束，综合A/D芯片有效位数、采样频率、价格、可靠性、拓展性等多方面因素考虑，传统方法不再适用。

中国专利CN107453755A公开了一种基于混合架构的高速高精度多通道并行采集系统，中国专利CN106895861A公开了一种基于多个A/D模块采样的高分辨力光纤光栅反射谱采集方法，通过使用A/D芯片阵列对待测信号进行采集，提高了系统采集部分的性能，但是由于使用了多个A/D芯片，造成了系统成本的提高。中国专利CN202182950U公开了一种台站式磁通门磁力仪，利用数字信号和模拟信号转换芯片(D/A芯片)和基准恒流源，在补偿线圈中产生一个与地磁场方向相反的信号，用于地磁场抵消。但是，由于D/A芯片现有的工艺限制，其时域噪声较大，会给磁测系统引入噪声干扰，不利于高分辨力指标的实现，并且高性能D/A芯片价格昂贵。美国SMALL、丹麦FDE、加拿大MFM3和北京地质仪器厂CTM等磁通门传感器是通过人工手动的方式进行地磁补偿，在一些需要长期连续对变化的磁场进行观测的应用领域，人工调节的方式不再适用。

发明内容

本发明的目的就在于针对现有的磁通门传感器难以满足数据长线传输过程中大动态范围和高分辨力双重指标约束等问题，提供一种体积小、成本低、大动态范围、高分辨力的自适应补偿磁通门传感器。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种自适应补偿磁通门传感器，由激励电路1、敏感元件2、检测电路3、反馈电路4、微型控制器5以及磁场补偿电路6构成；

其中，所述敏感元件2包括激励线圈21、感应线圈22、反馈线圈23和补偿线圈24；所述微型控制器5由内置A/D模块51、量程控制接口52、拓扑网络控制接口53和自适应补偿控制单元54组成；

所述激励电路1连接激励线圈21，产生激励磁场；所述感应线圈22经由检测电路3、反馈电路4与反馈线圈23连接，感应线圈22将磁场信号转变成电信号，经过检测电路3将信号解调，并经反馈电路4，使敏感元件2工作在零磁环境，从而使检测电路3输出端输出与磁场成正比的电压信号，完成磁通门传感器的基本磁测；所述内置A/D模块51与检测电路3的输出端连接，能够读取检测电路3测得的磁场值；所述量程控制接口52与反馈电路4的输入端连接，能够控制传感器的量程；所述拓扑网络控制接口53经由磁场补偿电路6与补偿线圈24连接，控制补偿磁场的大小；所述自适应补偿控制单元54用于外界100nT以上的磁场进行自适应补偿。

进一步地，所述激励电路1由依次相连的低温漂晶振11、分频器12、低通滤波器13以及第一功率放大器14构成，所述低温漂晶振11用于产生稳定的方波信号，分频器12用于将方波信号频率转换成所需的激励信号频率，并提供相敏检波所需的参考信号，低通滤波器13用于将方波转换成正弦波，第一功率放大器14用于提供充足的电流驱动能力。

进一步地，所述敏感元件2还包括磁芯25，激励电路1通过激励线圈21产生激励磁场，使磁芯25处于周期性过饱和状态，进而使外界被测磁场受到调制。

进一步地，所述检测电路3由依次相连的前置放大器31、带通滤波器32、相敏检波器33以及积分器34构成，所述前置放大器31用于将感应线圈输出的信号进行放大，带通滤波器32用于提取信号中的偶次谐波信号，相敏检波器33用于将被调制的外界磁场信号解调，积分器34用于限制带宽和使检测系统处于一阶无静态误差状态。

进一步地，所述反馈电路4由固态开关Ⅰ41、固态开关Ⅱ42、大量程反馈电阻43以及小量程反馈电阻44构成，其中所述固态开关Ⅰ41与大量程反馈电阻43连接，所述固态开关Ⅱ42与小量程反馈电阻44连接，且微型控制器5与固态开关Ⅰ41和固态开关Ⅱ42控制连接，能够控制固态开关的通断。

