CN112798991B

CN112798991B - 一种磁通门磁强计感应信号高速处理装置

Info

Publication number: CN112798991B
Application number: CN202110329607.4A
Authority: CN
Inventors: 孙树全; 杜爱民; 赵琳; 张莹; 李智; 冯晓
Original assignee: Institute of Geology and Geophysics of CAS
Current assignee: Institute of Geology and Geophysics of CAS
Priority date: 2021-03-29
Filing date: 2021-03-29
Publication date: 2021-07-23
Anticipated expiration: 2041-03-29
Also published as: CN112798991A

Abstract

本发明公开一种磁通门磁强计感应信号高速处理装置，包括：LC谐振选频电路，用于选取感应信号中的二次谐波信号；前置放大电路，用于对所述二次谐波信号进行信号放大；ADC采样电路，用于将放大后的二次谐波信号转为数字信号；ADC控制模块，用于通过设置采样率和采样时刻，控制ADC采集电路完成转换；匹配检波模块，用于将采样后的二次谐波信号转为与外界磁场信号相对应的信号；积分器，用于对匹配检波处理后的信号进行平滑处理。采用本发明的技术方案，具有处理速度快，占用系统资源少的特点，可提高数据输出速率、磁通门磁强计的时间分辨率，同时可提高设备的噪声水平和稳定性。

Description

一种磁通门磁强计感应信号高速处理装置

技术领域

本发明属于磁强计设备技术领域，尤其涉及一种磁通门磁强计感应信号高速处理装置。

背景技术

磁通门磁强计是用来测量磁感应强度的传感器，在工业、农业、交通、运输、国防、航空航天、海洋、气象、医疗卫生等领域均有广泛应用。尤其在地质勘探领域,它可用于地磁场变化监测和地质年代检测。磁通门磁强计主要是用电路来提取感应信号的二次谐波作为外界磁场的度量，现在大多磁通门磁强计仍采用模拟电路实现二次谐波信号的提取，这种方式抗干扰能力差，数字磁通门磁强计多采用带通滤波的方式提取二次谐波，这种方式一是不能准确的只将二次谐波提取，由于滤波器带宽问题会引入噪声，同时在外界磁场很小的情况下，二次谐波分量成分很小，带通滤波的效果不好。二是使用带通滤波方式需要使用感应信号的多倍频速率采样，滤波的计算方式数据处理计算量大，对于一些计算能力受限的嵌入式磁通门磁强计不能实现这种复杂的计算。因此目前数字磁通门往往对于磁场处理需要额外使用专门的信号处理芯片如DSP芯片，这样不但使系统复杂，功耗高，而且磁通门磁强计的分辨率和噪声水平也提高有限。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种磁通门磁强计的感应信号高速处理装置，利用数字信号处理方法，实现了感应信号的快速处理。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种磁通门磁强计感应信号高速处理装置，包括：

LC谐振选频电路，用于选取感应信号中的二次谐波信号；

前置放大电路，用于对所述二次谐波信号进行信号放大；

ADC采样电路，用于将放大后的二次谐波信号转为数字信号；

ADC控制模块，用于通过设置采样率和采样时刻，控制ADC采集电路完成转换；

匹配检波模块，用于将采样后的二次谐波信号转为与外界磁场信号相对应的信号；

积分器，用于对匹配检波处理后的信号进行平滑处理。

作为优选，根据调整LC谐振选频电路中的电容参数与探头中线圈的电感参数，使得电路在感应信号二次谐波频率上发生谐振。

作为优选，ADC控制模块的控制采样频率为感应信号的2倍。

作为优选，ADC控制模块的采样时刻是感应信号与参考波形匹配滤波后的波峰位置。

作为优选，所述参考波形是在正负相反的外界磁场下获得感应信号经去掉直流偏置以及由激励信号引起的不对称后生成的波形。

作为优选，所述ADC控制模块设置的ADC采样时刻根据以下方式确定：

1）获取与磁通门磁强计探头匹配的感应信号作为参考波形；

2）参考波形与实际的感应信号进行匹配滤波；

3）匹配滤波后的波形的峰值即为采样时刻。

作为优选，所述匹配检波模块将每个周期采样的数据乘以匹配参考波形对应的振幅系数，得到与外界磁场对应的信号。

作为优选，所述积分器对匹配检波后的数据进行低通滤波，其积分的数量；同时根据最后数据输出速率决定积分所用的采集个数。

本发明的磁通门磁强计的感应信号高速处理装置，LC谐振电路用于形成谐振窄带滤波，提高感应信号二次谐波分量的信噪比，前置放大电路用于进一步放大感应信号二次谐波，ADC采集电路用于将感应信号转为数字信号，ADC控制模块、匹配检波模块和积分器模块完成感应信号的数字处理，产生与外界磁场强度相对应的数据，从而完成对磁场信号的处理。采用本发明的技术方案，可以实现磁场信号的快速准确提取，计算量少，处理简单，能够抑制其他谐波的影响以及磁场的偏置，提高磁通门磁强计的噪声水平以及测量精度。同时，由于结构简单，对感应信号的高速采集控制以及采集后的数据处理可以直接使用一块FPGA实现，无需使用单独的DSP芯片，降低了系统的复杂度，提高了磁通门磁强计的可靠性和稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，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为本发明的一个实施例提供的一种磁通门磁强计的感应信号高速处理装置结构框图；

