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一種雙差式低噪聲微弱磁信號(hào)采集處理裝置制造方法

文檔序號(hào):6218108閱讀:206來源:國知局
一種雙差式低噪聲微弱磁信號(hào)采集處理裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種雙差式低噪聲微弱磁信號(hào)采集處理裝置,所述雙差式低噪聲微弱磁信號(hào)采集處理裝置包括:采集裝置、雙差裝置、偏置裝置、置位復(fù)位裝置。采集裝置包括第一采集電路和第二采集電路,每個(gè)采集電路包括一個(gè)由磁敏電阻和普通電阻構(gòu)成的電橋;雙差裝置接收由兩個(gè)采集電路所采集的信號(hào),并且對(duì)所述信號(hào)進(jìn)行差分處理;偏置裝置包括地磁場(chǎng)測(cè)量裝置和磁場(chǎng)發(fā)生裝置,用于根據(jù)地磁場(chǎng)的強(qiáng)度產(chǎn)生抵消磁場(chǎng);置位復(fù)位裝置包括螺線圈和置位復(fù)位電源,用于生成強(qiáng)磁場(chǎng)。本發(fā)明利用偏置裝置消除地磁場(chǎng)的影響,利用差分裝置消除非線性噪聲脈沖干擾,能夠使傳感器有效地測(cè)量出所需要的微弱磁信號(hào)。
【專利說明】一種雙差式低噪聲微弱磁信號(hào)采集處理裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及磁信號(hào)測(cè)量領(lǐng)域,具體涉及一種雙差式低噪聲微弱磁信號(hào)采集處理裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技的不斷發(fā)展與人們生活水平的不斷提高,微弱磁場(chǎng)在世界范圍內(nèi)的使用越來越廣泛,利用高精度檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱磁信號(hào)分析,尤其是在人體微磁場(chǎng)檢測(cè)、生物磁信號(hào)測(cè)量、地磁導(dǎo)航、地磁場(chǎng)測(cè)量、空間磁場(chǎng)測(cè)量等領(lǐng)域起到非常重要的作用。磁傳感器是一種能把磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。用來實(shí)現(xiàn)磁傳感器的原理有很多,例如霍爾效應(yīng)、磁阻效應(yīng)、巨磁阻效應(yīng)、巨磁阻抗效應(yīng)、核進(jìn)動(dòng)、超導(dǎo)量子干涉儀、磁彈性效應(yīng)等。
[0003]在超高精度磁測(cè)量領(lǐng)域,磁信號(hào)的測(cè)量具有重要意義。例如,人體微磁信號(hào)的測(cè)量對(duì)于分析人體健康狀況起到里程碑的意義。典型的心臟磁場(chǎng)為10_9-10_1(1特斯拉(T),腦磁場(chǎng)為10_η-10_12τ,目前能夠真正滿足檢測(cè)10_12τ量級(jí)測(cè)量精度的磁傳感器有光泵磁強(qiáng)計(jì)、探測(cè)線圈磁強(qiáng)計(jì)、磁通門磁強(qiáng)計(jì)、巨磁阻抗磁強(qiáng)計(jì)、超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)。
[0004]由于我們身邊有各種各樣的電磁場(chǎng)干擾,這些磁場(chǎng)在我們米集有用信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的誤差影響,并且如果要采集的是信號(hào)比較弱的微弱電磁場(chǎng)時(shí),很可能我們經(jīng)過放大電路以后用示波器觀察到的全部都是噪聲信號(hào),有用信號(hào)全部“隱藏”在了這些噪聲信號(hào)當(dāng)中。當(dāng)然,我們可以采取金屬隔離法來在一個(gè)密閉的環(huán)境中去測(cè)量采集有用的信號(hào),但是這會(huì)存在最基本的倆個(gè)問題:第一,只要我們運(yùn)用電子設(shè)備就會(huì)對(duì)有用信號(hào)造成干擾。第二,建造一個(gè)能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的金屬隔離屋難度太大。
[0005]為消除噪聲的干擾問題,本專利提出了一種利用新的測(cè)量線性的微弱磁場(chǎng)的傳感器。利用差分法消除線性地磁外的其他脈沖噪聲干擾。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)上述問題,本發(fā)明希望提供一種新的雙差式低噪聲微弱信號(hào)采集處理裝置,其能夠消除噪聲干擾的影響。
