CN112763946B - 一种磁通门磁强计反馈系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁通门磁强计反馈系统，包括数字反馈计算模块，用于计算反馈数字信号；DAC输出模块，用于将计算出的反馈数字信号转为反馈模拟电压信号；电压‑电流转换模块，用于将反馈模拟电压信号转为反馈电流信号；传感器反馈线圈模块，在反馈电流信号作用下产生反馈磁场信号，用于抵消掉外界磁场信号。数字反馈计算模块使用快速反馈算法计算反馈数字信号，DAC输出模块使用两个DAC提高量程和分辨率。这种反馈系统，反馈速度快，反馈信号精确、分辨率高，大幅提高了数字磁通门的灵敏度、线性度和分辨率。

Description

一种磁通门磁强计反馈系统

技术领域

本发明属于磁强计设备技术领域，尤其涉及一种针对磁通门磁强计反馈系统。

背景技术

磁通门磁强计是用来测量磁感应强度的传感器， 在工农业、国防、航空航天、海洋、气象、医疗等领域有广泛应用，特别是在测量地球和行星磁场中，是应用最为广泛的传感器。

随着磁通门磁强计设备的发展，对弱磁场测量要求越来也高，弱磁测量需要磁强计的分辨率较高，需要通过反馈方式来提高设备的分辨率并调节到合适的量程。目前市面的磁通门磁强计虽已有反馈系统，但多是通过模拟电路实现反馈，这种反馈方式精度不高，同时抗干扰能力较弱，即使有一些数字和模拟电路结合实现的反馈系统，其反馈速度和反馈精度都不高，无法大幅提高磁通门磁强计的性能，仍然无法满足在一些对超弱磁场环境下的磁场测量。

发明内容

针对上述背景技术中提到的技术缺陷，为了解决上述题述问题，本发明提供了一种磁通门磁强计反馈系统。

一种磁通门磁强计反馈系统，包括数字反馈计算模块、DAC输出模块、电压-电流转换模块和传感器反馈线圈；

具体的，所述数字反馈计算模块用于接收来自磁通门磁强计感应信号处理出的与外界磁场对应的数据，并计算反馈数字信号的大小；

进一步的，所述DAC输出模块用于接收所述反馈数字信号，并将所述反馈数字信号转换为反馈模拟电压信号；

进一步的，所述电压-电流转换模块用于接收所述反馈模拟电压信号，并将所述反馈模拟电压信号转换为反馈电流信号；

进一步的，所述传感器反馈线圈通过所述反馈电流信号产生反馈磁场，从而将外界磁场抵消，使磁通门磁强计感应线圈处于零场作用下。

具体的，所述数字反馈计算模块采用的是数字信号处理方法，并通过快速反馈方法计算出反馈数字信号的大小；

进一步的，所述快速反馈算法计算方法分以下三种情况：

线性区，即当反馈磁场与外界磁场相差很小时，磁强计的感应线圈处于很小的磁场下，此时磁场感应强度的变化量与所述反馈数字信号的变化量之比为常数k时，则直接根据常数k与磁场强度变化量即可得出反馈数字信号大小；

变化区，即当反馈磁场与外界磁场相差较大时，磁强计的感应线圈处于很大的磁场下，此时计算出的磁场感应强度较大，则通过二分搜索的方法计算反馈信号，使反馈磁场快速逼近外界磁场，从而使磁强计的感应线圈快速处于很小的磁场下；

稳定区，即当反馈磁场与外界磁场相差不大时，磁强计的感应线圈处于较小的磁场下，但还未进入线性区，则通过增量搜索的方法计算反馈信号，使反馈磁场能够快速精确的接近外界磁场，从而使磁强计的感应线圈快速处于线性区。

具体的，所述DAC输出模块采用两个DAC芯片，且两个DAC芯片为“拼接”使用，其中一个用来反馈大范围磁场，一个反馈小范围磁场。

具体的，将反馈数字信号分配到两个DAC上，以此实现对分辨率的调整。

具体的，所述电压-电流转换模块通过运算放大器和精密电阻实现反馈模拟电压信号到反馈电流信号的转换。

进一步的，通过调整电压-电流转换模块的参数调整输出反馈电流信号的大小，从而调整磁通门磁强计的量程和分辨率。

具体的，所述传感器反馈线圈模块中的线圈使用的是漆包线绕制的空心线圈。

进一步的，所述传感器反馈线圈模块中的线圈的大小、参数以及摆放位置是通过仿真计算得到，且产生得反馈磁场能够抵消外界磁场，使感应线圈能够最终处于稳定的磁场强度几乎为零的磁场下。

