感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器。該感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器采用斬波放大技術(shù)，將來(lái)自地球深部的天然磁場(chǎng)的頻率范圍為0.1mHz-1kHz的低頻微弱信號(hào)斬波至數(shù)kHz的頻率上進(jìn)行增益放大，再通過(guò)相同的斬波開關(guān)和有源濾波器將信號(hào)頻率降至原有范圍，克服常規(guī)運(yùn)算放大器、差分放大器、三極管單管等放大元件的在0.1mHz-100Hz的自身1/f噪聲對(duì)傳感器的影響，有效降低磁場(chǎng)傳感器噪聲，從而在保證良好的性噪比的條件下，能夠獲取地球深部的磁場(chǎng)信息。
【專利說(shuō)明】感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電子行業(yè)資源勘探【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，對(duì)礦產(chǎn)資源的需求急劇增大。但我國(guó)后備探明的礦產(chǎn)儲(chǔ)量嚴(yán)重不足，已成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大瓶頸。據(jù)權(quán)威統(tǒng)計(jì)，我國(guó)鐵、銅、鋁、鉀鹽等大宗金屬礦產(chǎn)嚴(yán)重短缺，對(duì)國(guó)際市場(chǎng)的依賴度越來(lái)越高，目前對(duì)外的依存度已高達(dá)50%~80%，遠(yuǎn)超出國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全的警戒線。但另一方面，據(jù)國(guó)土資源部2009發(fā)布的研究數(shù)據(jù)，受地球物理勘探技術(shù)的制約，我國(guó)礦產(chǎn)資源已探明的程度僅為1/3。為此，國(guó)家明確提出實(shí)施“立足國(guó)內(nèi)，找礦增儲(chǔ)”的資源保障戰(zhàn)略。
[0003]在地球物理勘探裝備中，電磁法是尋找地下油氣藏、金屬礦藏的有效手段，包括大地電磁測(cè)深(MT)或音頻大地電磁測(cè)深(AMT)、海洋可控源電磁方法(CSEM)，可控源音頻大地電磁測(cè)深(CSAMT)、瞬變電磁法(TEM)、航空瞬變電磁法(ATEM)等方法。
[0004]在地球物理觀測(cè)中，寬頻帶磁場(chǎng)傳感器常見(jiàn)于MT、AMT、CSEM、CSATMT, TEM等電磁方法儀器中，也可用于地磁觀測(cè)臺(tái)、磁測(cè)衛(wèi)星等平臺(tái)上磁場(chǎng)測(cè)量。測(cè)量頻率范圍覆蓋0.00001Hz-10kHz，靈敏度通常在10-4ηΤ/ V Ηζ-10-3ηΤ/ V Hz (IHz時(shí))，是地球物理觀測(cè)中最為廣泛磁場(chǎng)測(cè)試儀器之一。
[0005]近年來(lái)，眾多研究單位開展了感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器的研制，如吉林大學(xué)、中南大學(xué)、中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院等，亦有一 些階段性的研究成果公開發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊和專利上，但是工作頻率均為IHz以上的高頻感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器。究其原因，主要沒(méi)有解決低頻(0.1mHz-1Hz)微弱信號(hào)的低噪聲放大這一難題。由于電子元器件內(nèi)部泛在的Ι/f噪聲，這一噪聲隨著頻率的降低，幅度線性增大，導(dǎo)致頻率越低的微弱信號(hào)，更易于淹沒(méi)在電子噪聲中而無(wú)法檢測(cè)。感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器的工作頻率需達(dá)到0.lmHz，需解決這一難題。從目前公開的文獻(xiàn)可見(jiàn)，沒(méi)有研究者解決這一問(wèn)題，因此，國(guó)內(nèi)沒(méi)有成熟的可商用的感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器產(chǎn)品。
[0006]在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過(guò)程中， 申請(qǐng)人:意識(shí)到現(xiàn)有技術(shù)感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器存在如下技術(shù)缺陷:
[0007](I)工作頻率沒(méi)有足夠低，無(wú)法獲取低頻磁場(chǎng)信號(hào)，現(xiàn)有的感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器的工作頻率下限一般為IHz以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足地球深部資源勘探的需求，根據(jù)頻率域電磁測(cè)深方法原理，工作頻率越低，探測(cè)深度越深，IHz對(duì)應(yīng)探測(cè)深度約為500m(典型地質(zhì)情況)，0.1mHz對(duì)應(yīng)的探測(cè)深度超過(guò)50km。因此工作頻率直接影響勘探深度，工作頻率越低的磁場(chǎng)傳感器，勘探的深度越深，更加適用于地球深部資源探測(cè)；
[0008](2)靈敏度不夠高，無(wú)法獲取地下深部的微弱信號(hào)，來(lái)自地下深部的磁場(chǎng)信息，經(jīng)過(guò)地層的衰減，信號(hào)幅度極其微弱，需要高靈敏度的磁場(chǎng)傳感器進(jìn)行檢測(cè)，目前國(guó)內(nèi)磁場(chǎng)傳感器的靈敏度較差，無(wú)法檢測(cè)到該微弱信號(hào)。目前，典型的天然磁場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)度為IpT/sqrt (Hz) OlHz，如此微弱的信號(hào)，現(xiàn)有技術(shù)還不能檢測(cè)到。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0009](一)要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0010]鑒于上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種工作頻帶低、靈敏度高的感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器。
[0011](二)技術(shù)方案
[0012]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器。該感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器包括:磁芯，呈細(xì)長(zhǎng)棒狀；感應(yīng)線圈，纏繞在所述磁芯的外圍；斬波放大電路，其輸入端連接至所述感應(yīng)線圈的兩端，其輸出端作為磁場(chǎng)傳感器的輸出端；其中，被測(cè)磁場(chǎng)在磁芯中產(chǎn)生變化的磁感應(yīng)強(qiáng)度；該變化的磁感應(yīng)強(qiáng)度在線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電壓；該感應(yīng)電壓經(jīng)過(guò)斬波放大電路后信號(hào)幅度增強(qiáng)，由斬波放大電路的輸出端輸出。
[0013](三)有益效果
[0014]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器具有以下有益效果:
[0015](I)采用一種高靈敏度的斬波放大技術(shù)，將來(lái)自地球深部的天然磁場(chǎng)的低頻微弱信號(hào)(頻率范圍為0.1mHz-1kHz)斬波至數(shù)kHz的頻率上進(jìn)行增益放大，再通過(guò)相同的斬波開關(guān)和有源濾波器將信號(hào)頻率降至原有范圍，克服常規(guī)運(yùn)算放大器、差分放大器、三極管單管等放大元件的在0.1mHz-1OOHz的自身Ι/f噪聲對(duì)傳感器的影響，有效降低磁場(chǎng)傳感器噪聲，其自身的噪聲水平在整個(gè)觀測(cè)頻帶上約為天然磁場(chǎng)平均場(chǎng)強(qiáng)的1/10，從而在保證良好的性噪比的條件下，能夠獲取地球深部達(dá)50公里的磁場(chǎng)信息；
[0016](2)所采用高靈敏度斬波放大技術(shù)，斬波功能通過(guò)模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)，斬波控制信號(hào)采用FPGA或邏輯門電路實(shí)現(xiàn)，斬波功能引入的電荷注入效應(yīng)采用補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行抑制，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)采用微小電阻和電容實(shí)現(xiàn)，抑制電荷注入效應(yīng)的噪聲和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的噪聲。斬波時(shí)序上升沿和下降沿的波形存在過(guò)沖、尖峰和毛刺，這些非理想因素引起觀測(cè)波形的準(zhǔn)確性，在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，本發(fā)明采用采用雙頻時(shí)序和非對(duì)稱占空比波形實(shí)現(xiàn)這些非理想因素的抑制，即采用中心頻率為斬波時(shí)序2倍的信號(hào)，采用其信號(hào)質(zhì)量良好的部分，對(duì)原有信號(hào)中的非理想部分進(jìn)行補(bǔ)充，達(dá)到提高波形質(zhì)量的目的，從而達(dá)到高精度精確測(cè)量磁場(chǎng)。