进一步地，所述微型控制器5为内部自带A/D模块的单片机。

进一步地，所述磁场补偿电路6由电压基准源61、低温漂电阻、4个八选一双通路模拟开关芯片以及第二功率放大器62连接成拓扑结构；所述微型控制器5通过控制4个八选一双通路模拟开关芯片通路的导通，将100nT磁场进行自适应补偿。

进一步地，所述自适应补偿控制单元54对外界100nT以上的磁场进行自适应补偿，包括以下步骤：

a、传感器进行100000nT大量程测量，获取外部磁场完整信息，并将测量值记录在微型控制器5中；

b、对磁场波动幅度进行判断，若磁场短时波动幅度大于100nT，则返回步骤a，若磁场短时波动小于100nT，则执行步骤c；

c、对100nT以上磁场进行补偿操作，并将补偿磁场数值记录在微型控制器5中；

d、用小量程100nT档位进行长期连续测试；

e、判断100nT档位测量时，传感器输出值是否超过量程，若超过量程，返回步骤a，若未超过量程，将测量值记录在微型控制器5中，并返回步骤d。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明对原始被测磁场信号进行补偿操作，从而降低对A/D芯片的指标要求，解决大动态范围和高分辨力指标难以同时实现的问题。在相同动态范围和分辨力指标约束的情况下，本发明所提出的技术方案可以将A/D芯片的有效位数节约10位。

2、本发明通过自适应控制算法，结合对应的电子电路与补偿线圈，实现对变化磁场的实时自动补偿，无需人工手动调节补偿磁场，进而满足长期连续磁场监测的应用要求。

3、本发明所介绍的磁通门传感器输出量为数字信号，与传统输出模拟量的磁通门传感器相比，保证了长线传输数据的可靠性。

4、本发明在对补偿磁场进行记录后，换用小量程进行测量，与大量程测量相比，小量程会减小传感器的倍增误差和温度系数，因此更有利于一些极端环境的应用需求。

附图说明

图1一种带有自适应补偿功能的磁通门传感器构成示意图；

图2激励电路组成框图；

图3检测电路组成框图；

图4反馈电路组成框图；

图5磁场补偿电路组成框图；

图6磁场补偿电路第4级电路简化示意图；

图7磁场补偿电路第3级电路简化示意图；

图8磁场补偿电路第2级电路简化示意图；

图9磁场补偿电路第1级电路简化示意图；

图10自适应补偿控制算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

本发明自适应补偿磁通门传感器，是由激励电路1连接敏感元件2的激励线圈21，敏感元件2的感应线圈22经由检测电路3、反馈电路4与敏感元件2的反馈线圈23连接，构成传感器的基础磁测部分；微型控制器5的内置A/D模块51与检测电路3的输出端连接，微型控制器5的量程控制接口52与反馈电路4的输入端连接，微型控制器5的拓扑网络控制接口53经由磁场补偿电路6与补偿线圈24连接，微控制器5执行相应的自适应补偿控制算法54，以上构成传感器的自适应磁场补偿部分。

敏感元件2由激励线圈21、感应线圈22、反馈线圈23、补偿线圈24、磁芯25构成。其中激励线圈21、感应线圈22、反馈线圈23、补偿线圈24由耐高温、低温漂漆包线绕制而成，磁芯25由高导磁、低磁滞损失并且经退火处理的软磁材料制成，可以为坡莫合金，也可以为钴基非晶合金。

微型控制器5为内部自带A/D模块的单片机，如STM32或MSP430或DSP芯片，因为自适应磁场补偿技术可以在保证大动态和高分辨力的前提下，降低对A/D转换模块的指标要求，因此一部分微控制器内置的A/D模块就能满足应用要求，免去了额外设置A/D模块的步骤，从而降低磁通门传感器设计的复杂性。

