一種磁通門磁力儀的信號檢測電路及該磁通門磁力儀的製作方法

2023-06-05 11:55:26

本發明涉及地震技術領域，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：

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、解析度高、溫度穩定性好、寬測量範圍、弱磁測量、低功耗及高精度等優點，從而成為室溫下最常用的磁測儀器，被廣泛應用在從精密地球物理到安全和醫學領域，此外還經常應用於考古、地下勘探與軍事偵察等領域。

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Vi(該輸出信號Vi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Vd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，其經積分電路後得到輸出信號Vo，該輸出信號Vo再經反饋電路6處理而生成最終反饋回傳感探頭1的反饋信號Vf；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Vr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，並放大有用的傳感器二次諧波信號，提高信號檢測解析度。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範圍內，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Vi過大而使信號檢測電路進入飽和時，產生了新的附加相移，使後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，從而整個信號檢測電路變得不穩定。因此，現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解析度和容許大信號輸入的問題，對於具有「弱信號、強背景」特徵的地磁信號難於進一步提高其解析度。

技術實現要素：

本發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，用於解決現有的磁通門磁力儀的信號檢測電路不能兼顧保證信號的解析度和容許大信號輸入的問題。

為了實現上述目的，本發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並聯，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範圍時工作。

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，用於相加並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範圍時導通；放大器，其輸入端連接所述導通元件，用於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於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範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，用於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範圍時的最大有效輸出電壓的範圍內。

可選地，所述導通元件採用穩壓管、壓敏電阻或電壓比較器。

可選地，所述穩壓管採用雙向穩壓管，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。

本發明還提供了一種磁通門磁力儀，該磁通門磁力儀設置有上述的信號檢測電路。

通過上述技術方案，本發明的有益效果是：本發明利用了非線性負反饋方法，在小信號輸入(線性測量範圍內)和大信號輸入時轉換了不同的反饋支路，解決了傳統信號檢測電路存在不能兼顧保證信號的解析度和容許大信號輸入的問題。

本發明的其它特徵和優點將在隨後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明的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用於解釋本發明，但並不構成對本發明的限制。在附圖中：

圖1是現有技術中磁通門磁力儀的信號檢測電路的結構示意圖；

圖2是現有技術中磁通門磁力儀的信號檢測電路的輸入/輸出信號關係示意圖；

圖3是本發明實施例的磁通門磁力儀的信號檢測電路的結構示意圖；

圖4是本發明實施例的信號檢測電路的輸入/輸出特性示意圖；

圖5是本發明實施例的反饋電路的一種優選結構的示意圖；

圖6是本發明實施例中構成圖5的反饋電路的具體電路結構示意圖。

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

以下結合附圖對本發明的具體實施方式進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用於說明和解釋本發明，並不用於限制本發明。

參考圖1，磁通門磁力儀的現有信號檢測電路的反饋電路6由單獨的電阻Rf構成，其明顯屬於是線性反饋電路。

現有信號檢測電路中積分電路的輸入/輸出信號關係如圖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，對應的虛線為實際的不穩定輸出。結合圖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範圍(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，由於反饋信號Vf不能夠再隨輸入的增大而繼續增大了，使選頻放大電路3等環節進入飽和狀態，從而產生了新的附加相移，使得這些環節輸出的信號跟相敏檢波電路4的參考信號Vr的相位不再相同，於是產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的平滑後輸出Vo亦可能發生變化，甚至使極性反轉，即輸出信號Vo變得不穩定，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定性，前端的選頻放大電路等預處理電路環節的品質因數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，磁力儀系統信噪比不高，影響了磁力儀系統對微弱小信號的解析度。

在此基礎上，本發明實施例基於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優選為相敏檢波器PSD，積分電路5優選為常規積分器。而激勵通道的構造與現有磁通門磁力儀相似，且具體功能及結構可參考相關文獻，其不屬於本發明實施例所要改進的方案內容，故在此不多述。

相對於現有磁通門磁力儀，本發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並聯，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範圍時工作。

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，用於相加並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Vi為在線性測量範圍內的小信號輸入時，如圖4所示，如在±2500nT線性測量範圍內的小信號輸入時，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處於高阻輸出狀態，對反饋信號沒有貢獻。當輸入超過±2500nT的線性測量範圍時，第二反饋通路62進入工作狀態，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輸出遠大於第一反饋通路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，磁力儀系統檢測靈敏度低，使前端的選頻放大電路等模擬預處理電路不會進入飽和狀態，因而保證了相敏檢波電路等輸出的穩定性。此外，調整第二反饋通路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±Uom的線性範圍內。

進一步地，如圖5所示，本發明實施例給出圖3對應的信號檢測電路中的反饋電路的一種優選構成方式，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範圍時導通；放大器622，其輸入端連接所述導通元件621，用於在所述導通元件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可以採用穩壓管、壓敏電阻或電壓比較器，所述放大器622和所述加法器63可以採用常規運算放大器。以所述導通元件621採用雙向穩壓管、所述放大器622和所述加法器63採用常規運算放大器為例，如圖6所示，給出了構成本發明實施例的反饋電路的一個具體電路結構，該電路結構中，第一反饋電路61由電阻R1構成，其一端連接積分電路5的輸出端，另一端向運算放大器A1構成的加法器的負輸入端輸出反饋信號Vf1，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Vf2。

對於圖6所示的電路，兩路反饋信號Vf1、Vf2經運算放大器A1構成的加法器相加後作為總的反饋信號Vf。參考圖4，在被測磁場小於相對測量範圍(比如±2500nT)時，積分電路的輸出Vo小於其最大有效輸出信號±Uom，輸出電壓Vo小於雙向穩壓管D的導通電壓VZ(即VZ＝Uom)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Vo成正比。當所述導通元件的導通電壓等於或大於所述積分電路的最大有效輸出電壓時，被測磁場大於相對線性測量範圍時，積分電路的輸出Vo超過最大有效輸出信號±Uom，使雙向穩壓管D發生導通，此時反饋信號Vf由Vf1和Vf2相加組成，使信號檢測電路靈敏度降低。調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範圍(如±50000nT)時輸出Vo接近電源幅度VCC。另外，還可以為所述信號通道設置與所述積分電路連接的限幅電路，用於使所述積分電路的輸出電壓Vo限制在該積分電路的最大有效輸出電壓±Uom的範圍內。

進一步地，在上述信號檢測電路的基礎上，本發明實施例還提供了一種磁通門磁力儀，該磁通門磁力儀設置有上述的信號檢測電路。關於該信號檢測電路的構成可參考上文，在此不再贅述。

綜上所述，本發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(線性測量範圍內)和大信號輸入時轉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，不會產生相移的變化，因而也保證了相敏檢波電路輸出的穩定性，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，並使有用信號得到提升放大，解決了傳統信號檢測電路存在不能兼顧保證信號的解析度和容許大信號輸入的問題。

以上結合附圖詳細描述了本發明的優選實施方式，但是，本發明並不限於上述實施方式中的具體細節，在本發明的技術構思範圍內，可以對本發明的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬於本發明的保護範圍。

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特徵，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複，本發明對各種可能的組合方式不再另行說明。

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