本發(fā)明涉及微弱電磁信號(hào)探測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種微弱電磁信號(hào)捕獲和放大裝置以及其組陣的方式，用于將空間微弱電磁信號(hào)處理為有效的端電壓信號(hào)。

背景技術(shù)：

感應(yīng)式磁傳感器因其廣泛的頻率范圍和較強(qiáng)的靈敏度以及尺寸較小、結(jié)構(gòu)靈活、安裝便捷等優(yōu)勢(shì)，大量出現(xiàn)在現(xiàn)代工業(yè)和電子產(chǎn)品的方方面面。比如，地球物理探測(cè)領(lǐng)域，感應(yīng)式磁傳感器作為電磁勘探儀器的關(guān)鍵設(shè)備，應(yīng)用于地下能源和資源探測(cè)、工程和環(huán)境勘察、海洋和空間電磁測(cè)量、地質(zhì)測(cè)量、磁場(chǎng)測(cè)量、地震電磁前兆觀測(cè)以及地球物理觀測(cè)等；經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，感應(yīng)式磁傳感器在地?zé)帷⒌叵滤?、火山地質(zhì)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工程勘探、市政工程和土壤鹽堿化等方面也得到了充分的應(yīng)用。不難看出，感應(yīng)式磁傳感器已在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)、醫(yī)療衛(wèi)生、科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，成為現(xiàn)代傳感器產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要分支。同時(shí)，在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用和改造、資源探查及綜合利用、環(huán)境保護(hù)、生物工程、交通智能化管制等各個(gè)方面，感應(yīng)式磁傳感器發(fā)揮著越來越重要的作用，有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

感應(yīng)式磁傳感器一般包括感應(yīng)線圈和前置放大器兩部分。感應(yīng)線圈基本結(jié)構(gòu)是在細(xì)長(zhǎng)柱狀高磁導(dǎo)率磁芯上繞以多匝線圈，可將獲取的磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，因其是無(wú)源元件，具有無(wú)耗能、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)工藝簡(jiǎn)單、使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。前置放大器可將電壓信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大。感應(yīng)線圈和前置放大器兩部分相輔相成，二者的設(shè)計(jì)和制作水平影響傳感器的整體性能。感應(yīng)式磁傳感器一般要求能在頻帶0.01Hz～10kHz之間響應(yīng)，要捕獲如此低頻的微弱信號(hào)，需要感應(yīng)式磁傳感器的設(shè)計(jì)要有極高的靈敏度，同時(shí)在其廣泛的頻率范圍內(nèi)很容易受到一些外界電壓、電流和電磁效應(yīng)的影響，通常情況下，包括大氣中電磁的各種擾動(dòng)，如雷電現(xiàn)象、雨雪灰塵以和太陽(yáng)電磁擾動(dòng)所引起的干擾，以及各種電器設(shè)備和電子設(shè)備的放電、等離子干擾等，都會(huì)嚴(yán)重影響信號(hào)獲取。

因此，感應(yīng)線圈和前置放大電路的低噪聲、高靈敏度、一體化設(shè)計(jì)是感應(yīng)式磁傳感器的關(guān)鍵技術(shù)，早期的感應(yīng)線圈和前置放大器一般分開設(shè)計(jì)，但大都相互不匹配，導(dǎo)致噪聲惡化，靈敏度降低；此后，多用等阻抗匹配等方法設(shè)計(jì)感應(yīng)式磁傳感器，在一定程度上達(dá)到了感應(yīng)線圈和前置放大電路的匹配，起到了一定的效果。然而，隨著頻率變化以及前置放大電路放大倍數(shù)的增加，信號(hào)會(huì)出現(xiàn)不同程度的失真，噪聲進(jìn)一步惡化，靈敏度相應(yīng)降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種低噪聲高靈敏度感應(yīng)式磁傳感器，感應(yīng)線圈和前置放大電路采用一體化設(shè)計(jì)，其感應(yīng)線圈采用并聯(lián)加抽頭的方式，極大提高了捕獲電磁信號(hào)的能力，方便阻抗匹配實(shí)現(xiàn)，前置放大電路設(shè)計(jì)為基于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)的派生電路，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)與線圈阻抗匹配，對(duì)線圈感應(yīng)的端電壓進(jìn)行電壓補(bǔ)償，對(duì)于放大頻率極低的微弱電磁信號(hào)出現(xiàn)噪聲惡化，靈敏度降低問題，達(dá)到較明顯的改善。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：包括基于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)的前置放大電路和2個(gè)并聯(lián)加抽頭感應(yīng)線圈；