激励电路1由低温漂晶振11、分频器12、低通滤波器13、第一功率放大器14构成。其中低温漂晶振11产生稳定的方波信号，分频器12将方波信号频率转换成所需的激励信号频率，并提供相敏检波所需的参考信号，低通滤波器13将方波转换成正弦波，第一功率放大器14提供充足的电流驱动能力，最终激励电路1输出预定幅值和频率的正弦波，驱动激励线圈21产生激励磁场。

检测电路3由前置放大器31、带通滤波器32、相敏检波器33、积分器构成34。其中，前置放大器31负责将感应线圈输出的信号进行放大，起到压制后续检测电路噪声的目的，带通滤波器32负责提取信号中的偶次谐波信号，相敏检波器33负责将被调制的外界磁场信号解调，积分器34的作用是限制带宽和使检测系统处于一阶无静态误差状态。

反馈电路4由固态开关Ⅰ41与大量程反馈电阻43连接，固态开关Ⅱ42与小量程反馈电阻44连接，用固态开关代替继电器，免去电磁继电器带来的电磁干扰，其中固态开关Ⅰ41和固态开关Ⅱ42的作用是对不同量程的反馈电阻进行选通，大量程反馈电阻43与小量程反馈电阻44的阻值直接决定反馈型磁通门传感器的量程，根据反馈控制理论，传感器信号提取部分的传递函数为：

其中，G代表磁通门传感器系统的传递函数，A代表检测电路的传递函数，F代表反馈电路的反馈系数，当AF>>1时：

因此，当检测电路的增益A较大时，磁通门传感器的传递函数只取决于反馈系数F，当反馈系数不变时，检测电路的输出端将输出与被测磁场B成正比的感应电压，反馈系数的表达式如下：

其中，K_F为反馈线圈系数，R_F为反馈电阻阻值，在反馈线圈系数K_F不变的前提下，改变反馈电阻R_F的阻值可以改变传感器的传递函数，进而改变传感器的量程。因此微控制器5通过控制固态开关Ⅰ41和固态开关Ⅱ42的选通，从而控制量程的选择。

磁场补偿电路6由电压基准源61、低温漂电阻、4个八选一双通路模拟开关芯片、第二功率放大器62组成。补偿电路所使用的芯片与电阻均采用贴片封装，其具体实现的原理如下：

敏感元件2的补偿线圈21所产生的磁场可由如下公式表示：

B_C＝K_C×I

其中，B_C为补偿线圈产生的磁场值，K_C为补偿线圈电流与磁场转换系数，I为流经补偿线圈的电流。

磁场补偿电路6中第二功率放大器62的作用是将输入电压转变成预定的电流，转换公式如下:

其中，K_A为功率放大器的放大倍数，U为功率放大器输入端的电压，R_DC为补偿线圈的直流阻抗，上述两个公式联立可得：

由上式可知，补偿线圈产生的磁场B_C与功率放大器输入端的参考电压U成正比，因此通过控制电压U的大小，进而可以控制补偿磁场的大小。

利用电压基准源61产生稳定的电压基准信号、通过微型控制器5控制4个八选一双通路模拟开关通道的开闭，可以控制对应的拓扑网络产生预定的电压。

首先，针对补偿电路的第4级进行分析，如图5所示，端口#3和#4之间由9个电阻串联而成，从中引出10个端子设为a_i(i＝1、2···10)，八选一双通路模拟开关1的通路1有8个输入端子，分别连接到编号为a_m(m＝3、4···10)的端子上，八选一双通路模拟开关1的通路2有8个输入端子，分别连接到编号为a_n(n＝1、2···8)的端子上，通过微型控制器5控制通路1的8个输入端之一的a_ma导通(ma为序号3、4···10之一)，同时微型控制器5控制通路2的8个输入端之一的a_na导通(na＝ma-2，即通路1和通路2的选通端互相配合，当通路1的a₆输入端导通时，通路2的a₄输入端导通)，通路1的选通端直接与输出端#1连接，通路2的选通端直接与输出端#2连接。

