CN112578321B - 一种原位声补偿数字式磁场传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种原位声补偿数字式磁场传感器，其特点是该磁场传感器包括：压电材料、磁致伸缩材料、前置匹配电路、信号采集与处理电路和主控模块，所述压电材料上分布有补偿区以及与磁致伸缩材料耦合的敏感区；所述敏感区与补偿区若干独立区域的电极通过串并联方式引出后与多路前置匹配电路连接；所述前置匹配电路与信号采集与处理电路和主控模块依次串接后由输出接口将数字化的磁场测量数据输出；所述主控模块通过算法控制各路的闭合，并将求差信号的极小值所对应的状态锁定，实现原位声的补偿。本发明与现有技术相比具有灵敏度高，测量误差小，大大改善了阻尼特性和谐振特性，结构简单，制作成本低。

Description

一种原位声补偿数字式磁场传感器
技术领域
本发明涉及磁场传感器技术领域，尤其是原位声补偿数字式磁场传感器。
背景技术
低强度磁场传感器又称弱磁传感器，通常被用来测量0.1nT以下的磁场，在军事、资源勘探、地震预警、科学研究、工业检测、医疗等领域被广泛的使用。当前国内外弱磁传感器主要有质子磁力仪、光泵磁力仪、原子磁力仪、磁通门、超导量子干涉仪、光纤磁力仪、压电/磁致伸缩复合磁电型等种类。其中，基于压电/磁致伸缩复合材料的磁电型弱磁传感器具有灵敏度高、频带宽、功耗低、成本低等诸多优点。但是由于压电材料对声音敏感，弱磁传感器在使用过程中容易被声音干扰进而增大测量误差，限制了其在复杂环境下的使用。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而设计的一种原位声补偿数字式磁场传感器，采用多路前置匹配电路分别连接的补偿区，以及与磁致伸缩材料耦合的敏感区，敏感区和补偿区信号依次通过多路前置匹配电路、信号采集与处理电路和主控模块，主控模块通过算法控制多路开关各路的闭合，将极小值所对应的程控多路开关的状态锁定，实现原位声完的补偿，并以数字形式输出磁场测量数据，有效降低了噪声，提高了检波器灵敏度和续航能力，改善了阻尼特性和谐振特性，结构简单，测量误差小，尤其适合在复杂环境下的使用。
本发明的目的是这样实现的：一种原位声补偿数字式磁场传感器，其特点是该磁场传感器包括：压电材料、磁致伸缩材料、永磁体、多路前置匹配电路、信号采集与处理电路、电源模块、主控模块、导电屏蔽层、线圈、发音器和输出接口，所述压电材料上分布有补偿区以及与磁致伸缩材料耦合的敏感区；所述补偿区由电极分割为若干独立区域；所述敏感区与补偿区若干独立区域的电极通过串并联方式引出后与多路前置匹配电路连接，或敏感区与补偿区若干独立区域的电极一一接入多路前置匹配电路；所述多路前置匹配电路与信号采集与处理电路和主控模块依次串接后由输出接口将数字化的磁场测量数据输出；所述磁致伸缩材料由永磁体提供偏置磁场；所述主控模块通过算法控制各路的闭合，并将求差信号的极小值所对应的状态锁定，实现原位声的补偿。
所述补偿区若干独立区域的电极分别通过程控多路开关与敏感区电极连接后接入多路前置匹配电路，并由主控模块通过算法控制程控多路开关的各路闭合，将求差信号的极小值所对应的状态锁定，实现原位声的补偿。
所述压电材料上设有线圈和发音器，所述线圈缠绕在磁致伸缩材料和补偿区的一若干独立区域上；所述发音器为数个，且以压电材料为中心对称排布。
所述永磁体为数个，且以磁致伸缩材料为中心对称排布。
所述信号采集与处理电路具有锁相放大功能。
所述电源模块为前置匹配电路、信号采集与处理电路和主控模块供电。
所述主控模块产生的波形信号通过电源模块的增强功率后为线圈和发音器供电。
本发明与现有技术相比具有灵敏度高、频带宽、功耗低，改善了阻尼特性和谐振特性，大大降低了噪声，检波器灵敏度和续航能力得到进一步提高，结构简单，制作成本低，测量误差小，尤其适合在复杂环境下的使用。
附图说明
图1为本发明实施例图；
图2为本发明另一实施例图；
