CN202171648U

CN202171648U - 低噪声感应式磁传感器

Info

Publication number: CN202171648U
Application number: CN2011202720456U
Authority: CN
Inventors: 王晓美; 滕云田; 王晨; 范晓勇; 马洁美; 王喜珍; 胡星星
Original assignee: INSTITUTE OF GEOPHOSICS OF CHINA EARTHQUAKE ADMINISTRATION
Current assignee: INSTITUTE OF GEOPHOSICS OF CHINA EARTHQUAKE ADMINISTRATION
Priority date: 2011-07-29
Filing date: 2011-07-29
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2021-07-29

Abstract

本实用新型公开了一种低噪声感应式磁传感器，包括壳体、位于壳体内的磁感应探头和信号处理单元，感应线圈缠绕在磁芯上，反馈线圈缠绕在感应线圈外侧，信号处理单元固定在磁感应探头一端，并与磁感应探头形成闭合的磁通负反馈回路。利用反馈线圈产生磁场对被测磁场形成磁通负反馈，获得磁传感器在低频段平坦的灵敏度曲线，较大地拓宽了仪器的观测频带，同时，选用经高温绝缘处理的棒型坡莫合金高导磁率软磁材料做磁芯，提高了导磁系数，缩小了磁传感器体积，减轻了重量。处理后的探测信号信噪比高、噪声低、频带宽，可有效实现对地磁变化磁场信息的有效捕捉和监测，特别适于在地震短临预测中使用。

Description

低噪声感应式磁传感器

技术领域

本实用新型涉及一种用于地磁变化磁场观测的装置，尤其涉及一种用于空间等离子体和地磁脉动观测的低噪声感应式磁传感器。

背景技术

感应式磁传感器因其噪声低、结构简单、稳定性高等优点，广泛应用于地磁变化磁场的观测中，特别适用于变化磁场中的地磁脉动和ULF(Ultra Low Frequency，超低频)信号观测。

目前，国内的此类传感器均采用电补偿方式，即根据感应线圈的幅频特性设计后级补偿电路，使后级补偿电路的幅频特性与感应线圈的幅频特性相反，从而保证传感器在一定的频率范围内获得较平坦的频率特性。其结构虽然能够满足一定的探测需要，但探测频带较窄，适用范围受到一定限制，同时，其采用板条叠装成长方体的铁芯作为磁芯材料，导磁系数较低，使得制成的传感器体积和重量较大，信噪比较低，分辨率较差，给后期使用带来不便。

如何对现有磁传感器的结构进行改进，以扩展探测频带宽度、提高使用效果，就成为本实用新型要解决的问题。

发明内容

鉴于上述现有技术和传感器结构的不足，本实用新型旨在利用磁通负反馈的方式，使磁传感器在低频段获得平坦的灵敏度曲线，较大地拓宽仪器的观测频带，从而保证探测效果，实现准确探测。

本实用新型是通过以下技术方案来实现的：

低噪声感应式磁传感器，包括壳体和位于壳体内的磁感应探头，磁感应探头中磁芯固定在磁芯骨架上，感应线圈缠绕在磁芯上，还包括与磁感应探头形成闭合的磁通负反馈回路的信号处理单元，以及缠绕在感应线圈外侧、与信号处理单元连通的反馈线圈，信号处理单元固定在磁感应探头一端，并且被密封在壳体内，磁感应探头通过引出排线与信号处理单元连通。

所述信号处理单元包括模拟信号处理电路板和用于固定电路板的电路板支架，电路板支架固定在磁芯的外端上；模拟信号处理电路板包括顺序电连接的一级RC低通滤波器、低噪声前置运算放大器和调制解调放大器，以及连接在调制解调放大器输出端与反馈线圈之间的深度负反馈网络；一级RC低通滤波器的输入端连接在感应线圈的引出排线上。