第4级补偿电路的简化图如图6所示，通过微型控制器5的控制，方框内端口#1和#2之间的电路等效为在#3和#4之间的接线端间相隔两个电阻自由移动，R0的阻值为X_A，9个串联电阻RAi(i＝1、2···9)彼此之间的电阻值相同，为X_A/2，图6虚线内等效为阻值为X_A/2的电阻RAi和阻值为X_A/2电阻RA(i-1)串联后与阻值为X_A的电阻R0并联，经过电阻的并联公式计算可得虚线内的总电阻为X_A/2，因此#1和#2之间的电路遵循上述规则移动到任意位置，虚线内的电阻阻值都为X_A/2，#3与#4之间的总电阻值保持不变为X_B,(X_B＝X_A/2×8＝4X_A)，设#3和#4之间的电压为U₄，#1端与#4端之间的电压可由分压公式计算

其中(na＝1、2···8)，因此通过微控制器5对模拟开关1的通道进行选通，可以对输出电压进行8个档位的精确调控。

针对补偿电路的第3级进行分析，如图5所示，端口#5和#6之间由6个电阻串联而成，从中引出7个端子设为b_i(i＝1、2···7)，八选一双通路模拟开关2的通路1有8个输入端子，其中的5个输入端子分别连接到编号为b_m(m＝3、4···7)的端子上，八选一双通路模拟开关2的通路2有8个输入端子，其中的5个输入端子分别连接到编号为b_n(n＝1、2···5)的端子上，通过微控制器5控制通路1的5个输入端之一的b_mb导通(mb为序号3、4···7之一)，同时微控制器5控制通路2的5个输入端之一的b_nb导通(nb＝mb-2，即通路1和通路2的选通端互相配合，当通路1的b₆输入端导通时，通路2的b₄输入端导通)，通路1的选通端直接与输出端#3连接，通路2的选通端直接与输出端#4连接。

第3级的简化图如图7所示，通过微控制器5的控制，方框内端口#3和#4之间的电路等效为在#5和#6之间的接线端间相隔两个电阻自由移动，R1等效为第3级补偿电路#3和#4之间的总电阻，其阻值为X_B，6个串联电阻RBi(i＝1、2···6)彼此之间的电阻值相同，为X_B/2，图7虚线内等效为阻值为X_B/2的电阻RBi和阻值为X_B/2电阻RB(i-1)串联后与阻值为X_B的电阻R1并联，经过电阻的并联公式计算可得虚线内的总电阻为X_B/2，因此#3和#4之间的电路遵循上述规则移动到任意位置，虚线内的电阻阻值都为X_B/2，#5与#6之间的总电阻值保持不变为X_C,(X_C＝X_B/2×5＝5X_B/2)，设#5和#6之间的电压为U₃，则#3和#4之间的电压U₄＝U₃/5，#4端与#6端之间的电压可由分压公式计算

其中(nb＝1、2···5)，因此通过微型控制器5对模拟开关2的通道进行选通，可以对输出电压进行5个档位的精确调控。

针对补偿电路的第2级进行分析，如图5所示，端口#7和#8之间由6个电阻串联而成，从中引出7个端子设为c_i(i＝1、2···7)，八选一双通路模拟开关3的通路1有8个输入端子，其中的5个输入端子分别连接到编号为c_m(m＝3、4···7)的端子上，八选一双通路模拟开关3的通路2有8个输入端子，其中的5个输入端子分别连接到编号为c_n(n＝1、2···5)的端子上，通过微控制器5控制通路1的5个输入端之一的c_mc导通(mc为序号3、4···7之一)，同时微控制器5控制通路2的5个输入端之一的c_nc导通(nc＝mc-2，即通路1和通路2的选通端互相配合，当通路1的c₆输入端导通时，通路2的c₄输入端导通)，通路1的选通端直接与输出端#5连接，通路2的选通端直接与输出端#6连接。

