CN116626562A - 一种面向微弱交变磁场测量的小型化数字式gmi传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种面向微弱交变磁场测量的小型化数字式GMI传感器，涉及弱磁场探测传感器技术领域，包括：GMI模块及FPGA处理模块；GMI模块在激励信号作用下感应微弱交变磁场并产生模拟响应电压信号，将模拟响应电压信号转换为数字信号输出给FPGA处理模块；FPGA处理模块将参考信号与数字信号进行乘法运算产生调制交变磁场信号，再利用降采样降低调制交变磁场信号的采样率，输出交变磁场信号并计算其频率；FPGA处理模块还将同相参考信号和正交参考信号分别与交变磁场信号进行乘法运算，并将运算产生的两路直流量进行平方和运算并开平方，得到交变磁场信号的数字量幅值，从而实现了对微弱交变磁场信号的频率及幅值的计算。
Description
技术领域
本发明涉及弱磁场探测传感器技术领域，特别是涉及一种面向微弱交变磁场测量的小型化数字式GMI传感器。
背景技术
现在是一个信息化飞速发展的时代，信息的获取变成了社会发展不可或缺的一个重要部分，同时也带动了与之相关的信息采集技术(传感器技术)的飞速发展。而随着计算机应用和网络的进一步普及和使用，各种电子元件也倾向于向集成化、自动化、智能化和网络化等方向发展，尤其是传感器的设计也更加偏向小型化、低功耗和高灵敏度的要求。
磁传感器已经在人们的生活中扮演不可或缺的角色。基于不同原理的磁传感器种类众多，其中包括：探测线圈、霍尔元件、磁电阻效应器件、巨磁阻抗器件、磁通门磁强计以及超导量子干涉计等。由于巨磁阻抗效应(Giant Magneto-Impedance，GMI)具有灵敏度高、无磁滞、稳定性好等优点，利用其制作的新型磁传感器有着目前被广泛应用的各类磁传感器所不能比拟的优势。
在静态弱磁探测中，磁场强度是表征磁场信号最主要的参数，而对于交变磁场，则需要测量磁场大小幅值、磁场频率及相位信息等参数。近年来，交变磁场被广泛应用于各个领域，尤其是交变磁场中的中频磁场在生物医学、军事科学、无损检测、位置测量和食品保鲜等的应用越来越广泛，因此，也要求交变磁场测量仪器有进一步发展，使其测量范围更宽，准确度更高以及功能更完善。
目前国内外常用的GMI传感器测量交变磁场的方法可归为两大类：模拟解调型和数字解调型。其中，模拟解调型GMI传感器的信号调理电路结构复杂，工作频率较高，元器件发热会导致温漂、零漂等一系列问题。数字解调型GMI传感器相对模拟解调型GMI传感器具有更便捷的可编程平台、更简单可靠的数字电路和更方便的交互，并且能够扩大应用范围。但是，目前国内数字式GMI传感器主要面向地磁场测量，对于微弱交变磁场测量的数字化信号处理平台较少，且无法实现对微弱交变磁场测量的数字化信号的频率及幅值的计算。
发明内容
本发明的目的是提供一种面向微弱交变磁场测量的小型化数字式GMI传感器，以解决微弱交变磁场测量的数字化信号处理平台少，且无法计算微弱交变磁场测量的数字化信号的频率及幅值的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种面向微弱交变磁场测量的小型化数字式GMI传感器，包括：
GMI模块及FPGA处理模块；
所述GMI模块，与所述FPGA处理模块相连接，用于在FPGA处理模块发出的数字电压激励信号作用下感应微弱交变磁场并产生模拟响应电压信号，再将所述模拟响应电压信号转换为数字信号并输出给所述FPGA处理模块；
所述FPGA处理模块用于将参考信号与所述数字信号进行乘法运算并产生调制交变磁场信号，再利用降采样降低所述调制交变磁场信号的采样率并输出交变磁场信号；所述FPGA处理模块，还用于计算所述交变磁场信号的频率；所述FPGA处理模块还用于将正交参考信号与所述交变磁场信号进行乘法运算，产生第一直流量，将同相参考信号与所述交变磁场信号进行乘法运算，产生第二直流量；所述FPGA处理模块还用于将所述第一直流量和所述第二直流量进行平方和运算并开平方，得到所述交变磁场信号的数字量幅值。