[0007]具體而言,本發(fā)明提供了一種雙差式低噪聲微弱信號(hào)采集處理裝置,所述微磁信號(hào)采集處理裝置包括:采集裝置、雙差裝置、偏置裝置、置位復(fù)位裝置,其特征在于,
[0008]所述采集裝置包括第一采集電路和第二采集電路,每個(gè)采集電路包括一個(gè)由磁敏電阻和普通電阻構(gòu)成的電橋;
[0009]所述雙差裝置接收由兩個(gè)采集電路所采集的信號(hào),并且對(duì)所述信號(hào)進(jìn)行減法處理;
[0010]所述偏置裝置包括地磁場(chǎng)測(cè)量裝置和磁場(chǎng)發(fā)生裝置,用于根據(jù)地磁場(chǎng)的強(qiáng)度產(chǎn)生抵消磁場(chǎng);
[0011]所述置位復(fù)位裝置包括螺線圈和置位復(fù)位電源,用于生成強(qiáng)磁場(chǎng)。
[0012]進(jìn)一步地,所述第一采集電路包括第一電阻、第二電阻、第一磁敏電阻和第二磁敏電阻,所述第一電阻和所述第一磁敏電阻順序串聯(lián)連接構(gòu)成所述第一采集電路的第一橋,所述第二磁敏電阻與所述第二電阻順序串聯(lián)連接構(gòu)成所述第一采集電路的第二橋,所述第一橋和所述第二橋并聯(lián)連接,并且兩橋的第一端連接至電源VCC,第二端接地。
[0013]進(jìn)一步地,所述第二采集電路包括第三電阻、第四電阻、第三磁敏電阻、第四磁敏電阻、第一電容和第二電容,所述第三電阻和所述第三磁敏電阻順序串聯(lián)連接構(gòu)成所述第二采集電路的第一橋,所述第四磁敏電阻與所述第四電阻順序串聯(lián)連接構(gòu)成所述第二采集電路的第二橋,并且所述第二采集電路的第一橋和所述第二采集電路的第二橋并聯(lián)連接,且兩橋的第一端連接至電源VCC,第二端接地,所述第二采集電路的第一橋的中點(diǎn)連接至第一電容,所述第二采集電路的第二橋的中點(diǎn)連接至第二電容。
[0014]進(jìn)一步地,所述雙差裝置包括第一減法電路和第二減法電路,所述第一減法電路包括電阻Rl、R2、R3、減法器LM358,所述第一采集電路的第一橋的中點(diǎn)通過所述電阻Rl連接至所述減法器LM358的正輸入端,所述第二采集電路的第二橋的中點(diǎn)通過所述第一電容和所述電阻R2連接至所述減法器LM358的負(fù)輸入端。
[0015]進(jìn)一步地,所述第二減法電路包括電阻R4、R5、R6和第二減法器LM358,所述第一采集電路的第二橋的中點(diǎn)通過電阻R4連接至所述第二減法器LM358的正輸入端,所述第一采集電路的第二橋的中點(diǎn)通過所述第二電容和所述電阻R5連接至所述第二減法器LM358的負(fù)輸入端。
[0016]進(jìn)一步地,所述地磁測(cè)量裝置能夠測(cè)量出地磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向,所述磁場(chǎng)發(fā)生裝置基于所述地磁測(cè)量裝置所測(cè)出的地磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向產(chǎn)生與所述地磁場(chǎng)大小相等、方向相反的磁場(chǎng),以抵消所述地磁場(chǎng)的影響。
[0017]由于微弱磁信號(hào)在檢測(cè)時(shí)會(huì)遇到很多噪聲的干擾,本發(fā)明為了實(shí)現(xiàn)消除磁傳感器在測(cè)量微弱信號(hào)時(shí)遇到的噪聲信號(hào),利用偏置電流模塊消除地磁場(chǎng)的影響,利用差分模塊消除非線性噪聲脈沖干擾,能夠使傳感器有效地測(cè)量出所需要的微弱磁信號(hào),盡可能地提高微弱磁信號(hào)傳感器的測(cè)量精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的傳感器的整體電路示意圖;
[0019]圖2為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的傳感器中的置位復(fù)位裝置的線圈的示意圖;