图3为本发明又一实施例图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
实施例1
参阅附图1，本发明由设置在导电屏蔽层8内的压电材料1、磁致伸缩材料2、永磁体3、多路前置匹配电路4、信号采集与处理电路5、电源模块6、主控模块7和输出接口9组成，所述压电材料1上分布有补偿区12以及与磁致伸缩材料2耦合的敏感区11；所述补偿区12由电极分割为若干独立区域；所述敏感区11与补偿区12若干独立区域的电极通过串并联方式引出后接入多路前置匹配电路4；所述多路前置匹配电路4与信号采集与处理电路5和主控模块7依次串接后由输出接口9将数字化的磁场测量数据输出；所述磁致伸缩材料2由永磁体3提供偏置磁场；所述信号采集与处理电路5具有锁相放大功能；所述永磁体3为两个，且以磁致伸缩材料2为中心对称排布；所述主控模块7通过算法控制各路的闭合，并将求差信号的极小值所对应的状态锁定，实现原位声的补偿。
所述电源模块6为前置匹配电路4、信号采集与处理电路5和主控模块7供电。所述压电材料1采用PZT陶瓷；所述磁致伸缩材料2采用Terfenol-D合金；所述永磁体3采用钕铁硼磁钢；所述多路前置匹配电路4采用电荷放大器；所述导电屏蔽层8材质为铜箔；所述发音器13为电磁喇叭。
实施例2
参阅附图2，本发明由设置在导电屏蔽层8内的压电材料1、磁致伸缩材料2、永磁体3、多路前置匹配电路4、信号采集与处理电路5、电源模块6、主控模块7、输出接口9、线圈10和发音器13组成，所述压电材料1上分布有补偿区12、与磁致伸缩材料2耦合的敏感区11，以及线圈10和发音器13；所述补偿区12由电极分割为若干独立区域；所述线圈10缠绕在磁致伸缩材料2和补偿区12的一若干独立区域上；所述永磁体3为三个，且以磁致伸缩材料2为中心对称排布；所述磁致伸缩材料2由永磁体3提供偏置磁场；所述发音器13为两个，且以压电材料1为中心对称排布；所述敏感区11与补偿区12若干独立区域的电极一一接入多路前置匹配电路4；所述多路前置匹配电路4与信号采集与处理电路5和主控模块7依次串接后由输出接口9将数字化的磁场测量数据输出；所述信号采集与处理电路5具有锁相放大功能；所述主控模块7通过算法控制各路的闭合，并将求差信号的极小值所对应的状态锁定，实现原位声的补偿。
所述电源模块6为前置匹配电路4、信号采集与处理电路5和主控模块7供电；所述主控模块7产生的波形信号通过电源模块6的增强功率后为线圈10和发音器13供电；所述线圈7为漆包铜线绕制的螺线管线圈；所述压电材料1采用PZT陶瓷；所述磁致伸缩材料2采用Terfenol-D合金；所述永磁体3采用钕铁硼磁钢；所述多路前置匹配电路4采用电荷放大器；所述导电屏蔽层8材质为铜箔；所述发音器13为电磁喇叭。
实施例3
参阅附图3，本发明由设置在导电屏蔽层8内的压电材料1、磁致伸缩材料2、永磁体3、多路前置匹配电路4、信号采集与处理电路5、电源模块6、主控模块7、输出接口9、线圈10、发音器13和程控多路开关14组成，所述压电材料1上分布有补偿区12、与磁致伸缩材料2耦合的敏感区11，以及线圈10和发音器13；所述补偿区12由电极分割为若干独立区域；所述线圈10缠绕在磁致伸缩材料2和补偿区12的一若干独立区域上；所述永磁体3为三个，且以磁致伸缩材料2为中心对称排布；所述磁致伸缩材料2由永磁体3提供偏置磁场；所述发音器13为两个，且以压电材料1为中心对称排布；所述敏感区11与补偿区12若干独立区域的电极一一接入多路前置匹配电路4；所述多路前置匹配电路4与信号采集与处理电路5和主控模块7依次串接后由输出接口9将数字化的磁场测量数据输出；所述信号采集与处理电路5具有锁相放大功能；所述补偿区12若干独立区域的电极分别通过程控多路开关14与敏感区11电极连接后接入多路前置匹配电路4，并由主控模块7通过算法控制程控多路开关14的各路闭合，将求差信号的极小值所对应的状态锁定，实现原位声的补偿。