本发明提出的磁通门磁强计反馈系统，能够实现快速精确的反馈信号计算以及稳定的反馈磁场输出，能够实现磁通门磁强计的快速精确反馈，并可以通过调节反馈系统的参数，调整磁通门磁强计合适的量程范围。 这种方式大幅提高了磁通门磁强计的分辨率以及处理速度，通过试验验证，使用这种反馈系统可以将磁通门磁强计的分辨率提高到几个pT以内，而且快速计算方式也能提高设备的数据输出速率和灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面对实施例描述中所需要使用的附图作一个简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的磁通门磁强计反馈系统的框图；

图2为本发明实施例的DAC输出模块的电路示意图；

图3 为本发明实施例的电压-电流模块的电路示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅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。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“耦合”、“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明实施例提供了一种磁通门磁强计反馈系统，如图1所示， 所述磁通门磁强计反馈系统包括：

数字反馈计算模块100、DAC输出模块200、电压-电流转换模块300、传感器反馈线圈模块400。

具体的，所述数字反馈计算模块用于接收来自磁通门磁强计感应信号处理出的与外界磁场对应的数据，并计算反馈数字信号的大小；

优选的，所述计算方法为“快速反馈算法”；

进一步的，数字反馈计算模块的信号处理方式可以分为以下三种情况：

线性区，即当反馈磁场与外界磁场相差很小时，磁强计的感应线圈处于很小的磁场下，此时磁场感应强度的变化量与所述反馈数字信号的变化量之比为常数k时，则直接根据常数k与磁场强度变化量即可得出反馈数字信号大小；

变化区，即当反馈磁场与外界磁场相差较大时，磁强计的感应线圈处于很大的磁场下，此时计算出的磁场感应强度较大，则通过二分搜索的方法计算反馈信号，使反馈磁场快速逼近外界磁场，从而使磁强计的感应线圈快速处于很小的磁场下；

稳定区，即当反馈磁场与外界磁场相差不大时，磁强计的感应线圈处于较小的磁场下，但还未进入线性区，则通过增量搜索的方法计算反馈信号，使反馈磁场能够快速精确的接近外界磁场，从而使磁强计的感应线圈快速处于线性区。

具体的，在本发明的一个实施例中，通过如下试验方法测试磁强计感应线圈处于线性区的磁场强度阈值

和比例常数k：

将DAC输出模块设置为输出为0，则此时传感器反馈线圈模块产生的反馈磁场为0。将磁传感器放入亥姆霍兹加场线圈中，逐渐降低加场线圈上产生的磁场强度，并计算磁传感器感应信号上的产生的磁场强度变化量△B，同时反馈计算部分计算出的反馈信号大小的变化量△D，连续记录△B和△D的输出值，当△D与△B成线性关系时，即：△D=k×△B时，记录此时加场的大小为B0， B0即为线性区的磁场强度阈值

，此时的比例系数k即为线性区的比例常数k。

具体的，需要合理设置磁强计感应线圈位于“稳定区”的磁场强度阈值范围

，使得当外界磁场波动范围较小时，不用从整个量程范围内二分搜索，而是通过δ搜索快速计算出需要的反馈信号。在本发明的一个实施例中，可以根据DAC输出模块200中两个DAC反馈调节的比例进行选择。

具体的，假设DAC输出模块200中，进行大范围调节的DAC（假设为DAC1）与能够进行小范围调节的DAC（假设为DAC2）调节比例是1:100, 且大范围调节的范围是100nT~20000nT，为了避免当磁场波动不大时就开始全量程搜索计算，同时也符合磁场变化不大的条件，可以设置稳定区的磁场阈值

为500nT。

具体的，当磁场强度小于

时，为线性区；

当磁场强度大于

且小于

时，为稳定区；

当磁场强度大于

时，为变化区。

具体的，当感应线圈处于磁场范围大于

时，需要从零开始全量程范围内容使用二分搜索计算反馈信号大小。如磁通门磁强计感应信号处理出的与磁场对应的数据为B_t0,最大量程为B_m, 则反馈信号从0~B_m之间按照二分搜索确定粗略范围，即：先将反馈信号设置为b₀ = B_m/2,此时如果重新计算出的B_t1符号仍然与B_t0符号一致，则认为b₀太小，此时将反馈信号设置为b1=3 B_m /4,再将重新计算出的B_t2比较是否与B_t0符号一致，如果一致，则取3B_m/4和B_m之间的平均值，如果不一致，则取3B_m/4和2B_m/4之间的平均值作为新的反馈信号。通过这种二分搜索的方法，直到当最后两次调整间隔小于稳定区的磁场阈值