[0020]圖3為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的傳感器中的采集電路的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0022]如圖1所示,本實(shí)施例中的雙差式低噪聲微弱磁信號(hào)采集處理裝置主要包括四個(gè)部分:采集裝置、雙差裝置、偏置裝置、置位復(fù)位裝置。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解,雖然附圖中以一個(gè)電路圖的形式示出了本實(shí)施例的傳感器,但是在具體實(shí)現(xiàn)中,該傳感器可以具有其自身的外殼、外部電源和其他配套器件,并且該傳感器中的電路可以以立體方式呈現(xiàn),而不限于平面結(jié)構(gòu)。
[0023]采集裝置包括兩個(gè)由磁敏電阻和兩個(gè)普通電阻組成的電橋,當(dāng)外界環(huán)境中存在磁場(chǎng)時(shí)磁敏電阻的電阻值發(fā)生變化,使電壓輸出產(chǎn)生相應(yīng)的變化(圖中帶箭頭的電阻代表磁敏電阻)。如圖1所示,采集裝置包括第一采集電路和第二采集電路。圖1中兩個(gè)呈“凹”字形的電路即分別為第一采集電路和第二采集電路。
[0024]圖1中左側(cè)的“凹”字形電路為第一采集電路(如圖3所示),圖中,從左到右依次為第二磁敏電阻、第一電阻、第一磁敏電阻和第二電阻。第一電阻和第一磁敏電阻順序串聯(lián)連接構(gòu)成第一采集電路的第一橋(內(nèi)側(cè)電橋),第二磁敏電阻與第二電阻順序串聯(lián)連接構(gòu)成第一采集電路的第二橋(外側(cè)電橋),第一采集電路的第一橋和第二橋并聯(lián)連接,并且兩個(gè)電橋的左側(cè)連接點(diǎn)連接至電源VCC,右側(cè)連接點(diǎn)接地。
[0025]圖1中右側(cè)的“凹”字形電路為第二采集電路,圖中,從左到右依次為第四磁敏電阻、第三電阻、第三磁敏電阻和第四電阻,第三電阻和第三磁敏電阻順序串聯(lián)連接構(gòu)成第二采集電路的第一橋(內(nèi)側(cè)電橋),第四磁敏電阻與第四電阻順序串聯(lián)連接構(gòu)成第二采集電路的第二橋(外側(cè)電橋),并且第二采集電路的第一橋和第二采集電路的第二橋并聯(lián)連接,且兩個(gè)電橋的左側(cè)連接點(diǎn)連接至電源VCC,右側(cè)連接點(diǎn)接地,第二采集電路的第一橋的中點(diǎn)連接至第一電容,第二采集電路的第二橋的中點(diǎn)連接至第二電容。
[0026]第一采集電路和第二采集電路的電橋的中點(diǎn)作為兩個(gè)采集電路的輸出。兩個(gè)采集電路的輸出分別輸送到差分裝置中,差分裝置接收由兩個(gè)采集電路所采集的信號(hào),并且對(duì)信號(hào)進(jìn)行差分處理;
[0027]具體而言,如圖1的下部所示,雙差裝置包括第一減法電路和第二減法電路,第一減法電路(上部的差分電路)包括電阻Rl、R2、R3、減法器LM358,第一采集電路的第一橋的中點(diǎn)通過電阻Rl連接至減法器LM358的正輸入端,第二采集電路的第二橋的中點(diǎn)通過第一電容(上部的電容)和電阻R2連接至減法器LM358的負(fù)輸入端,在電阻R2和第一電容之間還可以添加二極管。
[0028]第二減法電路(下部的差分電路)包括電阻R4、R5、R6和第二減法器LM358,第一采集電路的第二橋的中點(diǎn)通過電阻R4連接至第二減法器LM358的正輸入端,第二采集電路的第二橋的中點(diǎn)通過第二電容和電阻R5連接至第二減法器LM358的負(fù)輸入端,在電阻R5和第二電容之間可以添加另一二極管。
[0029]偏置裝置包括地磁場(chǎng)測(cè)量裝置和磁場(chǎng)發(fā)生裝置,用于根據(jù)地磁場(chǎng)的強(qiáng)度產(chǎn)生抵消磁場(chǎng)。在圖1所示的電路中,僅畫出來兩個(gè)偏置電路,作為磁場(chǎng)發(fā)生裝置。地磁測(cè)量裝置能夠測(cè)量出地磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向,然后,偏置電路能夠基于地磁測(cè)量裝置所測(cè)出的地磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向產(chǎn)生與地磁場(chǎng)大小相等、方向相反的磁場(chǎng),以抵消地磁場(chǎng)的影響。
[0030]在本實(shí)施例中,偏置電路采用具有限流電阻的直線導(dǎo)線,置于整個(gè)裝置的上部或下部。當(dāng)確定了地磁場(chǎng)強(qiáng)度以后,可以根據(jù)地磁場(chǎng)確定需要的電流強(qiáng)度,然后,通過電源驅(qū)動(dòng)電流通過導(dǎo)線,進(jìn)而精確地抵消測(cè)量磁場(chǎng)。這被稱作閉環(huán)結(jié)構(gòu)電流反饋信號(hào),是所施加磁場(chǎng)的直接度量。雖然利用偏置模塊可以消除一部分地磁場(chǎng),但是,由于有很多脈沖電流的大小難以確定,僅僅消除地磁場(chǎng)并不能測(cè)得精確的信號(hào),還需要利用上述的雙差裝置對(duì)信號(hào)進(jìn)行差分。