可选地，所述FPGA处理模块具体包括：数控振荡器、相干解调单元、CIC滤波器、等精度测频计算器及正交锁定放大单元；
所述数控振荡器，用于产生所述参考信号、所述同相参考信号及所述正交参考信号；
所述相干解调单元，分别与所述数控振荡器及所述GMI模块连接，用于将所述参考信号与所述数字信号进行乘法运算，并提取所述参考信号与所述数字信号乘法运算后的所述调制交变磁场信号；
所述CIC滤波器，与所述相干解调单元连接，用于利用降采样降低所述调制交变磁场信号的采样率并输出所述交变磁场信号；
所述等精度测频计算器，与所述CIC滤波器连接，用于计算所述交变磁场信号的频率；
所述正交锁定放大单元分别与所述数控振荡器及所述CIC滤波器连接；所述正交锁定放大单元，用于将所述正交参考信号与所述交变磁场信号进行乘法运算，产生所述第一直流量，并将所述同相参考信号与所述交变磁场信号进行乘法运算，产生所述第二直流量；所述正交锁定放大单元还用于将所述第一直流量和所述第二直流量进行平方和运算并开平方，得到所述交变磁场信号的数字量幅值。
可选地，所述相干解调单元具体包括：
第一乘法器和第一数字低通滤波器；
所述第一乘法器，分别与所述数控振荡器及所述GMI模块连接，用于将所述参考信号与所述数字信号进行乘法运算；
所述第一数字低通滤波器，与所述第一乘法器连接，用于提取所述参考信号与所述数字信号乘法运算后的所述调制交变磁场信号。
可选地，所述正交锁定放大单元具体包括：
第二乘法器、第三乘法器、第二数字低通滤波器、第三数字低通滤波器及测量幅值运算器；
所述第二乘法器，分别与所述数控振荡器及与所述CIC滤波器连接，用于将所述正交参考信号与所述交变磁场信号进行乘法运算；
所述第三乘法器，分别与所述数控振荡器及所述CIC滤波器连接，用于将所述同相参考信号与所述交变磁场信号进行乘法运算；
所述第二数字低通滤波器，与所述第二乘法器连接，用于提取所述正交参考信号与所述交变磁场信号乘法运算后产生的所述第一直流量；
所述第三数字低通滤波器，与所述第三乘法器连接，用于提取所述同相参考信号与所述交变磁场信号乘法运算后产生的所述第二直流量；
所述测量幅值运算器，分别与所述第二数字低通滤波器及所述第三数字低通滤波器连接，用于将所述第一直流量和所述第二直流量平方运算后求和，再开平方，得到所述交变磁场信号的数字量幅值。
可选地，所述同相参考信号和正交参考信号为互为正交有符号数的数字正弦信号，且所述同相参考信号的频率、所述正交参考信号的频率均与所述数字信号的频率一致。
可选地，所述第一数字低通滤波器、第二数字低通滤波器及所述第三数字低通滤波器均为FIR数字滤波器。
可选地，所述GMI模块具体包括：GMI探头、偏置电源、限流电阻、拾取线圈、电压-电流转换器、前置放大器、第一数模转换器以及模数转换器；
所述第一数模转换器，与所述FPGA处理模块连接，用于将所述数字电压激励信号转换为模拟电压激励信号；
所述电压-电流转换器，分别与所述第一数模转换器、所述限流电阻及所述GMI探头连接，用于将所述模拟电压激励信号转化为模拟电流激励信号并输出给所述GMI探头，所述GMI探头位于微弱交变磁场中；
所述拾取线圈，套设于所述GMI探头外，用于拾取所述GMI探头两端的模拟响应电压信号并输出；
所述前置放大器与所述拾取线圈连接，用于对所述模拟响应电压信号放大并输出；
所述模数转换器分别与所述前置放大器及所述第一乘法器连接，用于将放大后的模拟响应电压信号转换为数字信号，并将所述数字信号输出给所述第一乘法器；
所述偏置电源通过所述限流电阻与所述GMI探头连接，用于使所述GMI探头工作在线性区间；所述GMI探头为非晶软磁薄带材料。
