一種雙差式低噪聲微弱磁信號採集處理裝置製造方法
2023-05-10 08:28:31
一種雙差式低噪聲微弱磁信號採集處理裝置製造方法
【專利摘要】本發明提供了一種雙差式低噪聲微弱磁信號採集處理裝置，所述雙差式低噪聲微弱磁信號採集處理裝置包括：採集裝置、雙差裝置、偏置裝置、置位復位裝置。採集裝置包括第一採集電路和第二採集電路，每個採集電路包括一個由磁敏電阻和普通電阻構成的電橋；雙差裝置接收由兩個採集電路所採集的信號，並且對所述信號進行差分處理；偏置裝置包括地磁場測量裝置和磁場發生裝置，用於根據地磁場的強度產生抵消磁場；置位復位裝置包括螺線圈和置位復位電源，用於生成強磁場。本發明利用偏置裝置消除地磁場的影響，利用差分裝置消除非線性噪聲脈衝幹擾，能夠使傳感器有效地測量出所需要的微弱磁信號。
【專利說明】一種雙差式低噪聲微弱磁信號採集處理裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及磁信號測量領域，具體涉及一種雙差式低噪聲微弱磁信號採集處理裝置。
【背景技術】
[0002]隨著科技的不斷發展與人們生活水平的不斷提高，微弱磁場在世界範圍內的使用越來越廣泛，利用高精度檢測技術實現對微弱磁信號分析，尤其是在人體微磁場檢測、生物磁信號測量、地磁導航、地磁場測量、空間磁場測量等領域起到非常重要的作用。磁傳感器是一種能把磁場轉換成相應電信號的轉換器。用來實現磁傳感器的原理有很多，例如霍爾效應、磁阻效應、巨磁阻效應、巨磁阻抗效應、核進動、超導量子幹涉儀、磁彈性效應等。
[0003]在超高精度磁測量領域，磁信號的測量具有重要意義。例如，人體微磁信號的測量對於分析人體健康狀況起到裡程碑的意義。典型的心臟磁場為10_9-10_1(1特斯拉(T)，腦磁場為10_η-10_12τ，目前能夠真正滿足檢測10_12τ量級測量精度的磁傳感器有光泵磁強計、探測線圈磁強計、磁通門磁強計、巨磁阻抗磁強計、超導量子幹涉儀(SQUID)。
[0004]由於我們身邊有各種各樣的電磁場幹擾，這些磁場在我們米集有用信號時會產生較大的誤差影響，並且如果要採集的是信號比較弱的微弱電磁場時，很可能我們經過放大電路以後用示波器觀察到的全部都是噪聲信號，有用信號全部「隱藏」在了這些噪聲信號當中。當然，我們可以採取金屬隔離法來在一個密閉的環境中去測量採集有用的信號，但是這會存在最基本的倆個問題:第一，只要我們運用電子設備就會對有用信號造成幹擾。第二，建造一個能達到標準要求的金屬隔離屋難度太大。
[0005]為消除噪聲的幹擾問題，本專利提出了一種利用新的測量線性的微弱磁場的傳感器。利用差分法消除線性地磁外的其他脈衝噪聲幹擾。
【發明內容】
[0006]針對上述問題，本發明希望提供一種新的雙差式低噪聲微弱信號採集處理裝置，其能夠消除噪聲幹擾的影響。
[0007]具體而言，本發明提供了一種雙差式低噪聲微弱信號採集處理裝置，所述微磁信號採集處理裝置包括:採集裝置、雙差裝置、偏置裝置、置位復位裝置，其特徵在於，
[0008]所述採集裝置包括第一採集電路和第二採集電路，每個採集電路包括一個由磁敏電阻和普通電阻構成的電橋；
[0009]所述雙差裝置接收由兩個採集電路所採集的信號，並且對所述信號進行減法處理；
[0010]所述偏置裝置包括地磁場測量裝置和磁場發生裝置，用於根據地磁場的強度產生抵消磁場；
[0011]所述置位復位裝置包括螺線圈和置位復位電源，用於生成強磁場。
[0012]進一步地，所述第一採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連接構成所述第一採集電路的第一橋，所述第二磁敏電阻與所述第二電阻順序串聯連接構成所述第一採集電路的第二橋，所述第一橋和所述第二橋並聯連接，並且兩橋的第一端連接至電源VCC，第二端接地。
[0013]進一步地，所述第二採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連接構成所述第二採集電路的第一橋，所述第四磁敏電阻與所述第四電阻順序串聯連接構成所述第二採集電路的第二橋，並且所述第二採集電路的第一橋和所述第二採集電路的第二橋並聯連接，且兩橋的第一端連接至電源VCC，第二端接地，所述第二採集電路的第一橋的中點連接至第一電容，所述第二採集電路的第二橋的中點連接至第二電容。
[0014]進一步地，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，所述第一採集電路的第一橋的中點通過所述電阻Rl連接至所述減法器LM358的正輸入端，所述第二採集電路的第二橋的中點通過所述第一電容和所述電阻R2連接至所述減法器LM358的負輸入端。
[0015]進一步地，所述第二減法電路包括電阻R4、R5、R6和第二減法器LM358，所述第一採集電路的第二橋的中點通過電阻R4連接至所述第二減法器LM358的正輸入端，所述第一採集電路的第二橋的中點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的負輸入端。
[0016]進一步地，所述地磁測量裝置能夠測量出地磁場的強度和方向，所述磁場發生裝置基於所述地磁測量裝置所測出的地磁場的強度和方向產生與所述地磁場大小相等、方向相反的磁場，以抵消所述地磁場的影響。