[0031]如圖2所示,置位復(fù)位裝置包括螺線圈,用于生成強(qiáng)磁場(chǎng)。螺線圈由電源供電(圖中未不出)。當(dāng)傳感器暴露于干擾磁場(chǎng)中時(shí),傳感器兀件會(huì)分成若干方向隨機(jī)的磁區(qū)域,從而導(dǎo)致靈敏度衰減。因此,采用螺線圈生成強(qiáng)磁場(chǎng)則可以重新將磁區(qū)域?qū)?zhǔn)統(tǒng)一到一個(gè)方向上,這樣將確保高靈敏度和可重復(fù)的讀數(shù)。如果施加反向脈沖,則反向脈沖(復(fù)位)可以以相反的方向旋轉(zhuǎn)磁區(qū)域的方向,并改變傳感器輸出的極性。
[0032]工作過程:
[0033]本發(fā)明首先通過地磁場(chǎng)測(cè)量裝置測(cè)量出地磁場(chǎng)的強(qiáng)度,然后,利用偏置裝置,生成與地磁場(chǎng)方向相反、大小相同的磁場(chǎng),以抵消地磁場(chǎng)。
[0034]然后,本發(fā)明采用兩個(gè)相同的采集電路對(duì)磁信號(hào)進(jìn)行采集,只是在第二采集電路的輸出處,分別添加了一個(gè)電容。這樣,第一采集電路的兩個(gè)輸出所輸出的信號(hào)將既包括直流信號(hào),又包括交流信號(hào);而第二采集電路的兩個(gè)輸出所輸出的信號(hào)將僅包括交流信號(hào),而濾除了直流信號(hào)。
[0035]然后,將第一米集電路的第一橋的輸出信號(hào)輸出到第一減法電路的正輸入端,將第二采集電路的第一橋的輸出信號(hào)輸出到第一減法電路的負(fù)輸入端,然后,通過減法器對(duì)兩信號(hào)進(jìn)行減法運(yùn)算,則可以獲得第一采集電路的第一橋所輸出的信號(hào)的直流成分,而該直流成分則是測(cè)量所需要的,濾除了交流的嘈雜的噪聲。
[0036]類似地,將第一采集電路的第二橋的輸出信號(hào)輸出到第二減法電路的正輸入端,將第二采集電路的第二橋的輸出信號(hào)輸出到第二減法電路的負(fù)輸入端,然后,通過減法器對(duì)兩信號(hào)進(jìn)行減法運(yùn)算,則可以獲得第一采集電路的第二橋所輸出的信號(hào)的直流成分。
[0037]通過將兩個(gè)減法器所輸出的直流成分作為本發(fā)明的傳感器的兩個(gè)輸出,既可以根據(jù)磁敏電阻的電橋的原理獲得待測(cè)磁場(chǎng)的強(qiáng)度??梢赃x地,可以將兩個(gè)減法電路的輸出信號(hào)輸出至處理器,處理器中存儲(chǔ)有或者調(diào)取減法電路的輸出與相應(yīng)磁場(chǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系表格,并且,處理器基于該表格和兩個(gè)減法電路的輸出,就可以輸出所測(cè)得的磁場(chǎng)。
[0038]當(dāng)進(jìn)行一段時(shí)間采集之后,或者重新進(jìn)行采集時(shí),需要驅(qū)動(dòng)重置復(fù)位裝置,產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng),以便對(duì)本發(fā)明的傳感器的工作環(huán)境進(jìn)行重置??蛇x地,重置復(fù)位裝置的線圈可以包圍本發(fā)明的傳感器,即,位于傳感器的外圍。
[0039]優(yōu)選地,所述重置復(fù)位裝置的驅(qū)動(dòng)電流為0.78A-1.5A。所述偏置裝置的位于傳感器的頂部,與傳感器之間具有一定距離,優(yōu)選為5cm-7cm,更優(yōu)選地為6cm。所述第一電容和所述第二電容彼此間隔開,優(yōu)選間隔距離大于4.2cm。
[0040]需要說明的是,附圖中的各個(gè)部件的形狀均是示意性的,不排除與其真實(shí)形狀存在一定差異,附圖僅用于對(duì)本發(fā)明的原理進(jìn)行說明,并非意在對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制。而且,本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解,上述實(shí)施例中并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍的限制。
