本發(fā)明涉及地震技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種磁通門磁力儀的信號檢測電路及該磁通門磁力儀。

背景技術(shù)：

地磁信號攜帶有非富的地球物理信息，因此地磁觀測是中國地震前兆臺網(wǎng)重要的觀測手段，而磁通門磁力儀又是其中最為重要的觀測儀器。磁通門磁力儀是一種用以測量直流磁場或低頻磁場的向量式靈敏傳感器，其是測量準靜態(tài)和緩慢變化向量磁場時使用最為廣泛的儀器，也是室溫下最精密的向量式磁場傳感器，能夠精確量測地磁場的強度與方向，具有噪聲低、分辨率高、溫度穩(wěn)定性好、寬測量范圍、弱磁測量、低功耗及高精度等優(yōu)點，從而成為室溫下最常用的磁測儀器，被廣泛應(yīng)用在從精密地球物理到安全和醫(yī)學領(lǐng)域，此外還經(jīng)常應(yīng)用于考古、地下勘探與軍事偵察等領(lǐng)域。

如圖1所示，目前的磁通門磁力儀的信號檢測電路主要由以傳感探頭1的輸出信號V_i(該輸出信號V_i即傳感探頭檢測的磁場信號)作為輸入信號的信號通道和對傳感探頭1輸出激勵信號V_d的激勵通道兩部分組成，信號通道主要包括探頭輸入電路2、選頻放大電路3、相敏檢波電路4、積分電路5、反饋電路6幾個部分，其經(jīng)積分電路后得到輸出信號V_o，該輸出信號V_o再經(jīng)反饋電路6處理而生成最終反饋回傳感探頭1的反饋信號V_f；激勵通道則可以包括高頻振蕩電路、分頻電路、移相電路以及功率放大幾個部分，其輸出參考信號V_r至相敏檢波電路4。其中選頻放大電路3用以抑制大幅度的基波和其它非二次諧波噪聲，并放大有用的傳感器二次諧波信號，提高信號檢測分辨率。選頻放大電路3會帶來信號的相位變化，在電路未達到飽和的線性范圍內(nèi)，這個相位改變是固定的，可以通過在信號檢測電路中配置移相電路來進行補償。但是，當信號通道的輸入信號V_i過大而使信號檢測電路進入飽和時，產(chǎn)生了新的附加相移，使后端對相位敏感的相敏檢波電路4的檢波效率降低，甚至輸出極性反轉(zhuǎn)，從而整個信號檢測電路變得不穩(wěn)定。因此，現(xiàn)有的磁通門磁力儀的信號檢測電路存在對信號的不能兼顧信號的分辨率和容許大信號輸入的問題，對于具有“弱信號、強背景”特征的地磁信號難于進一步提高其分辨率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種磁通門磁力儀的信號檢測電路及該磁通門磁力儀，用于解決現(xiàn)有的磁通門磁力儀的信號檢測電路不能兼顧保證信號的分辨率和容許大信號輸入的問題。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種磁通門磁力儀的信號檢測電路，該信號檢測電路包括從傳感探頭獲取磁場信號的信號通道和向所述傳感探頭輸出激勵信號的激勵通道，所述信號通道包括依次連接的探頭輸入電路、選頻放大電路、相敏檢波電路、積分電路和反饋電路，其中，所述反饋電路包括：第一反饋通路，被配置為線性反饋電路；以及第二反饋通路，與所述第一反饋通路并聯(lián)，被配置為非線性反饋電路，且該第二反饋通路在所述傳感探頭檢測的磁場信號達到相對觀測的最大測量范圍時工作。

可選地，所述反饋電路還包括：加法器，其連接所述第一反饋通路和第二反饋通路的信號輸出端，用于相加并輸出所述第一反饋通路和第二反饋通路的輸出信號。

可選地，所述第一反饋通路包括第一電阻。

可選地，所述第二反饋通路包括：導通元件，其連接所述積分電路，且被配置為在所述傳感探頭檢測的磁場信號達到相對觀測的最大測量范圍時導通；放大器，其輸入端連接所述導通元件，用于在所述導通元件導通時，放大所述導通元件的輸出信號；以及第二電阻，其連接所述放大器的輸出端。