第2级的简化图如图8所示，通过微型控制器5的控制，方框内端口#5和#6之间的电路等效为在#7和#8之间的接线端间相隔两个电阻自由移动，R2等效为第3级补偿电路#5和#6之间的总电阻，其阻值为X_C，6个串联电阻RCi(i＝1、2···6)彼此之间的电阻值相同，为X_C/2，图8虚线内等效为阻值为X_C/2的电阻RCi和阻值为X_C/2电阻RC(i-1)串联后与阻值为X_C的电阻R2并联，经过电阻的并联公式计算可得虚线内的总电阻为X_C/2，因此#5和#6之间的电路遵循上述规则移动到任意位置，虚线内的电阻阻值都为X_C/2，#7与#8之间的总电阻值保持不变为X_D,(X_D＝X_C/2×5＝5X_C/2)，设#7和#8之间的电压为U₂，则#5和#6之间的电压U₃＝U₂/5，#6端与#8端之间的电压可由分压公式计算

其中(nc＝1、2···5)，因此通过微型控制器5对模拟开关3的通道进行选通，可以对输出电压进行5个档位的精确调控。

针对补偿电路的第1级进行分析，如图5所示，电压基准源61与参考地63之间由6个电阻串联而成，从中引出7个端子设为d_i(i＝1、2···7)，八选一双通路模拟开关4的通路1有8个输入端子，其中的5个输入端子分别连接到编号为d_m(m＝3、4···7)的端子上，八选一双通路模拟开关4的通路2有8个输入端子，其中的5个输入端子分别连接到编号为d_n(n＝1、2···5)的端子上，通过微控制器5控制通路1的5个输入端之一的d_md导通(md为序号3、4···7之一)，同时微控制器控制通路2的5个输入端之一的d_nd导通(nd＝md-2，即通路1和通路2的选通端互相配合，当通路1的d₆输入端导通时，通路2的d₄输入端导通)，通路1的选通端直接与输出端#7连接，通路2的选通端直接与输出端#8连接。

第1级的简化图如图9所示，通过微型控制器5的控制，方框内端口#7和#8之间的电路等效为在电压基准源61和参考地63之间的接线端间相隔两个电阻自由移动，R3等效为第3级补偿电路#7和#8之间的总电阻，其阻值为X_D，6个串联电阻RDi(i＝1、2···6)彼此之间的电阻值相同，为X_D/2，图9虚线内等效为阻值为X_D/2的电阻RDi和阻值为X_D/2电阻RD(i-1)串联后与阻值为X_D的电阻R3并联，经过电阻的并联公式计算可得虚线内的总电阻为X_D/2，因此#7和#8之间的电路遵循上述规则移动到任意位置，虚线内的电阻阻值都为X_D/2，电压基准源61与参考地63之间的总电阻值保持不变为X_E,(X_E＝X_D/2×5＝5X_D/2)，电压基准源61提供的电压为U₁，则#7和#8之间的电压U₂＝U₁/5，#8端与参考地63之间的电压可由分压公式计算

其中(nd＝1、2···5)，因此通过微控制器5对模拟开关4的通道进行选通，可以对输出电压进行5个档位的精确调控。

最终贴片电阻与模拟开关组成的拓扑网络对外输出的参考电压U(即#1端与参考地之间的电压)可表示为上述各级输出电压之和，并且结合电压U₁、U₂、U₃、U₄彼此之间的关系，参考电压U表达式如下：

其中，U₁为电压基准源61提供的基准电压，na、nb和nc通过微型控制器5调控可以取值为1～5，nd可以取值为1～8,由上式可知通过补偿电路的拓扑网络可以实现4个级别精确的电压调控，结合上文所述参考电压U与补偿磁场B_C之间的正比关系，整个补偿电路功能实现可以分为4级，第1级别有5个档位，将100000nT平分成5份，每个档位可调节20000nT磁场；第2级别有5个档位，可将上一级的20000nT平分5份，每个档位可调节4000nT磁场；第3级别有5个档位，可将上一级的4000nT平分5份，每个档位可调节800nT磁场；第4级别有8个档位，可将上一级的800nT平分8份，每个档位可调节100nT磁场；因此利用自适应补偿算法，微控制器结合补偿电路与补偿线圈可以将100nT磁场进行自适应补偿。