图2为本发明的一个实施例提供的谐振电路结构框图。

图3为本发明的一个实施例提供的一个匹配参考波形；

图4为本发明的一个实施例提供的采样时刻选取示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、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。

如图1所示，根据本申请的一个实施例提供了一种磁通门磁强计感应信号高速处理装置，包括：LC谐振选频电路101，用于选取感应信号中的二次谐波信号；前置放大电路102，用于对所述二次谐波信号进行信号放大；ADC采样电路103，用于将放大后的二次谐波信号转为数字信号；ADC控制模块104，用于通过设置采样率和采样时刻，控制ADC采集电路完成转换；匹配检波模块105，用于将采样后的二次谐波信号转为与外界磁场信号相对应的信号；积分器106，用于对匹配检波处理后的信号进行平滑处理。

所述磁通门磁强计的感应信号高速处理装置的工作流程是：磁通门磁强计磁传感器产生的感应信号，先经过LC谐振电路选频电路101，选取感应信号的中的二次谐波成分，然后经过前置放大电路102放大后，经过ADC采集电路103完成对信号的数字转换，ADC控制模块104通过设置采样率和采样时刻控制ADC采集电路103完成转换，并将转换后的数据缓存，然后通过匹配检波模块，乘以相应的振幅系数，转为与外界磁场信号能够对应的数值，最后经过积分器，将一段时间的数据进行积分，积分后的数值就是与外界磁场成比例的数据。通过上述就提取了外界磁场信号，完成了对感应信号的处理。

所述的LC谐振选频电路101是磁传感器中的线圈与电路中的电容组成的，如图2所示，图中Ls,Rs表示线圈的电感和内阻，R1和R2为匹配电阻，可以用来保障二次谐波分量放大时不会产生振荡，Ce即为需要根据线圈的参数计算的谐振电路中的电容。在本发明的一个实施例中，假设感应信号的二次谐波为10KHz, 通过阻抗分析仪测得在10KHz时，磁传感器中线圈的电感值为5mH, Rs为100Ω，则根据

可以计算出C_e为50.7nF。为了设计实现，可以将Ce换成几个电容的串并联形式。

所述前置放大电路102可以使用差分放大电路实现，也可以直接使用与ADC芯片配套使用的仪表放大器。

所述ADC采集电路103是由ADC芯片及其外围电路实现，在本发明的一个实施例中，选择16位，1MSPS的ADC芯片，能够满足分辨率和后续数据处理的需求。

所述的ADC控制模块104是在处理器中实现的，在本发明的一个实施例中，选用FPGA实现。ADC控制模块按照ADC采集电路中选择的ADC的时序驱动ADC完成感应信号的采集和转换。

具体的，ADC控制模块控制ADC采集电路按照感应信号二次谐波频率的2倍速率采样。在本发明的一个实施例中，由于感应信号二次谐波是20KHz,因此采样速率为40KSPS。

具体的，ADC控制模块需要按照如下方式确定ADC芯片的采样时刻：

1)获取与磁通门磁强计探头匹配的感应信号作为参考波形；

2)参考波形与实际的感应信号进行匹配滤波；

3)匹配滤波后的波形的峰值即为采样时刻。

如图4中，上面的波形为实际的感应波形，下面的波形为与参考波形匹配滤波后的波形，匹配滤波后的波形的峰值就是采样时刻，如图4中下面波形的圆点。根据磁通门磁强计的原理可知，在一个激励周期内会有两个感应信号，在本发明的一个实施例中，激励信号是规则的方波信号，因此在具体实现时，先通过匹配后波形的峰值时刻对应到实际的感应信号中的相同的时刻，即找到采样点在感应信号波形的位置，如图4中上面的感应信号波形上的圆点所示，然后计算圆点与激励信号的上升沿时刻之间的间隔。在开机后，ADC控制模块就在激励信号的上升沿后开始计时，当计时到这个间隔后启动ADC芯片的采集，由于后续采样频率不变，因此只要找到第一次采集的时刻，后续采集均按照40KSPS的频率采集即可完成感应信号的采集。