可选地，所述FPGA处理模块还包括：直接数字频率合成器；
所述直接数字频率合成器，与所述模数转换器连接，用于输出数字电压激励信号。
可选地，所述数字电压激励信号为正弦信号。
可选地，还包括：第二数模转换器；
所述第二数模转换器，与所述测量幅值运算器连接，用于将所述交变磁场信号的数字量幅值转换成模拟电压信号。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的面向微弱交变磁场测量的小型化数字式GMI传感器，通过GMI模块在数字电压激励信号作用下感应微弱交变磁场并产生模拟响应电压信号，再将模拟响应电压信号转换为数字信号并输出给FPGA处理模块；FPGA处理模块将参考信号与数字信号进行乘法运算并产生调制交变磁场信号，再利用降采样降低调制交变磁场信号的采样率，输出交变磁场信号并计算交变磁场信号的频率；FPGA处理模块还将同相参考信号和正交参考信号分别与交变磁场信号进行乘法运算，并将运算产生的第一直流量和第二直流量进行平方和运算并开平方，得到交变磁场信号的数字量幅值。本发明基于FPGA的数字平台能够计算出交变磁场信号的频率及数字量幅值。
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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的面向微弱交变磁场测量的小型化数字式GMI传感器结构框图；
图2为本发明所提供的非对角探头在±480μT磁场范围的输出曲线图；
图3为本发明所提供的非对角式探头在不同频率电流激励下的线圈响应曲线图；
图4为本发明所提供的面向微弱交变磁场测量的小型化数字式GMI传感器的输出特性曲线图。
具体实施方式
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、完整地描述，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。
本发明的目的是提供一种面向微弱交变磁场测量的小型化数字式GMI传感器，通过在现场可编程门阵列(FieldProgrammable GateArray,FPGA)处理模块上集成相干解调单元、级联积分梳状(Cascaded Integrator-Comb，CIC)滤波器、等精度测频计算器及正交锁定放大单元；利用相干解调单元将参考信号与数字信号进行乘法运算，并提取参考信号与数字信号乘法运算后的调制交变磁场信号；CIC滤波器利用降采样降低调制交变磁场信号的采样率并输出交变磁场信号；等精度测频计算器计算交变磁场信号的频率；正交锁定放大单元将正交参考信号和同相参考信号分别与交变磁场信号进行乘法运算，产生第一直流量和第二直流量；正交锁定放大单元将第一直流量和所述第二直流量进行平方和运算并开平方，得到交变磁场信号的数字量幅值，实现了基于FPGA数字平台，对交变磁场信号的频率及数字量幅值的计算。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1所示，本发明提供面向微弱交变磁场测量的小型化数字式GMI传感器，主要包括：GMI模块和FPGA模块。
所述GMI模块，与所述FPGA处理模块相连接，用于在FPGA处理模块发出的数字电压激励信号作用下感应微弱交变磁场并产生模拟响应电压信号，再将所述模拟响应电压信号转换为数字信号并输出给所述FPGA处理模块。具体的，本发明中的微弱交变磁场范围为正负0.8Gs。
所述FPGA处理模块用于将参考信号与所述数字信号进行乘法运算并产生调制交变磁场信号，再利用降采样降低所述调制交变磁场信号的采样率并输出交变磁场信号；所述FPGA处理模块，还用于计算所述交变磁场信号的频率；所述FPGA处理模块还用于将正交参考信号与所述交变磁场信号进行乘法运算，产生第一直流量，将同相参考信号与所述交变磁场信号进行乘法运算，产生第二直流量；所述FPGA处理模块还用于将所述第一直流量和所述第二直流量进行平方和运算并开平方，得到所述交变磁场信号的数字量幅值。