所述信号处理单元还包括激励信号发生电路和相移电路，激励信号发生电路和相移电路顺序连接在感应线圈与调制解调放大器输入端之间的连接支路上。

所述信号处理单元还包括低通滤波器和低噪声后置运算放大器，低通滤波器和低噪声后置运算放大器顺序连接在调制解调放大器的输出端上。

所述磁芯为棒型。

所述感应线圈和反馈线圈为分段绕制。

在具体应用领域中，如在地震开始前，岩石发生裂缝引起的张力，会引起各种频率的电磁波产生，其中低频电磁波能穿透大气层进入太空。这种现象在地震发生前几个小时，低频信号会增强，在地震后，讯号则会减弱。研制低噪声感应式磁传感器，使其仪器频带范围达到0.03～10Hz，通过观测不同纬度地区的地磁扰动现象和低频电磁信号异常，就可为地震短临预测提供有力的证据。

本实用新型所述的低噪声感应式磁传感器的有益效果为：采用磁反馈方法，将感应信号放大后转换成电流量，利用绕在感应线圈外侧的反馈线圈产生磁场对被测磁场形成磁通负反馈，使磁传感器形成闭合的磁通负反馈回路，从而获得了磁传感器在低频段平坦的灵敏度曲线，较大地拓宽了仪器的观测频带，扩展了适用范围；同时，采用经高温绝缘处理的棒型坡莫合金高导磁率软磁材料做磁芯，不仅提高了导磁系数，缩小了磁传感器的体积，减轻了重量，还使后期使用更方便、灵活。处理后的探测信号，信噪比高、噪声低、频带宽，可实现对地磁变化磁场信息的有效捕捉和监测，特别是对地震短临预测具有非常高的现实意义。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型所述信号处理单元的结构原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的描述：

如图1所示，本实用新型所述的低噪声感应式磁传感器，包括壳体1、磁感应探头和与磁感应探头形成闭合的磁通负反馈回路的信号处理单元。磁感应探头和信号处理单元分别封装在壳体1内。

其中，磁感应探头中包括磁芯7、磁芯骨架2、感应线圈4和起到磁通负反馈的反馈线圈3。磁芯7固定在磁芯骨架2上，感应线圈4缠绕在磁芯7上，反馈线圈3缠绕在感应线圈4外侧。磁感应探头整体位于壳体1内，以方便在户外安全、可靠地使用。磁感应探头通过引出排线与信号处理单元连通。

为提高磁传感器的导磁系数，缩小传感器的体积、减轻重量，提高线圈的感应电动势，磁芯7采用经高温绝缘处理的、棒型1J79坡莫合金高导磁率软磁材料制成，而为减少线圈的分布电容，提高磁传感器的灵敏度，感应线圈4和反馈线圈3分别采用直径为0.15mm的高导电率铜漆包线分段绕制而成，本例中线圈被绕制成5段，并且相互串联而成。当通过感应线圈4的磁场发生变化时，在线圈两端会产生感应电压，感应电压的大小会受磁芯截面面积、线圈匝数、有效磁导率和被测信号的频率等因素影响。而反馈线圈3则会在信号处理单元的作用下，随着感应电压的产生在磁芯7上也产生一个磁场，对被测磁场形成磁通负反馈，在磁传感器上形成闭合的磁通负反馈回路，从而获得了磁传感器在低频段的平坦的灵敏度曲线，较大地拓宽了磁传感器的观测频带，避免了现有传感器中使用电补偿方式带来的频带较窄的弊端。

信号处理单元包括模拟信号处理电路板6和电路板支架5。信号处理单元位于磁感应探头的一侧，并一起密封在壳体1内。电路板支架5固定连接在磁芯7的一端外侧，模拟信号处理电路板6固定在电路板支架5上。

如图2所示，模拟信号处理电路板包括顺序电连接的一级RC低通滤波器11、低噪声前置运算放大器12、调制解调放大器13、低通滤波器14和低噪声后置运算放大器15，其中，在调制解调放大器13输出端与磁感应探头10的反馈线圈之间还连接有深度负反馈网络18，而在感应线圈与调制解调放大器输入端之间的连接支路上还顺序连接有激励信号发生电路17和相移电路16。