所述的并聯(lián)加抽頭感應(yīng)線圈采用兩個(gè)平行擺放的線圈，其中一個(gè)線圈的首端和另一個(gè)線圈的尾端相連，作為公共抽頭；基于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的前置放大電路利用可變電阻器通過公共抽頭與兩個(gè)線圈分別進(jìn)行阻抗匹配調(diào)節(jié)，同時(shí)對(duì)兩個(gè)線圈感應(yīng)的端電壓進(jìn)行電壓補(bǔ)償調(diào)節(jié)。

所述的并聯(lián)加抽頭感應(yīng)線圈中，線圈的磁棒初始磁導(dǎo)率為3000，直徑為15mm，長(zhǎng)度為90mm。

所述的基于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的前置放大電路包括可變電阻器以及四只結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管；四只結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管組成的兩組對(duì)稱的共漏-共柵電路；調(diào)節(jié)可變電阻器實(shí)現(xiàn)感應(yīng)線圈與放大電路之間的阻抗匹配，同時(shí)可對(duì)兩個(gè)線圈感應(yīng)的端電壓進(jìn)行電壓補(bǔ)償調(diào)節(jié)；四只結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管組成的兩組對(duì)稱的共漏-共柵電路，其共漏端作為電路輸入端，輸入電阻大于10MΩ，共柵端作為電路輸出端，對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行放大。

本發(fā)明的有益效果是：

第一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工。

第二、感應(yīng)線圈和前置放大電路采用一體化設(shè)計(jì)，使用靈活，相比感應(yīng)線圈和前置放大電路分開設(shè)計(jì)，易于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，且能對(duì)線圈感應(yīng)的端電壓進(jìn)行電壓補(bǔ)償。

第三、感應(yīng)線圈采用并聯(lián)加抽頭的Z字型結(jié)構(gòu)，由于2個(gè)線圈呈Z字型結(jié)構(gòu)并聯(lián)，具有相同的相位，線圈端面的磁通量通過疊加，可獲得最大值。

第四、感應(yīng)線圈采用并聯(lián)加抽頭的Z字型結(jié)構(gòu)，后端前置放大電路可通過抽頭對(duì)2個(gè)線圈分別進(jìn)行阻抗匹配和電壓補(bǔ)償，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。

第五、前置放大電路采用4只結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管組成的2組對(duì)稱的共漏-共柵電路，該電路用共漏端作為輸入端，其輸入電阻大于10MΩ，共柵端作為電路輸出端可對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行放大，非常適合對(duì)感應(yīng)線圈耦合的端電壓信號(hào)進(jìn)行放大。相對(duì)于傳統(tǒng)的前置放大電路，該電路利用可變電阻器通過與感應(yīng)線圈連接的中間抽頭對(duì)前端感應(yīng)線圈同時(shí)進(jìn)行阻抗匹配和電壓補(bǔ)償，對(duì)降低系統(tǒng)噪聲，增加感應(yīng)靈敏度有顯著的作用。

附圖說明

圖1是感應(yīng)式磁傳感器整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是感應(yīng)線圈結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是前置放大器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是單感應(yīng)線圈幅頻特性曲線圖。

圖5是感應(yīng)線圈幅頻特性曲線圖。

圖6是感應(yīng)式磁傳感器幅頻特性曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實(shí)施例。