[0017]本發(fā)明感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器可用于大地電磁測(cè)深(MT)音頻大地電磁測(cè)深(AMT)或海洋可控源電磁法(CSEM)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2為磁芯中長(zhǎng)徑比、初始磁導(dǎo)率和有效磁導(dǎo)率之間的關(guān)系；
[0020]圖3為圖1所示感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器中斬波放大工作原理示意圖；
[0021]圖4為圖1所示感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器斬波放大電路中調(diào)制模塊的電路圖；
[0022]圖5為圖1所示感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器斬波放大電路中放大模塊的電路圖；
[0023]圖6為圖1所示感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器斬波放大電路中解調(diào)模塊的電路圖；
[0024]圖7為圖1所示感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器斬波放大電路中濾波模塊的電路圖；
[0025]圖8為傳感器本底噪聲測(cè)試示意圖；
[0026]圖9為圖1所示感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器的本底噪聲水平指標(biāo)曲線?！揪唧w實(shí)施方式】
[0027]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。需要說(shuō)明的是，在附圖或說(shuō)明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號(hào)。附圖中未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，為所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中普通技術(shù)人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無(wú)需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計(jì)約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。
[0028]本發(fā)明提供了一種應(yīng)用斬波放大技術(shù)的感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器，其克服了常規(guī)運(yùn)算放大器、差分放大器、三極管單管等放大元件的在0.1mHz-1OOHz的自身Ι/f噪聲對(duì)傳感器的影響，實(shí)現(xiàn)了低工作頻率、高探測(cè)精度。
[0029]在本發(fā)明的一個(gè)不例性實(shí)施例中，提供了一種感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器。該感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器包括:磁芯，呈細(xì)長(zhǎng)棒狀；感應(yīng)線圈，纏繞在磁芯的外圍；斬波放大電路，其輸入端連接至線圈的兩端，其輸出端作為磁場(chǎng)傳感器的輸出端。其中，被測(cè)磁場(chǎng)在磁芯中產(chǎn)生變化的磁感應(yīng)強(qiáng)度；該變化的磁感應(yīng)強(qiáng)度在線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電壓；該感應(yīng)電壓經(jīng)過(guò)斬波放大電路后信號(hào)幅度增強(qiáng)，由斬波放大電路的輸出端輸出。