激励电路1通过激励线圈21产生激励磁场，使磁芯25处于周期性过饱和状态，进而使外界被测磁场受到调制，感应线圈22将磁场信号转变成电信号，经过检测电路3将信号解调，并经反馈电路4，使敏感元件2工作在零磁环境，从而使检测电路3输出端输出与磁场成正比的电压信号，完成磁通门传感器的基本磁测功能。

自适应补偿过程通过以下步骤实现，传感器上电后，首先进行100000nT大量程测量，获取外部被测磁场完整信息，然后对磁场波动幅度进行判断，若磁场短时波动幅度大于100nT，则一直用大量程测量，若短时波动小于100nT,则对100nT以上磁场进行补偿，并将补偿磁场数值记录在微型控制器5中，然后换用小量程100nT档位进行测量，长期测量过程中，若发生地质状态异常，导致被测磁场发生较大变化，进而使被测磁场超出量程范围，此时重新用大量程档进行测量，重复上述步骤，具体流程如图10所示，以上过程不受外界磁场大小的限制，可以自适应补偿外界100nT以上的磁场。

其中，微型控制器5可以实现如下功能：(1)通过内置AD模块51可以读取传感器测得的磁场值；(2)通过控制固态开关Ⅰ41和固态开关Ⅱ42的通断，进行大量程反馈电阻43和小量程反馈电阻44的选择，进而控制传感器的量程；(3)通过控制四片模拟开关芯片通道的导通，进而控制磁场补偿电路6，实现100nT以上磁场的精确补偿。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

在井下1000m处进行地磁场的长期连续监测，要求井下磁通门传感器动态范围为±100000nT，分辨力优于0.01nT。

A/D有效位数计算公式：

其中，m为A/D所需有效位数，V_i,max为A/D芯片输入的最大信号，V_i,min为A/D芯片可分辨的最小信号，将所要求的指标参数带入公式中，并且考虑正负量程，计算得到m≥25，在一定采样率条件下，有效位数为25位以上的A/D芯片较难选型。

由于井下1000m地球深部环境下避免了人文干扰，同时考虑地磁场日变影响，磁场短时波动不会超过100nT，因此采用自适应磁场补偿技术，将100nT以上的地磁场进行自适应补偿并记录，换用100nT小量程进行长期测量，将此时参数代入A/D位数计算公式，得m≥15，对比传统方案可知本发明所设计的一种带有自适应补偿功能的磁通门传感器可以在同样的参数指标下，A/D有效位数节约了10位，此时选用片内具有16位A/D模块的微控制器即可满足要求。

本发明对原始被测磁场信号进行了自适应的补偿操作，从而在保证大动态范围和高分辨力指标的前提下，降低了对采集部分性能的要求，使市面上通用的A/D芯片或微控制器内置A/D模块就可以满足应用要求，进而降低了整体成本；通过在磁通门传感器中加入磁场补偿电路、微控制器以及相应控制算法实现对变化磁场的自适应补偿，无需人工手动调节，即可实现磁通门传感器大动态范围、高分辨力的长期磁场监测。

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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种自适应补偿磁通门传感器，其特征在于：由激励电路(1)、敏感元件(2)、检测电路(3)、反馈电路(4)、微型控制器(5)以及磁场补偿电路(6)构成；

其中，所述敏感元件(2)包括激励线圈(21)、感应线圈(22)、反馈线圈(23)和补偿线圈(24)；所述微型控制器(5)由内置A/D模块(51)、量程控制接口(52)、拓扑网络控制接口(53)和自适应补偿控制单元(54)组成；

