專利名稱：一種磁通門傳感器信號處理電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁通門電子電路技術(shù)領(lǐng)域，更具體地講，涉及一種磁通門傳感器信號處理電路，對磁通門原始信號采集，通過數(shù)學(xué)計算求得磁通門信號的二次諧波，以達(dá)到測量外圍磁場的目的。
背景技術(shù)：
20世紀(jì)30年代初，出現(xiàn)了磁通門技術(shù)，它可以測定恒定和低頻弱磁場，其基本原理是利用高磁導(dǎo)率、低矯頑力的軟磁材料磁芯制成感應(yīng)線圈被激勵后，出現(xiàn)隨環(huán)境磁場而變的偶次諧波分量的電勢特性，通過高性能的磁通門調(diào)理電路測量偶次諧波分量，從而測得環(huán)境磁場的大小。磁通門傳感器是利用被測磁場中高導(dǎo)磁鐵芯在交變磁場的飽和激勵下，其磁感應(yīng)強度與磁場強度的非線性關(guān)系來測量弱磁場的一種傳感器。與其他類型測磁 儀器相比，磁通門傳感器具有分辨力高、測量弱磁場范圍寬、可靠、能夠直接測量磁場的分量等特點。目前，磁通門傳感器憑借其高精度、耐高溫、分軸測量等特性，在軍事、能源、礦產(chǎn)、航天等領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用。常規(guī)的磁通門信號處理電路是通過模擬電路來對信號進行分析處理，這就導(dǎo)致處理電路板制作非常復(fù)雜，產(chǎn)品體積大功耗大，而且成本居高不下；測量精度低，且不易實現(xiàn)系統(tǒng)的升級和調(diào)試。

發(fā)明內(nèi)容
為了提高磁通門傳感器的測量精度，提高產(chǎn)品性能，使其更便于調(diào)整和實現(xiàn)系統(tǒng)的升級，本發(fā)明提供了一種磁通門傳感器信號處理電路。所述技術(shù)方案如下一種磁通門傳感器信號處理電路，包括磁通門信號處理單元及信號反饋單元，磁通門探頭所采集的環(huán)境電壓信號經(jīng)隔直電路、可編程增益放大器與所述信號處理單元連接，所述磁通門信號處理單元包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器，接收經(jīng)所述可編程增益放大器的電壓模擬信號，并將其轉(zhuǎn)換為電壓數(shù)字信號；數(shù)字選頻器，接收經(jīng)轉(zhuǎn)換后的電壓數(shù)字信號并對其濾波，獲取高信噪比的電壓數(shù)字信號;相敏檢波器，接收所述數(shù)字選頻器的電壓數(shù)字信號，并對其進行整流；磁場標(biāo)定模塊，接收所述相敏檢波器整流后的電壓數(shù)字信號，并對其進行磁場標(biāo)定，輸出所標(biāo)定的磁場大??；所述信號反饋單元接收經(jīng)所述相敏檢波器整流后的電壓數(shù)字信號，并將其反饋至所述隔直電路的前端。所述磁通門信號處理單元為DSP數(shù)字信號處理器。
進一步地，所述信號反饋單元包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器和可編程增益放大器；所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器接收整流后的電壓數(shù)字信號，并將其轉(zhuǎn)換為電壓模擬信號；所述可編程增益放大器接收經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的電壓模擬信號，并將其輸出至隔直電路的前端。再進一步地，所述信號反饋單元還包括插值計算模塊，其接收經(jīng)所述相敏檢波器整流后的電壓數(shù)字信號，并對其進行插值處理，所述整流后離散的電壓數(shù)字信號經(jīng)所述插值計算模塊形成近似連續(xù)的波形信號。所述的隔直電路為隔直電容。所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器型號為AD7400A。 對所述相敏檢波器整流后的電壓數(shù)字信號進行磁場標(biāo)定是通過提取整流后的電壓數(shù)字信號的幅值，并根據(jù)電壓與磁場強度之間的線性關(guān)系獲取與其幅值相對應(yīng)的磁場大小。本發(fā)明所提供的技術(shù)方案與傳統(tǒng)的磁通門傳感器信號處理電路相比具有以下有益效果(I)采用數(shù)字信號處理器對磁通門傳感器所采集的模擬信號進行數(shù)字處理，使整個處理系統(tǒng)集成度高，所有信號的處理均在通過軟件來完成，使外圍元件少，抗干擾能力強，能工作在復(fù)雜電磁環(huán)境下。(2)本發(fā)明采用數(shù)字化處理方式，主要采用集成芯片，其體積小，功耗低；(3)通過對DSP的程序修改可實現(xiàn)功能的調(diào)整，使調(diào)試與系統(tǒng)升級變得極為方便。