【權(quán)利要求】
1.一種雙差式低噪聲微弱磁信號(hào)采集處理裝置,所述雙差式低噪聲微弱磁信號(hào)采集處理裝置包括:采集裝置、雙差裝置、偏置裝置、置位復(fù)位裝置,其特征在于, 所述采集裝置包括第一采集電路和第二采集電路,每個(gè)采集電路包括一個(gè)由磁敏電阻和普通電阻構(gòu)成的電橋,所述第二采集電路還包括直流過濾裝置; 所述雙差裝置接收由兩個(gè)采集電路所采集的信號(hào),并且對(duì)所述信號(hào)進(jìn)行減法處理; 所述偏置裝置包括地磁場(chǎng)測(cè)量裝置和磁場(chǎng)發(fā)生裝置,用于根據(jù)地磁場(chǎng)的強(qiáng)度產(chǎn)生抵消磁場(chǎng); 所述置位復(fù)位裝置包括螺線圈和置位復(fù)位電源,用于生成強(qiáng)磁場(chǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙差式低噪聲微弱磁信號(hào)采集處理裝置,其特征在于,所述第一采集電路包括第一電阻、第二電阻、第一磁敏電阻和第二磁敏電阻,所述第一電阻和所述第一磁敏電阻順序串聯(lián)連接構(gòu)成所述第一采集電路的第一橋,所述第二磁敏電阻與所述第二電阻順序串聯(lián)連接構(gòu)成所述第一采集電路的第二橋,所述第一橋和所述第二橋并聯(lián)連接,并且兩橋的第一端連接至電源VCC,第二端接地。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙差式低噪聲微弱磁信號(hào)采集處理裝置,其特征在于,所述第二采集電路包括第三電阻、第四電阻、第三磁敏電阻、第四磁敏電阻、第一電容和第二電容,所述第三電阻和所述第三磁敏電阻順序串聯(lián)連接構(gòu)成所述第二采集電路的第一橋,所述第四磁敏電阻與所述第四電阻順序串聯(lián)連接構(gòu)成所述第二采集電路的第二橋,并且所述第二采集電路的第一橋和所述第二采集電路的第二橋并聯(lián)連接,且兩橋的第一端連接至電源VCC,第二端接地,所述第二采集電路的第一橋的中點(diǎn)連接至第一電容,所述第二采集電路的第二橋的中點(diǎn)連接至第二電容。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙差式低噪聲微弱磁信號(hào)采集處理裝置,其特征在于,所述雙差裝置包括第一減法電路和第二減法電路,所述第一差分電路包括電阻Rl、R2、R3、第一減法器LM358,所述第一采集電路的第一橋的中點(diǎn)通過所述電阻Rl連接至所述第一減法器LM358的正輸入端,所述第二采集電路的第二橋的中點(diǎn)通過所述第一電容和所述電阻R2連接至所述第一減法器LM358的負(fù)輸入端。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙差式低噪聲微弱磁信號(hào)采集處理裝置,其特征在于,所述第二差分電路包括電阻R4、R5、R6和第二減法器LM358,所述第一采集電路的第二橋的中點(diǎn)通過電阻R4連接至所述第二減法器LM358的正輸入端,所述第一采集電路的第二橋的中點(diǎn)通過所述第二電容和所述電阻R5連接至所述第二減法器LM358的負(fù)輸入端。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙差式低噪聲微弱磁信號(hào)采集處理裝置,其特征在于,所述地磁測(cè)量裝置能夠測(cè)量出地磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向,所述磁場(chǎng)發(fā)生裝置基于所述地磁測(cè)量裝置所測(cè)出的地磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向產(chǎn)生與所述地磁場(chǎng)大小相等、方向相反的磁場(chǎng),以抵消所述地磁場(chǎng)的影響。
【文檔編號(hào)】G01R33/09GK103760505SQ201410052076
【公開日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2014年2月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月14日
【發(fā)明者】康愛國, 劉芳宇, 侯志文, 郭倩, 劉喆頡 申請(qǐng)人:太原理工大學(xué)
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