为止，此时设置反馈值为重新计算出的B_tn与B_t0符号相同的值。此时可以认为进入了稳定区，为了保证反馈精度和速度，可以使用增量搜索计算反馈信号大小。

具体的，当磁场变化范围进入稳定区时，使用增量搜索计算反馈磁场，从上一次反馈数值开始，逐次增加kB_t（B_t为每次加入新的反馈后磁通门磁强计感应信号处理出的与磁场对应的数据），直到新的反馈信号值小于线性区的磁场阈值

为止。

具体的，当磁场变化范围进入线性区时，反馈信号的大小就是上一次反馈数值与kB_tn (B_tn为进入线性区后磁通门磁强计感应信号处理出的与磁场对应的数据）的和。

优选的，以上数字反馈计算模块是对数字信号的处理，因此在本发明的一个实施例中，用DSP或FPGA将上述处理实现。

进一步的，所述DAC输出模块200的作用是将数字反馈计算模块计算出的反馈信号值变为模拟电压信号。为了提高分辨率，本发明所述的DAC输出模块是用两个DAC芯片“拼接”使用，通过运算放大器将两个DAC输出求和，如图2所示。

两个DAC一个用来进行大范围反馈调节，一个用于小范围反馈调节，可以通过调整电阻的比例，调节大范围调节和小范围调节的范围，根据图2所示，两个DAC的参考电压V_ref以及位数n是一致，最后DAC输出模块的输出的电压为：

其中DAC1和DAC2分别为分配给大范围调节的值（DAC1）和小范围调节的值（DAC2），两者之间满足如下：D = P（DAC1 + R₁/R₂×DAC2)， 其中D为通过数字反馈计算模块计算出的反馈信号大小；P为放大因子，具体的，在本发明的一个实施例中，如果上述DAC1和DAC2为12位DAC，反馈信号D的值为24位，则P为2¹² =4096。

优选的，在本发明的一个实施例中，DAC1和DAC2可以按照如下分配方式：假设DAC2最大能表示的数据为M_DAC2(如果DAC2位12位DAC，则M_DAC2为4095），则设置阈值Th = P×R₁/R₂×M_DAC2。如果反馈信号D小于Th,则DAC1的值为0， DAC2的值为D/(P×R₁/R₂)； 如果反馈信号D大于Th, 则DAC1的值为D/P- Th/(M_DAC2+1),DAC2的值为（D - DAC1×P）/(P×R₁/R₂)。

优选的，可以通过调节DAC芯片的参考电压V_ref调整最后输出电压V_out可以调整最终产生的反馈磁场范围，从而改变测量量程。

在本发明的一个实施例中，两个DAC的比例分配以及DAC的控制驱动为数字控制部分，通过DSP和FPGA实现。

具体的，所述电压-电流转换模块300用于接收所述反馈模拟电压信号，并将所述反馈模拟电压信号转换为反馈电流信号；

具体的，将DAC输出模块的输出电压V_out转为输出电流I_out。

优选的，在本发明的一个实施例中，可以用使用运算放大器组成的郝兰德电路实现，如图3所示，当R₁/R₂ = R₃/R₄时，输出电流的I_out = V_out/R_L, 可以通过调整R_L的大小来调整测量量程。

所述传感器反馈线圈模块400的作用是将电压-电流转换模块300输出的电流I_out转为反馈磁场，可根据如下公式来计算反馈磁场的大小：

其中，R为线圈半径，N为反馈线圈匝数，

为真空磁导率。 根据需要反馈的磁场范围（量程范围），可以调整反馈线圈的匝数和半径。

本发明提出的一种磁通门磁强计反馈系统，通过数字反馈计算模块，可以实现快速反馈信号的计算，通过双DAC设计的DAC输出模块，可以提高反馈分辨率，通过电压-电流模块以及传感器反馈线圈模块可以提供稳定的反馈磁场。这种方式反馈速度快，反馈分辨率高，反馈磁场精确稳定。 数字反馈计算部分以及DAC输出控制部分均由数字处理实现，可以实现更复杂的反馈计算处理，通过合理调整两个DAC反馈控制的比例和参考电压，可以实现测量量程和分辨率的最优化。同时可以通过调整电压-电流模块的输出电阻以及传感器模块的反馈线圈参数保障输出反馈磁场的准确性并能调整测量范围。