进一步的，所述FPGA处理模块具体包括：数控振荡器(图中未示出)、相干解调单元、CIC滤波器、等精度测频计算器及正交锁定放大单元。
所述数控振荡器，用于产生所述参考信号、所述同相参考信号及所述正交参考信号。
所述相干解调单元，分别与所述数控振荡器及所述GMI模块连接，用于将所述参考信号与所述数字信号进行乘法运算，并提取所述参考信号与所述数字信号乘法运算后的所述调制交变磁场信号。
所述CIC滤波器，与所述相干解调单元连接，用于利用降采样降低所述调制交变磁场信号的采样率并输出所述交变磁场信号。具体的，所述CIC滤波器实现的降采样是利用FPGA平台设计实现的，所述CIC滤波器降低了所述交变磁场信号的采样率并同时保留有用信号，并且在所述FPGA处理模块的信号降采样设计中，采用CIC滤波器级联的方式，将采样率由50MHz降至50kHz，总共降采样1000倍，这是通过三级CIC滤波器级联得到的。
所述等精度测频计算器，与所述CIC滤波器连接，用于计算所述交变磁场信号的频率，实现了等精度测频。其中，等精度测频是利用FPGA平台实现的，由零比较器、预置闸门、实际闸门等实现。具体的，在所述FPGA处理模块的等精度测频程序设计中，将待测信号通过零比较器转换成方波信号，在同样的闸门时间内，同时计数标准信号和被测信号的上升沿数量，通过计数得到的Ns和Nx，由于标准信号的频率fs是已知的，而且是由高精度DDS信号发生器产生的，被测信号频率ft可利用公式计算得到。其中，Ns为在同样的闸门时间内的标准信号上升沿数量，Nx为相同的闸门时间内的被测信号的上升沿数量，fs为标准信号的频率。
所述正交锁定放大单元分别与所述数控振荡器及所述CIC滤波器连接；所述正交锁定放大单元，用于将所述正交参考信号与所述交变磁场信号进行乘法运算，产生所述第一直流量，并将所述同相参考信号与所述交变磁场信号进行乘法运算，产生所述第二直流量；所述正交锁定放大单元还用于将所述第一直流量和所述第二直流量进行平方和运算并开平方，得到所述交变磁场信号的数字量幅值。
进一步的，所述相干解调单元具体包括：第一乘法器和第一数字低通滤(LowPassFilter，LPF)波器。所述第一乘法器，分别与所述数控振荡器及所述GMI模块连接，用于将所述参考信号与所述数字信号进行乘法运算；所述第一数字低通滤波器，与所述第一乘法器连接，用于提取所述参考信号与所述数字信号乘法运算后的所述调制交变磁场信号。具体的，所述相干解调单元通过相干解调算法，将所述调制交变磁场信号从高频载波信号中剥离，再利用第一数字低通滤波器滤除高频分量，得到所述调制交变磁场信号，具体由数控振荡器、乘法器、低通滤波器级联得到。
在FPGA平台的基于相干解调的信号测量算法中，所述数字信号由AD9226以50MHz的采样频率输入，所述参考信号由FPGA内部数控振荡器IP核以500kHz的频率生成，乘法解调由有符号数乘法器实现，在每个50MHz时钟上升沿触发一次乘法运算，采集得到的数据与参考信号同步，以保证信号严格同步。
进一步的，所述正交锁定放大单元具体包括：第二乘法器、第三乘法器、第二数字低通滤波器、第三数字低通滤波器及测量幅值运算器。所述第二乘法器，分别与所述数控振荡器及与所述CIC滤波器连接，用于将所述正交参考信号与所述交变磁场信号进行乘法运算；所述第三乘法器，分别与所述数控振荡器及所述CIC滤波器连接，用于将所述同相参考信号与所述交变磁场信号进行乘法运算；所述第二数字低通滤波器，与所述第二乘法器连接，用于滤除交流分量，提取所述正交参考信号与所述交变磁场信号乘法运算后产生的所述第一直流量；所述第三数字低通滤波器，与所述第三乘法器连接，用于滤除交流分量，提取所述同相参考信号与所述交变磁场信号乘法运算后产生的所述第二直流量；所述测量幅值运算器，分别与所述第二数字低通滤波器及所述第三数字低通滤波器连接，用于将所述第一直流量和所述第二直流量平方运算后求和，再开平方，得到所述交变磁场信号的数字量幅值。