如圖1所示，本發(fā)明一種低噪聲高靈敏度感應(yīng)式磁傳感器包括感應(yīng)線圈1、前置放大電路2。如圖2所示，感應(yīng)線圈1由2個(gè)相同的磁芯11、2個(gè)相同的磁芯骨架12及2個(gè)相同的漆包線13構(gòu)成。磁芯11采用初始磁導(dǎo)率為3000，直徑為15mm，長(zhǎng)度為90mm的鐵氧體軟磁材料，磁芯骨架12采用環(huán)氧玻璃板粘接成，漆包線13采用直徑1mm的漆包銅線。將2個(gè)磁芯11放入2個(gè)磁芯骨架12中，并平行擺放，間距95mm，用漆包線13在每個(gè)磁芯骨架12上同相密繞，繞制完成后漆包線13的一端14與另1個(gè)漆包線13的對(duì)角端15首尾相連成Z字型結(jié)構(gòu)的公共端抽頭B。

如圖3所示，前置放大電路2由4只結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管組成的2組共漏-共柵電路23、24，1組可變電阻器22、1組分壓電阻器25、1只限流電阻21、1只限流電阻26構(gòu)成。

共漏-共柵電路23由結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管Q1作為輸入端，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管Q3作為輸出端，其中Q1的柵極連接感應(yīng)線圈1的出線端A，漏極連接可變電阻器22的其中一只R2，源極連接Q3的源極；Q3的柵極接地，Q3的漏極接分壓電阻25的其中一只R4。

共漏-共柵電路24由結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管Q2作為輸入端，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管Q4作為輸出端，其中Q2的柵極連接感應(yīng)線圈1的出線端B，漏極連接可變電阻器22的另一只R3，源極連接Q4的源極；Q4的柵極接地，Q4的漏極接分壓電阻25的另一只R5。

可變電阻器22的R2和R3一端并聯(lián)形成公共端B，負(fù)電壓通過限流電阻26加至公共端B，公共端B與感應(yīng)線圈1的抽頭B相連；分壓電阻器25的R4和R5并聯(lián)形成公共端，正電壓通過限流電阻21加至該公共端。利用調(diào)節(jié)可變電阻器22的R2和R3的阻值，通過公共端抽頭B對(duì)感應(yīng)線圈1與前置放大電路2進(jìn)行阻抗匹配，并對(duì)感應(yīng)線圈1感應(yīng)的微弱端電壓進(jìn)行電壓補(bǔ)償。

結(jié)合感應(yīng)線圈1、前置放大電路2綜合考慮，通過優(yōu)化感應(yīng)線圈1的繞制圈數(shù)，優(yōu)化前置放大電路2的可變電阻器22、分壓電阻器25的阻值達(dá)到感應(yīng)線圈1、前置放大電路2的阻抗匹配和有效的線圈感應(yīng)端電壓的電壓補(bǔ)償。本實(shí)例中取繞制圈數(shù)為450匝；可變電阻器22的電阻R2為70歐姆、電阻R3為75歐姆；分壓電阻器25的電阻R4和R5為100歐姆。

采用本實(shí)施方法的感應(yīng)式磁傳感器的感應(yīng)線圈采用并聯(lián)加抽頭的Z字型結(jié)構(gòu)，具有相同的相位，線圈端面的磁通量通過疊加，極大提高了捕獲電磁信號(hào)的能力，前置放大器采用2組對(duì)稱的共漏-共柵電路，電路用共漏端作為輸入端，其輸入電阻大于10MΩ，共柵端作為電路輸出端可對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行放大，非常適合對(duì)感應(yīng)線圈耦合的端電壓信號(hào)進(jìn)行放大。調(diào)節(jié)電路中的可變電阻通過公共抽頭對(duì)感應(yīng)線圈與前置放大電路進(jìn)行阻抗匹配，同時(shí)對(duì)2個(gè)線圈感應(yīng)的端電壓進(jìn)行電壓補(bǔ)償調(diào)節(jié)，起到顯著降低系統(tǒng)噪聲，增加感應(yīng)靈敏度、系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用。在10Hz～1000Hz頻帶內(nèi)，感應(yīng)式磁傳感器增益大于18dB，信噪比大于12dB，后可接差分放大進(jìn)一步提高增益和信噪比。