具体的，在本发明的一个实施例中，利用所述磁通门磁强计反馈系统的数字磁通门磁强计，在实际中数字反馈计算模块计算输出24位反馈信号，通过调整DAC输出模块的参考电压可产生电压为±3V，电压-电流转换模块的R_L为650Ω，则电流±4.61mA,反馈线圈的半径为15mm,线圈匝数为270，则可以产生反馈磁场为±75000nT, 利用所述公式：

，得出数值，则实现了量程±75000nT, 全量程范围自动反馈调节，且分辨率小于10pT的性能。而市面上的磁通门磁强计往往需要进行手动换挡（调整测量范围），而且最高分辨率比这种反馈方式实现的数字磁通门要低一个数量级。因此本发明提出的这种磁通门磁强计反馈系统具有显著的优势。

本发明提出的磁通门磁强计反馈系统，能够实现快速精确的反馈信号计算以及稳定的反馈磁场输出，能够实现磁通门磁强计的快速精确反馈，并可以通过调节反馈系统的参数，调整磁通门磁强计合适的量程范围。 这种方式大幅提高了磁通门磁强计的分辨率以及处理速度，通过试验验证，使用这种反馈系统可以将磁通门磁强计的分辨率提高到几个pT以内，而且快速计算方式也能提高设备 的数据输出速率和灵敏度。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例和落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种磁通门磁强计反馈系统，包括数字反馈计算模块、DAC输出模块、电压-电流转换模块和传感器反馈线圈；

所述数字反馈计算模块用于接收来自磁通门磁强计感应信号处理出的与外界磁场对应的数据，并计算反馈数字信号的大小，所述数字反馈计算模块采用的是数字信号处理方法，并通过快速反馈算法算出反馈数字信号的大小，

所述快速反馈算法分以下三种情况：

线性区，即当反馈磁场与外界磁场相差很小时，磁强计的感应线圈处于很小的磁场下，此时磁场感应强度的变化量与所述反馈数字信号的变化量之比为常数k时，则直接根据常数k与磁场强度变化量即可得出反馈数字信号大小；

变化区，即当反馈磁场与外界磁场相差较大时，磁强计的感应线圈处于很大的磁场下，此时计算出的磁场感应强度较大，则通过二分搜索的方法计算反馈信号，使反馈磁场快速逼近外界磁场，从而使磁强计的感应线圈快速处于很小的磁场下；

稳定区，即当反馈磁场与外界磁场相差不大时，磁强计的感应线圈处于较小的磁场下，但还未进入线性区，则通过增量搜索的方法计算反馈信号，使反馈磁场能够快速精确的接近外界磁场，从而使磁强计的感应线圈快速处于线性区；

所述DAC输出模块用于接收所述反馈数字信号，并将所述反馈数字信号转换为反馈模拟电压信号，所述DAC输出模块采用两个DAC芯片，两个DAC芯片一个用来进行大范围反馈调节，一个用于小范围反馈调节，可以通过调整电阻的比例，调节大范围调节和小范围调节的范围，两个DAC的参考电压V_ref以及位数n是一致，R₁、R₂、R₃为所述DAC输出模块中用到的电阻阻值，最后DAC输出模块的输出的电压为：

其中DAC1和DAC2分别为分配给大范围调节的值和小范围调节的值，两者之间满足如下：D = P（DAC1 + R₁/R₂×DAC2), 其中D为通过数字反馈计算模块计算出的反馈信号大小，P为放大因子；

所述电压-电流转换模块用于接收所述反馈模拟电压信号，并将所述反馈模拟电压信号转换为反馈电流信号，电压-电流转换模块的R_L为650Ω，电流为±4.61mA；

所述传感器反馈线圈通过所述反馈电流信号产生反馈磁场，所述传感器反馈线圈模块中的线圈的大小、参数以及摆放位置是通过仿真计算得到，从而将外界磁场抵消，使磁通门磁强计感应线圈处于零场作用下。

2.根据权利要求1所述的磁通门磁强计反馈系统，其特征在于：将反馈数字信号分配到两个DAC上，以此实现对分辨率的调整。

3.根据权利要求1所述的磁通门磁强计反馈系统，其特征在于：所述电压-电流转换模块通过运算放大器和精密电阻实现反馈模拟电压信号到反馈电流信号的转换。

4.根据权利要求1所述的磁通门磁强计反馈系统，其特征在于：通过调整电压-电流转换模块的参数调整输出反馈电流信号的大小，从而调整磁通门磁强计的量程和分辨率。

5.根据权利要求1所述的磁通门磁强计反馈系统，其特征在于：所述传感器反馈线圈模块中的线圈使用的是漆包线绕制的空心线圈。

Images