具体的，所述正交锁定放大单元基于正交锁定放大原理实现的正交锁定放大算法是利用FPGA平台设计实现的，用于测量微弱交变磁场的强度大小，具体由数控振荡器、乘法器、低通滤波器级联设计得到，完成了对外部的微弱交变磁场强度大小的测量。
具体的，所述同相参考信号和正交参考信号为互为正交有符号数的数字正弦信号，且所述同相参考信号的频率、所述正交参考信号的频率均与所述数字信号的频率一致。
具体的，所述第一数字低通滤波器、第二数字低通滤波器及所述第三数字低通滤波器均为有限长单位冲激响应(Finite Impulse Response，FIR)数字滤波器，且为利用窗函数设计的FIR数字滤波器，滤波器的结构、阶数、采样率及截止频率可调。
进一步的，所述GMI模块具体包括：GMI探头、偏置电源(为图1中的VCC)、限流电阻(为图1中的直流偏置电阻)、拾取线圈、电压-电流转换器(为图1中的VI转换器)、前置放大器、第一数模转换器(Digital to Analog Converter，DAC)(为图1中的DAC1)以及模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)(为图1中的ADC)。
所述第一数模转换器，与所述FPGA处理模块连接，用于将所述数字电压激励信号转换为模拟电压激励信号。具体的，信号输出使用AD9767芯片进行DA转换，利用锁相环输出125MHz时钟信号驱动AD9767工作，输出模拟电压信号。
所述电压-电流转换器，分别与所述第一数模转换器、所述限流电阻及所述GMI探头连接，用于将所述模拟电压激励信号转化为频率不变、幅值恒定的模拟电流激励信号并输出给所述GMI探头，所述GMI探头位于微弱交变磁场中。
所述拾取线圈，套设于所述GMI探头外，用于拾取所述GMI探头两端的模拟响应电压信号并输出。具体的，所述GMI探头采用非对角式驱动方式进行对微弱交变磁场的信号的拾取，即模拟电流激励信号从所述GMI探头一端输入，从另一端输出接地，GMI探头两端的所述模拟响应电压信号由所述拾取线圈拾取输出。在线圈拾取GMI探头两端模拟响应电压信号采集设计中，由于激励信号高达500kHz，因此需要采用高速ADC芯片，当响应电压以数字量的形式进行解调时，GMI模块的输出将不会受ADC芯片的漂移特性影响，且能够通过对输出量进行补偿的方法提高GMI模块的线性度。
所述前置放大器与所述拾取线圈连接，用于对所述模拟响应电压信号放大并输出。
所述模数转换器分别与所述前置放大器及所述第一乘法器连接，用于将放大后的模拟响应电压信号转换为所述FPGA处理模块可处理的数字信号，并将所述数字信号输出给所述第一乘法器。具体的，本发明使用的ADC芯片对GMI探头两端的模拟响应电压进行采集，相对于模拟调理电路，由于主要噪声来源为ADC芯片采集通道，而模拟电路中各级处理电路都会引入不同程度的噪声，因此，本发明对噪声来源分析更为方便。
所述偏置电源通过所述限流电阻与所述GMI探头连接，用于使所述GMI探头工作在线性区间；具体的，所述偏置电源为直流偏置电源，提供直流偏置磁场，通过改变所述限流电阻的大小来控制直流偏置磁场的大小。
所述GMI探头为非晶软磁薄带材料，具体的，可以为Co基软磁薄带材料。所述GMI模块的硬件电路采用小型集成化设计，除了所述GMI探头、VI转换器、前置放大电路以及AD/DA转换电路，还集成了高通滤波器(图中未示出)及前置放大器的串联电阻，用于完成对所述GMI模块的模拟响应电压的预处理。