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖I為磁通門傳感器示意圖；圖2為磁通門傳感器電路原理圖；圖3為本發(fā)明所提供的電路原理框圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方式作進一步地詳細(xì)描述。磁通門傳感器是利用高導(dǎo)磁鐵芯在飽和交變勵磁下選通調(diào)制直流磁場分量，并將直流磁場變?yōu)榻涣麟妷狠敵?，進而達(dá)到測量外界磁場的目的。其基本結(jié)構(gòu)如圖I所示。在一根鐵心上纏繞激磁線圈和感應(yīng)線圈，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)線圈上應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為e = -\0 ■—(WpHS)
dt其中W為感應(yīng)線圈的匝數(shù)，μ為磁導(dǎo)率，H為磁場強度，S為鐵心橫截面積。當(dāng)激磁線圈接上頻率為f的正弦激磁電壓時，即H=HmCos (2 π ft),其中Hm為激磁磁場強度賦值。若不考慮鐵芯磁導(dǎo)率μ的變化，得到理想變壓器的數(shù)學(xué)模型，其感應(yīng)線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為e=2 31 X l(T8f μ WSHmSin (2 π ft)由于鐵芯磁化曲線的非線性，激磁磁場瞬時值變化導(dǎo)致磁導(dǎo)率μ的變化。所以，實際變壓器效應(yīng)數(shù)學(xué)模型為ε = 2πχ10 ' f μ{Ι)\ΥΗΗ... sin(2,T//)-lOWSH.,. cos(2,t//)
dt激磁磁場瞬時值方向呈周期性變化，隨之而變的鐵芯磁導(dǎo)率μ (t)卻無正負(fù)之分。所以μ (t)為偶函數(shù)，將μ (t)展開為傅立葉級數(shù)可得μ (t) = μ Om+ y 2mcos (4 π ft) + μ 4mcos (8 Ji ft) + μ 6mcos (12 n ft) +...將μ (t)的傅立葉展開代入上式得β = 2πχ 0+ //., )sin(2,T/ ) + (μ2ια + /./4, )sin(6,T.//)+ 4 O4m + U6m) sin(l Οπ/t) + - {μ6ηι + μ細(xì))sin( 14πβ) ·. ·]
A,^若考慮環(huán)境磁場施加在鐵芯軸向上的分量Hci時，變?yōu)棣?= 2πχ\0 ^ f a(i)WSHni ^\η(2πβ)-10IVSH,., cos(2,t //)-10 ' WSHn
dt * dt當(dāng)H。比鐵芯飽和磁場強度Hs和激磁磁場強度幅值Hm都小得很多時，它對鐵芯磁導(dǎo)率μ (t)的影響可以忽略。Htl引起的感應(yīng)電動勢e的增量e (Htl)為e (H0) =-2 π X l(T8f￥SH0 (2 μ 2msin (4 π ft)+4 μ 4msin (8 π ft) +6 μ 6msin (12 π ft) +...)磁通門傳感器利用電磁感應(yīng)原理來實現(xiàn)對磁場的檢測，將地磁信號轉(zhuǎn)換為電信號。任意偶次諧波可作為被測磁場的量度，由于二次諧波幅值最大，故通常選取其二次諧波電壓量度被測磁場。本發(fā)明的磁通門傳感器采用三端式磁通門結(jié)構(gòu)設(shè)計，其激勵為5KHz的方波，磁通門傳感器激磁線圈與感應(yīng)線圈等效電路如圖2所示；由于激勵繞組和測量繞組為同一線圈，因此必須使用隔離變壓器。隔離變壓器采用推挽輸出方式，次級中心端接地，磁通門傳感器輸出的變壓器效應(yīng)相互抵消，故外界磁場產(chǎn)生的磁通門效應(yīng)增加，其輸出為隨環(huán)境磁場而變化的偶次諧波增量。圖3是數(shù)字信號處理電路的原理框圖，其主要包括磁通門探頭、信號處理單元及信號反饋單元，所述磁通門探頭所采集的環(huán)境電壓信號經(jīng)隔直電路、可編程增益放大器與所述信號處理單元連接，所述信號反饋單元將所述信號處理單元的處理信號反饋至所述隔直電路的前端，其中的隔直電路采用隔直電容，信號處理單元為DSP數(shù)字信號處理器，其包括