优选的，在本发明的一个实施例中，上述参考波形使用如下方式得出：

1）将磁通门磁强计并置于亥姆霍兹加场线圈生成的均匀场中。如果磁通门磁强计是带有反馈的闭环式磁通门，需要断开反馈。

2）通过亥姆霍兹加场线圈加入+B₀大小的磁场，并记录下一个激励周期的感应信号的波形S1；

3）通过亥姆霍兹加场线圈加入-B₀的磁场，并记录下一个激励周期的感应信号的波形S2；

4）计算直流偏置，S_bias= （S₁+S₂）/2，使用S = S₁-S_bias去掉直流偏置；其中，S_bias代表直流偏置，S₁，S₂是在+B_0和-B₀下的感应信号数据。

5）将去掉直流偏置的波形S，再对一个激励周期内的两个感应信号进行平均，使两个感应信号相同，从而去掉由于激励引起的不对称性。

通过上述方法可以得到本实例的一个参考波形，如图3所示。

所述的匹配检波模块是给采集的信号乘以相应的振幅系数，这样通过积分后得到的数据就是与外界磁场信号成比例的数据。本发明的一个实施例的实现是：将每个采集时刻的采样值S_i(i=1,2,3,4)乘以一个系数P_i，P_i=K×V_i/B₀，V_i为采样点对应的参考波形的振幅， K为修正比例系数，保证计算出的P_i为整数。

所述的积分器模块是将匹配检波后的数据进行积分运算，其中积分运算的数据个数与最终数据输出的速率相关，在本发明的一个实施例中，由于采样频率是40KHz，最终输出的数据速率为200Hz，因此每200个采集数据做一次积分运算，积分运算后的数据代表这段时间内外界磁场数据。

优选的，在本发明的一个实施例中，积分运算可以直接使用求均值的方式，将200个匹配检波的数据累加后除以200，即可得到最终的处理数据。

优选的，所述的ADC控制模块、匹配检波模块以及积分器模块都是数字处理模块，且设计实现简单，处理快速，因此可以直接用FPGA实现，无需用专门的DSP设备实现。

本发明提出了一种磁通门磁强计的感应信号高速处理装置，该装置设计实现简单，计算复杂度低，处理速度快，可以实现对感应信号的高速处理和实施计算结果，计算延时可以忽略不计，因此，可以大幅提高磁通门磁强计的数据输出速率，提高了系统的响应速度和时间分辨率，特别适应于类似航空磁场测量中，磁场随时间变化较大的应用场景中。另外，这种方法计算处理出的磁场信噪比高，比传统的带通滤波器处理的方法噪声更低，提高了磁通门磁强计的噪声水平。

进一步的，本发明实施例所述的磁通门磁强计的感应信号高速处理装置，由于结构简单，计算复杂度低，数字信号处理部分可用一块FPGA同时实现感应信号的高速采集和实时处理，且LC谐振选频电路、前置放大电路和ADC采集电路同样结构简单，整个高速处理装置仅使用很少的器件实现，成本低，功耗小，体积小，相比传统的磁通门磁强计感应信号处理方式有明显的优势。

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出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及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

1.一种磁通门磁强计感应信号高速处理装置，其特征在于，包括：

LC谐振选频电路，用于选取感应信号中的二次谐波信号；其中，根据调整LC谐振选频电路中的电容参数与探头中线圈的电感参数，使得电路在感应信号二次谐波频率上发生谐振；

前置放大电路，用于对所述二次谐波信号进行信号放大；

ADC采样电路，用于将放大后的二次谐波信号转为数字信号；

ADC控制模块，用于通过设置采样率和采样时刻，控制ADC采样电路完成转换；

积分器，用于对匹配检波处理后的信号进行平滑处理；

其中，ADC控制模块的采样频率为感应信号二次谐波频率的2倍，且采样时刻根据以下方式确定：

S1:获取与磁通门磁强计探头匹配的感应信号作为参考波形；

S2：参考波形与实际的感应信号进行匹配滤波；

S3：匹配滤波后的波形的峰值即为采样时刻；

所述的参考波形具体通过如下方式得到：

将磁通门磁强计并置于亥姆霍兹加场线圈生成的均匀场中；

通过亥姆霍兹加场线圈加入+B0大小的磁场，并记录下一个激励周期的感应信号的波形S1；

通过亥姆霍兹加场线圈加入-B0的磁场，并记录下一个激励周期的感应信号的波形S2；

计算直流偏置，S_bias=（S₁+S₂）/2，使用S= S₁-S_bias去掉直流偏置，S_bias为直流偏置，S₁、S₂是在+B₀和-B₀下的感应信号数据；

在一个激励周期内，对去掉直流偏置波形S后的两个感应信号取平均，使两个感应信号相同，以去掉由激励引起的不对称性。

2.如权利要求1所述的磁通门磁强计感应信号高速处理装置，其特征在于，所述匹配检波模块将每个周期采样的数据乘以参考波形对应的振幅系数，得到与外界磁场对应的信号。

3.如权利要求1所述的磁通门磁强计感应信号高速处理装置，其特征在于，所述积分器对匹配检波后的数据进行低通滤波，并根据最后数据输出速率决定积分所用的采样点个数。