进一步的，所述FPGA处理模块还包括：直接数字频率合成器(Direct DigitalSynthesizer，DDS)。所述直接数字频率合成器与所述模数转换器连接，所述FPGA处理模块控制所述直接数字频率合成器输出特定频率的数字电压激励信号给所述模数转换器。其中，所述数字电压激励信号为正弦信号，且所述数字电压激励信号的频率、幅值和相位均可通过算法调节，便于测试不同频率特性的GMI探头敏感材料。具体的，在所述FPGA处理模块控制的直接数字频率合成器设计中，主要使用累加器和波形数据查找表，累加器在125MHz时钟的驱动下将结果输出为波形数据查找表的地址线，根据地址输出对应的波形数据，以输出连续周期的正弦波形。输出信号频率由频率字控制，仅需调整其大小即可改变信号频率。
进一步的，还包括：第二数模转换器(为图1中的DAC2)。
所述第二数模转换器，与所述测量幅值运算器连接，用于将所述交变磁场信号的数字量幅值转换成模拟电压信号。具体的，首先利用六位数码管显示数字量幅值，直观地观察计算结果，然后利用DAC芯片将数字量转换为模拟量，方便利用分析仪器分析传感器的噪声性能、灵敏度等参数。
如图2所示，图2为本发明所提供的非对角探头在±480μT磁场范围的输出曲线图。具体为，GMI探头材料在频率为500kHz，峰峰值为5Vpp的交流电压信号激励下，在地磁场环境下，利用直流稳流电流源和一维亥姆霍兹线圈搭建磁场发生装置，测试得到的非对角探头在±480μT磁场范围的输出曲线，线圈输出电压为双峰对称曲线，电压的变化范围约为180mV。
如图3所示，图3为本发明所提供的非对角式探头在不同频率电流激励下的线圈响应曲线图。具体为，将探头置于屏蔽桶内，通过改变DDS输出的电压大小改变激励电流幅值，分别选择400kHz、500kHz、600kHz、1MHz的激励频率进行测试，根据测试结果可知，不同的激励频率线圈响应不同，随着频率增大，线圈响应呈现先增大后减小的趋势。
如图4所示，图4为本发明所提供的面向微弱交变磁场测量的小型化数字式GMI传感器的输出特性曲线图。该曲线是本发明的测试结果曲线，将传感器置于交变磁场发生平台，通过调节交变磁场大小记录计算结果得到的拟合曲线。其中，本发明面向微弱交变磁场测量的小型化数字式GMI传感器的测量范围为0-160μT，拟合直线斜率为53.48kV/T，即传感器所对应的输出灵敏度为53.48kV/T，通过拟合工具输出结果可知，拟合曲线相关系数为0.9994。
综上所述，本发明利用GMI传感器高响应带宽和高灵敏度的优势以及数字化平台的灵活便捷，为微弱交变磁场测量提供一种面向微弱交变磁场测量的小型化数字式GMI传感器。本发明的优势在于：第一，硬件电路采用集成化设计，有效实现了小型化；第二，基于FPGA的数字平台设计实现GMI传感器，数字化信号调理方式性能稳定、编程调试灵活、接口丰富、性能稳定、响应速度快；第三，设计并应用了相干解调、降采样、等精度测频及正交锁定放大等信号测量方法，具有良好的微弱信号检测性能，可以对交变磁场进行频率测量和幅值解算。
本发明使用数字化的方式进行数据处理，可对外部元件的非线性、温漂等干扰做适当的修正，从而增加了线性度，同时能降低传感器温漂、零漂效应，解决了模拟解调型GMI传感器信号调理电路构造较为复杂、工作频率较高、元器件发热会导致温漂和零漂及传感器输出受解调电路自身元器件影响较大的问题。同时，还解决了数字式GMI传感器主要面向地磁场测量，对于交变磁场测量的数字化信号处理平台较少且功能不够完善的技术问题。
此外，本发明可以测量微弱交变磁场，并输出频率和模拟电压值，同时由于具有FPGA可编程的特性，可根据使用者的数字接口进行相关调整，包括但不限于IIC、SPI、CAN总线、私有协议总线等，与模拟型传感器相比应用范围更广。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的结构及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种面向微弱交变磁场测量的小型化数字式GMI传感器，其特征在于，包括：GMI模块及FPGA处理模块；