[0030]本實(shí)施例感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器的工作頻率可達(dá)范圍可達(dá)0.1mHz-lkHz，跨度可達(dá)107，其噪聲水平(噪聲水平)為天然磁場(chǎng)譜密度的1/5~1/10，足以精確獲取來(lái)自地球深部達(dá)50km的微弱磁場(chǎng)信息。
[0031]以下對(duì)本實(shí)施例感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器的各個(gè)組成部分進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0032]一、磁芯
[0033]本實(shí)施例的磁芯應(yīng)當(dāng)滿足高磁導(dǎo)率和低損耗兩點(diǎn)要求。
[0034]磁芯的高磁導(dǎo)率有利于增強(qiáng)觀測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度，本發(fā)明采用高磁導(dǎo)率材料-納米晶、非晶或鐵氧體，其初始磁導(dǎo)率為20000-80000，將該材料制作成圓柱形，長(zhǎng)徑比約為:35-55。
[0035]通常情況下，感應(yīng)信號(hào)增強(qiáng)的倍數(shù)μ app是由如下公式?jīng)Q定的:
【權(quán)利要求】
1.一種感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器，其特征在于，包括: 磁芯，呈細(xì)長(zhǎng)棒狀； 感應(yīng)線圈，纏繞在所述磁芯的外圍； 斬波放大電路，其輸入端連接至所述感應(yīng)線圈的兩端，其輸出端作為磁場(chǎng)傳感器的輸出端； 其中，被測(cè)磁場(chǎng)在磁芯中產(chǎn)生變化的磁感應(yīng)強(qiáng)度；該變化的磁感應(yīng)強(qiáng)度在線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電壓；該感應(yīng)電壓經(jīng)過(guò)斬波放大電路后信號(hào)幅度增強(qiáng)，由斬波放大電路的輸出端輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器，其特征在于，所述斬波放大電路包括: 調(diào)制模塊，與所述感應(yīng)線圈的兩端相連接，用于利用預(yù)設(shè)頻率的方波，將線圈輸出的頻率介于0.1mHz-1kHz的低頻信號(hào)調(diào)制至中心頻率為3kHz的高頻信號(hào)，即斬波信號(hào)； 放大模塊，與所述調(diào)制模塊相連接，用于將斬波信號(hào)進(jìn)行增益放大； 解調(diào)模塊，與放大模塊相連接，用于將增益放大的斬波信號(hào)重新解調(diào)制回頻率范圍介于0.1mHz-1kHz的低頻信號(hào)，并將放大模塊引入的Ι/f噪聲調(diào)制為頻率高于3kHz的高頻信號(hào); 濾波模塊，與解調(diào)模塊相連接，用于對(duì)解調(diào)模塊輸出的信號(hào)進(jìn)行濾波，濾除由于放大模塊所引入的Ι/f噪聲，實(shí)現(xiàn)有用信號(hào)的提取。
3.根據(jù)權(quán)利要求 2所述的感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器，其特征在于，所述調(diào)制模塊由CMOS模擬開關(guān)芯片ADG413實(shí)現(xiàn)； 該CMOS模擬開關(guān)芯片ADG413的各管腳設(shè)置如下:管腳1、管腳8、管腳9、管腳16連接時(shí)鐘信號(hào)CLK ;管腳2、管腳15為信號(hào)輸出正，連接放大模塊的輸入端Vml ;管腳3和管腳11連接感應(yīng)線圈輸出的正信號(hào)；管腳6、管腳14連接信號(hào)地；管腳7、管腳10號(hào)為信號(hào)輸出負(fù)，連接放大模塊的輸入端Vm2 ;管腳12連接VL ;管腳13連接VCC。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器，其特征在于，所述解調(diào)模塊與所述調(diào)制模塊對(duì)稱，由CMOS模擬開關(guān)芯片ADG413實(shí)現(xiàn)； 該CMOS模擬開關(guān)芯片ADG413的各管腳設(shè)置如下:管腳I和管腳16同時(shí)接CLK信號(hào)；管腳2和管腳15分別串聯(lián)第十三電阻和第十四電阻后短接，作為本解調(diào)模塊的輸出Vdffl ;管腳3和14分別接入來(lái)自放大模塊的信號(hào)Vmal和信號(hào)Vma2 ;管腳4接電源負(fù)VSS信號(hào)；管腳5接GND信號(hào)；管腳12接VL ;管腳13接電源正VCC。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器，其特征在于，所述第十三電阻、第十四電阻的電阻值均為IkOhm。