可選地，所述導通元件的導通電壓等于所述積分電路在所述傳感探頭檢測的磁場信號達到相對觀測的最大測量范圍時的最大有效輸出電壓。

可選地，所述信號通道還包括與所述積分電路連接的限幅電路，用于使所述積分電路的輸出電壓限制在該積分電路在所述傳感探頭檢測的磁場信號達到相對觀測的最大測量范圍時的最大有效輸出電壓的范圍內(nèi)。

可選地，所述導通元件采用穩(wěn)壓管、壓敏電阻或電壓比較器。

可選地，所述穩(wěn)壓管采用雙向穩(wěn)壓管，其一端連接所述積分電路的輸出端，另一端連接所述放大器的正輸入端，所述放大器的正輸入端和負輸入端各通過電阻分別接地，且所述放大器的負輸入端與其輸出端之間連接有電阻。

本發(fā)明還提供了一種磁通門磁力儀，該磁通門磁力儀設(shè)置有上述的信號檢測電路。

通過上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明利用了非線性負反饋方法，在小信號輸入(線性測量范圍內(nèi))和大信號輸入時轉(zhuǎn)換了不同的反饋支路，解決了傳統(tǒng)信號檢測電路存在不能兼顧保證信號的分辨率和容許大信號輸入的問題。

本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的具體實施方式部分予以詳細說明。

附圖說明

附圖是用來提供對本發(fā)明的進一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在附圖中：

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中磁通門磁力儀的信號檢測電路的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是現(xiàn)有技術(shù)中磁通門磁力儀的信號檢測電路的輸入/輸出信號關(guān)系示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例的磁通門磁力儀的信號檢測電路的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例的信號檢測電路的輸入/輸出特性示意圖；

圖5是本發(fā)明實施例的反饋電路的一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖6是本發(fā)明實施例中構(gòu)成圖5的反饋電路的具體電路結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標記說明

1 傳感探頭 2 探頭輸入電路

3 選頻放大電路 4 相敏檢波電路

5 積分電路 6 反饋電路

61 第一反饋通路 62 第二反饋通路

63 加法器 611 第一電阻

621 導通元件 622 放大器

623 第二電阻

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行詳細說明。應(yīng)當理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。

參考圖1，磁通門磁力儀的現(xiàn)有信號檢測電路的反饋電路6由單獨的電阻R_f構(gòu)成，其明顯屬于是線性反饋電路。

現(xiàn)有信號檢測電路中積分電路的輸入/輸出信號關(guān)系如圖2所示，圖中橫坐標為輸入，單位為nT，縱坐標為輸出，單位為V，且圖中實線為理想正常輸出，對應(yīng)的虛線為實際的不穩(wěn)定輸出。結(jié)合圖1和圖2，當傳感探頭1的輸入信號(即檢測出的磁場信號)超出地磁相對觀測的線性測量范圍(如±2500nT)時，積分電路5輸出達到飽和，反饋電路6輸出亦達到最大。當外磁場增強使傳感探頭1的輸入信號進一步增大時，由于反饋信號V_f不能夠再隨輸入的增大而繼續(xù)增大了，使選頻放大電路3等環(huán)節(jié)進入飽和狀態(tài)，從而產(chǎn)生了新的附加相移，使得這些環(huán)節(jié)輸出的信號跟相敏檢波電路4的參考信號V_r的相位不再相同，于是產(chǎn)生了隨輸入信號的大小而變化的相位差，該相位差會引起檢波效率的降低，且通過積分電路5的平滑后輸出V_o亦可能發(fā)生變化，甚至使極性反轉(zhuǎn)，即輸出信號V_o變得不穩(wěn)定，不再能夠線性反映輸入磁場信號的大小。進一步地，在實際中為了保證信號檢測電路的穩(wěn)定性，前端的選頻放大電路等預(yù)處理電路環(huán)節(jié)的品質(zhì)因數(shù)Q值不能過高，因此難以保證選頻放大電路等有較好的濾波效果，從而使得小信號時，磁力儀系統(tǒng)信噪比不高，影響了磁力儀系統(tǒng)對微弱小信號的分辨率。