模數(shù)轉(zhuǎn)換器，接收經(jīng)所述可編程增益放大器的電壓模擬信號，并將其轉(zhuǎn)換為電壓數(shù)字信號；數(shù)字選頻器，接收經(jīng)轉(zhuǎn)換后的電壓數(shù)字信號并對其濾波，獲取高信噪比的電壓數(shù)字信號;相敏檢波器，接收所述數(shù)字選頻器的電壓數(shù)字信號，并對其進行整流；磁場標(biāo)定模塊，其對所述相敏檢波器整流后的電壓數(shù)字信號進行磁場標(biāo)定，通過提取整流后的電壓數(shù)字信號的幅值，并根據(jù)電壓與磁場強度之間的線性關(guān)系獲取與其幅值相對應(yīng)的磁場大小。信號反饋單元包括插值計算模塊，其接收經(jīng)相敏檢波器整流后的電壓數(shù)字信號并對其進行插值計 算，所述整流后離散的電壓數(shù)字信號經(jīng)所述插值計算模塊形成近似連續(xù)的波形信號；數(shù)模轉(zhuǎn)換器，接收經(jīng)插值計算模塊處理過的電壓數(shù)字信號，并將其轉(zhuǎn)換為電壓模擬信號；可編程增益放大器，接收經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的電壓模擬信號，并將其輸出至隔直電路的前端。以下對磁通門傳感器信號處理電路的各個主要部分進行詳細(xì)描述。(I)模數(shù)轉(zhuǎn)換器根據(jù)磁通門數(shù)字信號處理的性能要求，本項目選用AD7400A模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它是一款二階Σ-Λ調(diào)制器，片上的數(shù)字隔離采用ADI公司的iCoupler 技術(shù)，精度為16bit，最高IOM的采樣頻率，能進行雙極性數(shù)字采樣。精度16bit的信號采集能夠保證精度為InT測量精度；10M的采樣頻率能夠保證單路激勵頻率為ΙΟΟΚΗζ、每周期100個采樣點，從而能夠?qū)㈩l響帶寬提高至IK以上；雙極性能夠保證采集負(fù)向的磁通門信號。(2)數(shù)字選頻器與外界磁場相關(guān)的只有磁通門信號的偶次諧波，而由于激勵及電路工作的原因，會給磁通門信號帶來很多高頻噪音。在傳統(tǒng)的模擬電路中設(shè)計了帶通濾波器進行濾波。數(shù)字信號處理必須通過FIR對采集信號進行濾波，然后才能進行后續(xù)數(shù)值計算，否則系統(tǒng)的信噪比將會不理想。(3)相敏檢波器相敏檢波器主要是根據(jù)相位基準(zhǔn)信號對信號進行正負(fù)變換。相敏檢波將磁通門的輸出電壓信號X(n)轉(zhuǎn)換成直流電壓信號H(n)。取一個與激勵電源二次諧波同頻率的方波R(n)為基準(zhǔn)信號，相敏檢波在基準(zhǔn)信號R(n)的前半個周期對磁通門的輸出電壓信號X (η)進行同相放大，在基準(zhǔn)信號R(n)的后半個周期對其進行反相放大。經(jīng)相敏檢波后，得到我們所需要的信號H(n)(相敏檢波所用的相位基準(zhǔn)信號R(η)與激勵來自同一振蕩器)H (n) =X (η) · R (η)。(4)磁場標(biāo)定模塊此模塊是通過提取相敏檢波器中所整流的二次諧波的電壓幅值，并根據(jù)二次諧波的電壓幅值與外界磁場大小之間的線性關(guān)系，求取磁場的大小。(5)數(shù)模轉(zhuǎn)換器模擬電路采用了閉環(huán)控制，而且前向通道上設(shè)置了積分環(huán)節(jié)，根據(jù)自動控制理論該系統(tǒng)為無差系統(tǒng)。因而磁通門探頭實際上是工作在零磁場條件下，也就是說反饋電流產(chǎn)生的磁場與環(huán)境磁場大小相等方向相反。積分電路是一個高增益環(huán)節(jié)(理想積分器增益為-),也即前向通道增益很大，這時系統(tǒng)信號的梯度主要取決于反饋系數(shù)。而反饋系數(shù)由反饋電阻確定，比較穩(wěn)定，信號梯度有很好的線性度，因而在數(shù)模轉(zhuǎn)換精度足夠高的條件下，前端的數(shù)字信號準(zhǔn)確地反應(yīng)了環(huán)境磁場。(6)插值計算模塊由于數(shù)值計算的結(jié)果都是離散的，為了提高數(shù)模轉(zhuǎn)換的精度，必須通過插值計算使離散的結(jié)果更加接近連續(xù)的波形。需要說明的是上述實施例提供的磁通門傳感器信號處理電路僅以上述各功能模塊的劃分進行舉例說明，實際應(yīng)用中，可以根據(jù)需要而將上述功能分配由不同的功能模塊 完成，即將設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)劃分成不同的功能模塊，以完成以上描述的全部或者部分功能，這里不再贅述。上述本發(fā)明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優(yōu)劣。本發(fā)明實施例中的全部或部分步驟，可以利用軟件實現(xiàn)，相應(yīng)的軟件程序可以存儲在可讀取的存儲介質(zhì)中。