所述电源模块6为前置匹配电路4、信号采集与处理电路5和主控模块7供电；所述主控模块7产生的波形信号通过电源模块6的增强功率后为线圈10和发音器13供电；所述线圈7为漆包铜线绕制的螺线管线圈；所述压电材料1采用PZT陶瓷；所述磁致伸缩材料2采用Terfenol-D合金；所述永磁体3采用钕铁硼磁钢；所述多路前置匹配电路4采用电荷放大器；所述导电屏蔽层8材质为铜箔；所述发音器13为电磁喇叭。
本发明按下述步骤进行原位声补偿的：
1）原位声补偿的校准
当所述磁场传感器进入原位声补偿校准流程时，首先由主控模块7产生特定波形的信号通过电源模块6增强功率后为线圈10供电，线圈10产生直流和交流磁场作用在磁致伸缩材料2上引起伸缩带动压电材料1形变并输出电信号，固定产生的交流磁场分量的幅度和频率，通过扫描产生的直流磁场分量，找到压电材料1输出电信号的极小值，并保持对应的直流磁场分量，关闭交流磁场分量，然后由主控模块7产生特定波形的信号通过电源模块6增强功率后为发音器13供电，并由主控模块7对敏感区11和补偿区12两路信号求差，通过扫描补偿区12对应的多路前置匹配电路4的增益，找到求差信号的极小值，并将极小值对应的多路前置匹配电路4通道的增益锁定，完成声原位声补偿校准流程。
2）原位声的补偿
声原位声补偿校准流程结束后，磁场传感器进入工作模式，锁定校准流程得到的多路前置匹配电路4通道的增益，敏感区11和补偿区12信号依次通过多路前置匹配电路4、信号采集与处理电路5进入主控模块7并被求差，通过单位变换后以数字形式输出磁场测量数据。
以上只是对本发明作进一步的说明，并非用以限制本专利，在不背离本发明构思的精神和范围下的等效实施，均应包含于本专利的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种原位声补偿数字式磁场传感器，其特征在于磁场传感器由设置在导电屏蔽层（8）内的压电材料（1）、磁致伸缩材料（2）、永磁体（3）、多路前置匹配电路（4）、信号采集与处理电路（5）、电源模块（6）和主控模块（7）组成，所述压电材料（1）上分布有补偿区（12）以及与磁致伸缩材料（2）耦合的敏感区（11）；所述补偿区（12）由电极分割为若干独立区域；所述敏感区（11）与补偿区（12）若干独立区域的电极通过串并联方式引出后与多路前置匹配电路（4）连接，或敏感区（11）与补偿区（12）若干独立区域的电极一一接入多路前置匹配电路（4）；所述多路前置匹配电路（4）与信号采集与处理电路（5）和主控模块（7）依次串接后由输出接口（9）将数字化的磁场测量数据输出；所述磁致伸缩材料（2）由永磁体（3）提供偏置磁场；所述主控模块（7）通过算法控制各路的闭合，并将求差信号的极小值所对应的状态锁定，实现原位声的补偿；所述电源模块（6）为前置匹配电路（4）、信号采集与处理电路（5）和主控模块（7）供电。
2.根据权利要求1所述原位声补偿数字式磁场传感器，特征在于所述补偿区（12）若干独立区域的电极分别通过程控多路开关（14）与敏感区（11）电极连接后接入多路前置匹配电路（4），并由主控模块（7）通过算法控制程控多路开关（14）的各路闭合，将求差信号的极小值所对应的状态锁定，实现原位声的补偿。
3.根据权利要求1所述原位声补偿数字式磁场传感器，特征在于所述压电材料（1）上设有线圈（10）和发音器（13），所述线圈（10）缠绕在磁致伸缩材料（2）和补偿区（12）的一若干独立区域上；所述发音器（13）为数个，且以压电材料（1）为中心对称排布。
4.根据权利要求1所述原位声补偿数字式磁场传感器，特征在于所述永磁体（3）为数个，且以磁致伸缩材料（2）为中心对称排布。
5.根据权利要求1所述原位声补偿数字式磁场传感器，特征在于所述信号采集与处理电路（5）具有锁相放大功能。
6.根据权利要求1或权利要求2所述原位声补偿数字式磁场传感器，特征在于所述主控模块（7）产生的波形信号通过电源模块（6）的增强功率后为线圈（10）和发音器（13）供电。
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