在此基礎(chǔ)上，本發(fā)明實施例基于非線性反饋理論提出了一種新的磁通門磁力儀的信號檢測電路，如圖3所示，該信號檢測電路也包括信號通道和激勵通道，所述信號通道包括依次連接的探頭輸入電路2、選頻放大電路3、相敏檢波電路4、積分電路5和反饋電路6，其中相敏檢波電路4優(yōu)選為相敏檢波器PSD，積分電路5優(yōu)選為常規(guī)積分器。而激勵通道的構(gòu)造與現(xiàn)有磁通門磁力儀相似，且具體功能及結(jié)構(gòu)可參考相關(guān)文獻，其不屬于本發(fā)明實施例所要改進的方案內(nèi)容，故在此不多述。

相對于現(xiàn)有磁通門磁力儀，本發(fā)明實施例所涉及的信號檢測電路的反饋電路6包括：第一反饋通路61，其被配置為線性反饋電路；以及第二反饋通路62，與所述第一反饋通路61并聯(lián)，被配置為非線性反饋電路，該第二反饋通路62在所述傳感探頭1檢測的磁場信號達到相對觀測的最大測量范圍時工作。

進一步地，本實施例所述反饋電路6還包括：加法器63，其連接所述第一反饋通路61和第二反饋通路62的信號輸出端，用于相加并輸出所述第一反饋通路61和第二反饋通路62的輸出信號。

圖4為本發(fā)明實施例的反饋電路的輸出特性示意圖。在所述信號通道的輸入信號V_i為在線性測量范圍內(nèi)的小信號輸入時，如圖4所示，如在±2500nT線性測量范圍內(nèi)的小信號輸入時，僅第一反饋通路61工作而輸出反饋信號，而第二反饋通路62處于高阻輸出狀態(tài)，對反饋信號沒有貢獻。當輸入超過±2500nT的線性測量范圍時，第二反饋通路62進入工作狀態(tài)，反饋信號由第一反饋通路61輸出加上第二反饋通路62輸出組成，且第二反饋通路62輸出遠大于第一反饋通路61輸出，即此時反饋信號主要由第二反饋通路62組成，此時信號檢測電路反饋量大，磁力儀系統(tǒng)檢測靈敏度低，使前端的選頻放大電路等模擬預(yù)處理電路不會進入飽和狀態(tài)，因而保證了相敏檢波電路等輸出的穩(wěn)定性。此外，調(diào)整第二反饋通路62的輸出，可使在外磁場達到最大約50000nT時信號檢測電路輸出接近電源電壓VCC滿幅度輸出，再通過限幅電路使電壓輸出限制在積分電路的最大輸出信號±U_om的線性范圍內(nèi)。

進一步地，如圖5所示，本發(fā)明實施例給出圖3對應(yīng)的信號檢測電路中的反饋電路的一種優(yōu)選構(gòu)成方式，其中所述第一反饋通路61可以包括第一電阻611，其構(gòu)成典型的線性反饋電路。所述第二反饋通路62可以包括：導通元件621，其連接所述積分電路5，且被配置為在所述傳感探頭1檢測的磁場信號達到相對觀測的最大測量范圍時導通；放大器622，其輸入端連接所述導通元件621，用于在所述導通元件621導通時，放大所述導通元件621的輸出信號；以及第二電阻623，其連接所述放大器622的輸出端。