所述GMI模块，与所述FPGA处理模块相连接，用于在FPGA处理模块发出的数字电压激励信号作用下感应微弱交变磁场并产生模拟响应电压信号，再将所述模拟响应电压信号转换为数字信号并输出给所述FPGA处理模块；
所述FPGA处理模块用于将参考信号与所述数字信号进行乘法运算并产生调制交变磁场信号，再利用降采样降低所述调制交变磁场信号的采样率并输出交变磁场信号；所述FPGA处理模块，还用于计算所述交变磁场信号的频率；所述FPGA处理模块还用于将正交参考信号与所述交变磁场信号进行乘法运算，产生第一直流量，将同相参考信号与所述交变磁场信号进行乘法运算，产生第二直流量；所述FPGA处理模块还用于将所述第一直流量和所述第二直流量进行平方和运算并开平方，得到所述交变磁场信号的数字量幅值。
2.根据权利要求1所述的面向微弱交变磁场测量的小型化数字式GMI传感器，其特征在于，所述FPGA处理模块具体包括：数控振荡器、相干解调单元、CIC滤波器、等精度测频计算器及正交锁定放大单元；
所述数控振荡器，用于产生所述参考信号、所述同相参考信号及所述正交参考信号；
所述相干解调单元，分别与所述数控振荡器及所述GMI模块连接，用于将所述参考信号与所述数字信号进行乘法运算，并提取所述参考信号与所述数字信号乘法运算后的所述调制交变磁场信号；
所述CIC滤波器，与所述相干解调单元连接，用于利用降采样降低所述调制交变磁场信号的采样率并输出所述交变磁场信号；
所述等精度测频计算器，与所述CIC滤波器连接，用于计算所述交变磁场信号的频率；
所述正交锁定放大单元分别与所述数控振荡器及所述CIC滤波器连接；所述正交锁定放大单元，用于将所述正交参考信号与所述交变磁场信号进行乘法运算，产生所述第一直流量，并将所述同相参考信号与所述交变磁场信号进行乘法运算，产生所述第二直流量；所述正交锁定放大单元还用于将所述第一直流量和所述第二直流量进行平方和运算并开平方，得到所述交变磁场信号的数字量幅值。
3.根据权利要求2所述的面向微弱交变磁场测量的小型化数字式GMI传感器，其特征在于，所述相干解调单元具体包括：
第一乘法器和第一数字低通滤波器；
所述第一乘法器，分别与所述数控振荡器及所述GMI模块连接，用于将所述参考信号与所述数字信号进行乘法运算；
所述第一数字低通滤波器，与所述第一乘法器连接，用于提取所述参考信号与所述数字信号乘法运算后的所述调制交变磁场信号。
4.根据权利要求3所述的面向微弱交变磁场测量的小型化数字式GMI传感器，其特征在于，所述正交锁定放大单元具体包括：
第二乘法器、第三乘法器、第二数字低通滤波器、第三数字低通滤波器及测量幅值运算器；
所述第二乘法器，分别与所述数控振荡器及与所述CIC滤波器连接，用于将所述正交参考信号与所述交变磁场信号进行乘法运算；
所述第三乘法器，分别与所述数控振荡器及所述CIC滤波器连接，用于将所述同相参考信号与所述交变磁场信号进行乘法运算；
所述第二数字低通滤波器，与所述第二乘法器连接，用于提取所述正交参考信号与所述交变磁场信号乘法运算后产生的所述第一直流量；
所述第三数字低通滤波器，与所述第三乘法器连接，用于提取所述同相参考信号与所述交变磁场信号乘法运算后产生的所述第二直流量；
所述测量幅值运算器，分别与所述第二数字低通滤波器及所述第三数字低通滤波器连接，用于将所述第一直流量和所述第二直流量平方运算后求和，再开平方，得到所述交变磁场信号的数字量幅值。
5.根据权利要求4所述的面向微弱交变磁场测量的小型化数字式GMI传感器，其特征在于，所述同相参考信号和正交参考信号为互为正交有符号数的数字正弦信号，且所述同相参考信号的频率、所述正交参考信号的频率均与所述数字信号的频率一致。