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種磁通門傳感器信號處理電路，包括磁通門探頭、磁通門信號處理單元及信號反饋單元，磁通門探頭所采集的環(huán)境電壓信號依次經(jīng)隔直電路、可編程增益放大器與所述信號處理單元連接，其特征在于， 所述磁通門信號處理單元包括 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，接收經(jīng)所述可編程增益放大器的電壓模擬信號，并將其轉(zhuǎn)換為電壓數(shù)字信號; 數(shù)字選頻器，接收經(jīng)轉(zhuǎn)換后的電壓數(shù)字信號并對其濾波，獲取高信噪比的電壓數(shù)字信號; 相敏檢波器，接收所述數(shù)字選頻器的電壓數(shù)字信號，并對其進行整流； 磁場標(biāo)定模塊，接收所述相敏檢波器整流后的電壓數(shù)字信號，并對其進行磁場標(biāo)定，輸出所標(biāo)定的磁場大??； 所述信號反饋單元接收經(jīng)所述相敏檢波器整流后的電壓數(shù)字信號，并將其反饋至所述隔直電路的前端。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁通門傳感器信號處理電路，其特征在于， 所述的磁通門信號處理單元為DSP數(shù)字信號處理器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁通門傳感器信號處理電路，其特征在于， 所述信號反饋單元包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器和可編程增益放大器； 所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器接收整流后的電壓數(shù)字信號，并將其轉(zhuǎn)換為電壓模擬信號； 所述可編程增益放大器接收經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的電壓模擬信號，并將其輸出至隔直電路的前端。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的磁通門傳感器信號處理電路，其特征在于， 所述信號反饋單元還包括插值計算模塊，其接收經(jīng)所述相敏檢波器整流后的電壓數(shù)字信號，并對其進行插值處理，所述整流后離散的電壓數(shù)字信號經(jīng)所述插值計算模塊形成近似連續(xù)的波形信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一所述的磁通門傳感器信號處理電路，其特征在于， 所述的隔直電路為隔直電容。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的磁通門傳感器信號處理電路，其特征在于， 所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器型號為AD7400A。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁通門傳感器信號處理電路，其特征在于， 對所述相敏檢波器整流后的電壓數(shù)字信號進行磁場標(biāo)定是通過提取整流后的電壓數(shù)字信號的幅值，并根據(jù)電壓與磁場強度之間的線性關(guān)系獲取與其幅值相對應(yīng)的磁場大小。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磁通門傳感器信號處理電路，包括DSP數(shù)字信號處理器及信號反饋單元，磁通門探頭所采集的環(huán)境電壓信號經(jīng)隔直電路、可編程增益放大器與數(shù)字信號處理器連接，信號反饋單元將數(shù)字信號處理器的處理信號反饋至隔直電路的前端，其中DSP數(shù)字信號處理器包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字選頻器、相敏檢波器和磁場標(biāo)定模塊；信號反饋單元包括插值計算模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和可編程增益放大器，DSP數(shù)字信號處理器接收磁通門探頭的信號，依次經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字選頻濾波、相敏整流和磁場標(biāo)定輸出所測環(huán)境磁場的大?。煌ㄟ^對環(huán)境信號的數(shù)字處理，提高了磁通門傳感器的測量精度和產(chǎn)品性能，使其更便于調(diào)整和實現(xiàn)系統(tǒng)的升級。
文檔編號G01R33/04GK102830371SQ20121016574
公開日2012年12月19日 申請日期2012年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月24日
發(fā)明者申瑞臣, 胡杰, 田中蘭, 喬磊, 彭勁松, 董勝偉 申請人:中國石油天然氣集團公司, 中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院