其中，所述導通元件621可以采用穩(wěn)壓管、壓敏電阻或電壓比較器，所述放大器622和所述加法器63可以采用常規(guī)運算放大器。以所述導通元件621采用雙向穩(wěn)壓管、所述放大器622和所述加法器63采用常規(guī)運算放大器為例，如圖6所示，給出了構(gòu)成本發(fā)明實施例的反饋電路的一個具體電路結(jié)構(gòu)，該電路結(jié)構(gòu)中，第一反饋電路61由電阻R1構(gòu)成，其一端連接積分電路5的輸出端，另一端向運算放大器A1構(gòu)成的加法器的負輸入端輸出反饋信號V_f1，且該運算放大器A1的負輸入端與輸出端之間連接有電阻R6，第二反饋電路62則包括：雙向穩(wěn)壓管D，其一端連接積分電路5的輸出端，另一端連接運算放大器A2的正輸入端；運算放大器A2構(gòu)成所述放大器622，其正輸入端還通過電阻R5接地，負輸入端通過電阻R4接地，負輸入端與輸出端之間連接有電阻R3；電阻R2構(gòu)成第二電阻623，其一端連接運算放大器A2的輸出端，另一端向運算放大器A1的負輸入端輸出反饋信號V_f2。

對于圖6所示的電路，兩路反饋信號V_f1、V_f2經(jīng)運算放大器A1構(gòu)成的加法器相加后作為總的反饋信號V_f。參考圖4，在被測磁場小于相對測量范圍(比如±2500nT)時，積分電路的輸出V_o小于其最大有效輸出信號±U_om，輸出電壓V_o小于雙向穩(wěn)壓管D的導通電壓V_Z(即V_Z＝U_om)而使第二反饋通路62輸出為零，因此反饋信號僅由第一反饋通路61提供，且大小跟輸出V_o成正比。當所述導通元件的導通電壓等于或大于所述積分電路的最大有效輸出電壓時，被測磁場大于相對線性測量范圍時，積分電路的輸出V_o超過最大有效輸出信號±U_om，使雙向穩(wěn)壓管D發(fā)生導通，此時反饋信號V_f由V_f1和V_f2相加組成，使信號檢測電路靈敏度降低。調(diào)整第二反饋通路的電阻比例，可以使在被測磁場達到最大測量范圍(如±50000nT)時輸出V_o接近電源幅度VCC。另外，還可以為所述信號通道設(shè)置與所述積分電路連接的限幅電路，用于使所述積分電路的輸出電壓V_o限制在該積分電路的最大有效輸出電壓±U_om的范圍內(nèi)。

進一步地，在上述信號檢測電路的基礎(chǔ)上，本發(fā)明實施例還提供了一種磁通門磁力儀，該磁通門磁力儀設(shè)置有上述的信號檢測電路。關(guān)于該信號檢測電路的構(gòu)成可參考上文，在此不再贅述。

綜上所述，本發(fā)明實施例的磁通門磁力儀的信號檢測電路利用了非線性負反饋方法，在小信號輸入(線性測量范圍內(nèi))和大信號輸入時轉(zhuǎn)換了不同的反饋支路，保證了傳感探頭始終工作在零場附近，保證了前端模擬通道電路不會進入飽和狀態(tài)，不會產(chǎn)生相移的變化，因而也保證了相敏檢波電路輸出的穩(wěn)定性，因此可以通過高階的選頻放大器使大幅度的基波噪聲得到很大抑制，并使有用信號得到提升放大，解決了傳統(tǒng)信號檢測電路存在不能兼顧保證信號的分辨率和容許大信號輸入的問題。

以上結(jié)合附圖詳細描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實施方式中的具體細節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本發(fā)明的保護范圍。

另外需要說明的是，在上述具體實施方式中所描述的各個具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合。為了避免不必要的重復，本發(fā)明對各種可能的組合方式不再另行說明。

此外，本發(fā)明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應(yīng)當視為本發(fā)明所公開的內(nèi)容。