6.根据权利要求5所述的面向微弱交变磁场测量的小型化数字式GMI传感器，其特征在于，所述第一数字低通滤波器、第二数字低通滤波器及所述第三数字低通滤波器均为FIR数字滤波器。
7.根据权利要求6所述的面向微弱交变磁场测量的小型化数字式GMI传感器，其特征在于，所述GMI模块具体包括：GMI探头、偏置电源、限流电阻、拾取线圈、电压-电流转换器、前置放大器、第一数模转换器以及模数转换器；
所述第一数模转换器，与所述FPGA处理模块连接，用于将所述数字电压激励信号转换为模拟电压激励信号；
所述电压-电流转换器，分别与所述第一数模转换器、所述限流电阻及所述GMI探头连接，用于将所述模拟电压激励信号转化为模拟电流激励信号并输出给所述GMI探头，所述GMI探头位于微弱交变磁场中；
所述拾取线圈，套设于所述GMI探头外，用于拾取所述GMI探头两端的模拟响应电压信号并输出；
所述前置放大器与所述拾取线圈连接，用于对所述模拟响应电压信号放大并输出；
所述模数转换器分别与所述前置放大器及所述第一乘法器连接，用于将放大后的模拟响应电压信号转换为数字信号，并将所述数字信号输出给所述第一乘法器；
所述偏置电源通过所述限流电阻与所述GMI探头连接，用于使所述GMI探头工作在线性区间；所述GMI探头为非晶软磁薄带材料。
8.根据权利要求7所述的面向微弱交变磁场测量的小型化数字式GMI传感器，其特征在于，所述FPGA处理模块还包括：直接数字频率合成器；
所述直接数字频率合成器，与所述模数转换器连接，用于输出数字电压激励信号。
9.根据权利要求8所述的面向微弱交变磁场测量的小型化数字式GMI传感器，其特征在于，所述数字电压激励信号为正弦信号。
10.根据权利要求9所述的面向微弱交变磁场测量的小型化数字式GMI传感器，其特征在于，还包括：第二数模转换器；
所述第二数模转换器，与所述测量幅值运算器连接，用于将所述交变磁场信号的数字量幅值转换成模拟电压信号。
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| CN202310624611.2A CN116626562A (zh) | 2023-05-26 | 2023-05-26 | 一种面向微弱交变磁场测量的小型化数字式gmi传感器 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117310303A (zh) * | 2023-09-22 | 2023-12-29 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 基于数字相敏解调算法的电荷测量方法 |
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- 2023-05-26 CN CN202310624611.2A patent/CN116626562A/zh active Pending
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| CN117310303A (zh) * | 2023-09-22 | 2023-12-29 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 基于数字相敏解调算法的电荷测量方法 |
| CN117310303B (zh) * | 2023-09-22 | 2024-04-16 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 基于数字相敏解调算法的电荷测量方法 |
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