所述激励电路(1)连接激励线圈(21)，产生激励磁场；所述感应线圈(22)经由检测电路(3)、反馈电路(4)与反馈线圈(23)连接，感应线圈(22)将磁场信号转变成电信号，经过检测电路(3)将信号解调，并经反馈电路(4)，使敏感元件(2)工作在零磁环境，从而使检测电路(3)输出端输出与磁场成正比的电压信号；所述内置A/D模块(51)与检测电路(3)的输出端连接，能够读取检测电路(3)测得的磁场值；所述量程控制接口(52)与反馈电路(4)的输入端连接，能够控制传感器的量程；所述拓扑网络控制接口(53)经由磁场补偿电路(6)与补偿线圈(24)连接，控制补偿磁场的大小；所述自适应补偿控制单元(54)用于外界100nT以上的磁场进行自适应补偿；

所述自适应补偿控制单元(54)对外界100nT以上的磁场进行自适应补偿过程，包括以下步骤：

a、传感器进行100000nT大量程测量，获取外部磁场完整信息，并将测量值记录在微型控制器(5)中；

b、对磁场波动幅度进行判断，若磁场短时波动幅度大于100nT，则返回步骤a，若磁场短时波动小于100nT，则执行步骤c；

c、对100nT以上磁场进行补偿操作，并将补偿磁场数值记录在微型控制器(5)中；

d、用小量程100nT档位进行长期连续测试；

e、判断100nT档位测量时，传感器输出值是否超过量程，若超过量程，返回步骤a，若未超过量程，将测量值记录在微型控制器(5)中，并返回步骤d；

所述反馈电路(4)由固态开关Ⅰ(41)、固态开关Ⅱ(42)、大量程反馈电阻(43)以及小量程反馈电阻(44)构成，其中所述固态开关Ⅰ(41)与大量程反馈电阻(43)连接，所述固态开关Ⅱ(42)与小量程反馈电阻(44)连接，且微型控制器(5)与固态开关Ⅰ(41)和固态开关Ⅱ(42)控制连接，能够控制固态开关的通断；

所述磁场补偿电路(6)由电压基准源(61)、低温漂电阻、4个八选一双通路模拟开关芯片、第二功率放大器(62)连接成拓扑结构；所述微型控制器(5)通过控制4个八选一双通路模拟开关芯片通路的导通，将100nT以上的外界磁场进行补偿。

2.根据权利要求1所述的一种自适应补偿磁通门传感器，其特征在于：所述激励电路(1)由依次相连的低温漂晶振(11)、分频器(12)、低通滤波器(13)以及第一功率放大器(14)构成，所述低温漂晶振(11)用于产生稳定的方波信号，分频器(12)用于将方波信号频率转换成所需的激励信号频率，并提供相敏检波所需的参考信号，低通滤波器(13)用于将方波转换成正弦波，第一功率放大器(14)用于提供充足的电流驱动能力。

3.根据权利要求1所述的一种自适应补偿磁通门传感器，其特征在于：所述敏感元件(2)还包括磁芯(25)，激励电路(1)通过激励线圈(21)产生激励磁场，使磁芯(25)处于周期性过饱和状态，进而使外界被测磁场受到调制。

4.根据权利要求1所述的一种自适应补偿磁通门传感器，其特征在于：所述检测电路(3)由依次相连的前置放大器(31)、带通滤波器(32)、相敏检波器(33)以及积分器(34)构成，所述前置放大器(31)用于将感应线圈输出的信号进行放大，带通滤波器(32)用于提取信号中的偶次谐波信号，相敏检波器(33)用于将被调制的外界磁场信号解调，积分器(34)用于限制带宽和使检测系统处于一阶无静态误差状态。

5.根据权利要求1所述的一种自适应补偿磁通门传感器，其特征在于：所述微型控制器(5)为内部自带A/D模块的单片机。

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