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器，其特征在于，所述濾波模塊由MAX4101ESA芯片實(shí)現(xiàn)； 該MAX4101ESA芯片的各管腳設(shè)置如下:管腳2串聯(lián)第十六電阻后接地；管腳3通過(guò)第十五電阻連接至所述解調(diào)模塊的輸入端Vdm，且該解調(diào)模塊的輸入端Vdm通過(guò)第七電容與地連接；管腳4接電源負(fù)VSS ;管腳6通過(guò)第八電容和第十七電阻的并聯(lián)電路連接到管腳2，同時(shí)管腳6為濾波模塊的輸出信號(hào)；管腳7接電源正VCC。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器，其特征在于，其中，所述第七電容的電容值為InF ;所述第八電容的電容值為4.7nF ； 所述第十七電阻的電阻值為200k0hm;第十五電阻、第十六電阻的電阻值均為IkOhm。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器，其特征在于，所述放大模塊包括依次串聯(lián)的第一、二、三級(jí)放大電路，其中: 所述第一級(jí)放大電路用于輸入信號(hào)低噪聲前置放大，由FET對(duì)管Ql和Q2組成，其中:Ql、Q2的G極分別連接至所述調(diào)制模塊的輸出Vml和Vm2 ；Q1和Q2的S極短接，其公共端經(jīng)過(guò)電流源Il連接至供電負(fù)電壓VSS ;Q1、Q2的D極分別通過(guò)第三電阻、第四電阻連接至供電正電壓VCC，Ql、Q2的D極分別作為第一級(jí)放大電路的輸出端； 所述第二級(jí)放大電路用于將前置放大的信號(hào)功率放大，采用MAX4101ESA-U2實(shí)現(xiàn)，其中:管腳2依次經(jīng)過(guò)第五電阻和第一電容連接至第一級(jí)放大電路中Q2的D級(jí)；管腳2依次通過(guò)第六電阻和第二電容連接至第一級(jí)放大電路Ql的D極；管腳6經(jīng)過(guò)第四電容和第八電阻并聯(lián)回路和管腳2連接；管腳3經(jīng)過(guò)第七電阻和第三電容的并聯(lián)電路和地連接；管腳4連接電源負(fù)VSS ;管腳7連接電源正VCC ;管腳6作為第二級(jí)放大電路的輸出端，且管腳6通過(guò)第五電容與輸出端Vma2連接，輸出端Vma2通過(guò)第十二電阻與地連接； 所述第三級(jí)放大電路用于對(duì)功率放大的信號(hào)進(jìn)行極性反轉(zhuǎn)，采用MAX4101ESA-U3實(shí)現(xiàn)，其中:管腳2作為輸入負(fù)端，依次經(jīng)過(guò)第九電阻連接至第二級(jí)放大電路中U2的管腳6 ；管腳2作為輸入正端接地，并依次通過(guò)第六電阻和第二電容連接至第一級(jí)放大電路Ql的D極；管腳2和管腳6之間采用第十電阻實(shí)現(xiàn)串聯(lián)回路；管腳4連接電源負(fù)VSS ;管腳7連接電源正VCC ;管腳6通過(guò)第六電容相連到輸出端Vmal，Vfflal通過(guò)第十一電阻與地連接；Vmal和Vma2作為第三級(jí)放大電路的輸入端； 其中，第三電阻和第四電阻均為3.0kOhm ;第五電阻和第六電阻相等，均為IkOhm ；第七電阻為200k0hm ;第八電阻為200k0hm ;第九電阻阻值為IkOhm;第^ 電阻為IkOhm;第十二電阻為IkOhm;第一電容和第二電容均為IOOnF;第三電容為IOpF;第四電容值為IOpF ;第五電容為IOOnF ;第六電容為100nF。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中 任一項(xiàng)所述的感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器，其特征在于，所述磁芯采用疊片形式，片與片之間采用絕緣的氧化物隔離； 所述磁芯長(zhǎng)徑比為:35~55，其材料選自于納米晶、非晶或鐵氧體，初始磁導(dǎo)率為20000-80000。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器，其特征在于，所述磁芯上套有環(huán)氧樹脂保護(hù)套； 所述感應(yīng)線圈為漆包線線圈，其纏繞在環(huán)氧樹脂保護(hù)套上。
【文檔編號(hào)】G01R33/02GK103630853SQ201310363402
【公開日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年8月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月20日
【發(fā)明者】朱萬(wàn)華, 劉雷松, 方廣有 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所