一级RC低通滤波器11的输入端连接在磁感应探头10的感应线圈的引出排线上，其可对磁感应探头10被动拾取的带有干扰的外界磁场信息进行首次干扰信息滤除。低噪声前置运算放大器12连接在一级RC低通滤波器11的输出端上，其对过滤后的微弱信号进行放大。由于磁感应探头10的输出信号幅度与外磁场的频率成正比，受低频信号灵敏度较低的影响，在低噪声前置运算放大器12的输出端还连接有调制解调放大器13，调制解调放大器13可对低频端信号进行放大，从而获得更高的信噪比。低通滤波器14和后置运算放大器15顺序连接在调制解调放大器13的输出端上，其可对输出信号做进一步地滤除干扰和信号放大，以保证输出信号的效果。

激励信号发生电路17分别为前端的磁感应探头提供载波信号和后续的调制解调电路提供基带信号，相移电路16调节载波信号和基带信号的相位差。

如图1、图2所示，使用中，低噪声感应式磁传感器的磁芯7不断接收地磁扰动信号或超低频信号，在感应线圈4上相应产生感应电压，并通过引出排线接入到信号处理单元的一级RC低通滤波器11中，经首次干扰信息滤除后，再经低噪声前置运算放大器12进行微弱信号放大，受低频信号灵敏度较低的影响，放大后信号被送入到调制解调放大器13中，从而获得了较高的信噪比信号，噪声性能能达到pT级。由于感应信号被放大后转换成了电流量，利用深度的负反馈网络18，绕在感应线圈4外侧的反馈线圈3会产生磁场对被测磁场形成磁通负反馈，使磁传感器内形成闭合的磁通负反馈回路，从而使磁传感器在低频段0.03～10Hz内获得平坦的灵敏度曲线，极大地拓宽了仪器的观测频带。同时，由激励信号发生电路17和相移电路16形成的闭环回路，还可有效降低磁传感器的噪声和温漂，并使磁传感器的传输函数变为常数。为进一步提高探测信号的输出效果，调制解调放大器13的输出端输出的信号还被低通滤波器14再次进行干扰信号滤除，同时，后置运算放大器15对信号再次进行信号放大，这样，分辨率高、噪声低、频带宽的捕捉地磁变化磁场信息才被最终有效输出，整个探测过程完成。

Claims

1.低噪声感应式磁传感器，包括壳体和位于壳体内的磁感应探头，所述磁感应探头中磁芯固定在磁芯骨架上，感应线圈缠绕在磁芯上，其特征在于，还包括与磁感应探头形成闭合的磁通负反馈回路的信号处理单元，以及缠绕在感应线圈外侧、与信号处理单元连通的反馈线圈，所述信号处理单元固定在磁感应探头一端，并且被密封在壳体内，磁感应探头通过引出排线与信号处理单元连通。

2.根据权利要求1所述的低噪声感应式磁传感器，其特征在于，所述信号处理单元包括模拟信号处理电路板和用于固定电路板的电路板支架，所述电路板支架固定在磁芯的外端上；所述模拟信号处理电路板包括顺序电连接的一级RC低通滤波器、低噪声前置运算放大器和调制解调放大器，以及连接在调制解调放大器输出端与反馈线圈之间的深度负反馈网络；所述一级RC低通滤波器的输入端连接在感应线圈的引出排线上。

3.根据权利要求2所述的低噪声感应式磁传感器，其特征在于，所述信号处理单元还包括激励信号发生电路和相移电路，所述激励信号发生电路和相移电路顺序连接在感应线圈与调制解调放大器输入端之间的连接支路上。

4.根据权利要求2或3所述的低噪声感应式磁传感器，其特征在于，所述信号处理单元还包括低通滤波器和低噪声后置运算放大器，所述低通滤波器和低噪声后置运算放大器顺序连接在调制解调放大器的输出端上。

5.根据权利要求1所述的低噪声感应式磁传感器，其特征在于，所述磁芯为棒型。

6.根据权利要求1所述的低噪声感应式磁传感器，其特征在于，所述感应线圈和反馈线圈为分段绕制。