[0017]由於微弱磁信號在檢測時會遇到很多噪聲的幹擾，本發明為了實現消除磁傳感器在測量微弱信號時遇到的噪聲信號，利用偏置電流模塊消除地磁場的影響，利用差分模塊消除非線性噪聲脈衝幹擾，能夠使傳感器有效地測量出所需要的微弱磁信號，儘可能地提高微弱磁信號傳感器的測量精度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為根據本發明一個實施例的傳感器的整體電路示意圖；
[0019]圖2為根據本發明一個實施例的傳感器中的置位復位裝置的線圈的示意圖；
[0020]圖3為根據本發明一個實施例的傳感器中的採集電路的示意圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖對本發明的具體實施例進行詳細描述。
[0022]如圖1所示，本實施例中的雙差式低噪聲微弱磁信號採集處理裝置主要包括四個部分:採集裝置、雙差裝置、偏置裝置、置位復位裝置。本領域技術人員應該理解，雖然附圖中以一個電路圖的形式示出了本實施例的傳感器，但是在具體實現中，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，並且該傳感器中的電路可以以立體方式呈現，而不限於平面結構。
[0023]採集裝置包括兩個由磁敏電阻和兩個普通電阻組成的電橋，當外界環境中存在磁場時磁敏電阻的電阻值發生變化，使電壓輸出產生相應的變化(圖中帶箭頭的電阻代表磁敏電阻)。如圖1所示，採集裝置包括第一採集電路和第二採集電路。圖1中兩個呈「凹」字形的電路即分別為第一採集電路和第二採集電路。
[0024]圖1中左側的「凹」字形電路為第一採集電路(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連接構成第一採集電路的第一橋(內側電橋)，第二磁敏電阻與第二電阻順序串聯連接構成第一採集電路的第二橋(外側電橋)，第一採集電路的第一橋和第二橋並聯連接，並且兩個電橋的左側連接點連接至電源VCC，右側連接點接地。
[0025]圖1中右側的「凹」字形電路為第二採集電路，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連接構成第二採集電路的第一橋(內側電橋)，第四磁敏電阻與第四電阻順序串聯連接構成第二採集電路的第二橋(外側電橋)，並且第二採集電路的第一橋和第二採集電路的第二橋並聯連接，且兩個電橋的左側連接點連接至電源VCC，右側連接點接地，第二採集電路的第一橋的中點連接至第一電容，第二採集電路的第二橋的中點連接至第二電容。
[0026]第一採集電路和第二採集電路的電橋的中點作為兩個採集電路的輸出。兩個採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採集電路所採集的信號，並且對信號進行差分處理；
[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，第一採集電路的第一橋的中點通過電阻Rl連接至減法器LM358的正輸入端，第二採集電路的第二橋的中點通過第一電容(上部的電容)和電阻R2連接至減法器LM358的負輸入端，在電阻R2和第一電容之間還可以添加二極體。
[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，第一採集電路的第二橋的中點通過電阻R4連接至第二減法器LM358的正輸入端，第二採集電路的第二橋的中點通過第二電容和電阻R5連接至第二減法器LM358的負輸入端，在電阻R5和第二電容之間可以添加另一二極體。
[0029]偏置裝置包括地磁場測量裝置和磁場發生裝置，用於根據地磁場的強度產生抵消磁場。在圖1所示的電路中，僅畫出來兩個偏置電路，作為磁場發生裝置。地磁測量裝置能夠測量出地磁場的強度和方向，然後，偏置電路能夠基於地磁測量裝置所測出的地磁場的強度和方向產生與地磁場大小相等、方向相反的磁場，以抵消地磁場的影響。
[0030]在本實施例中，偏置電路採用具有限流電阻的直線導線，置於整個裝置的上部或下部。當確定了地磁場強度以後，可以根據地磁場確定需要的電流強度，然後，通過電源驅動電流通過導線，進而精確地抵消測量磁場。這被稱作閉環結構電流反饋信號，是所施加磁場的直接度量。雖然利用偏置模塊可以消除一部分地磁場，但是，由於有很多脈衝電流的大小難以確定，僅僅消除地磁場並不能測得精確的信號，還需要利用上述的雙差裝置對信號進行差分。
[0031]如圖2所示，置位復位裝置包括螺線圈，用於生成強磁場。螺線圈由電源供電(圖中未不出)。當傳感器暴露於幹擾磁場中時，傳感器兀件會分成若干方向隨機的磁區域，從而導致靈敏度衰減。因此，採用螺線圈生成強磁場則可以重新將磁區域對準統一到一個方向上，這樣將確保高靈敏度和可重複的讀數。如果施加反向脈衝，則反向脈衝(復位)可以以相反的方向旋轉磁區域的方向，並改變傳感器輸出的極性。
[0032]工作過程:
[0033]本發明首先通過地磁場測量裝置測量出地磁場的強度，然後，利用偏置裝置，生成與地磁場方向相反、大小相同的磁場，以抵消地磁場。
[0034]然後，本發明採用兩個相同的採集電路對磁信號進行採集，只是在第二採集電路的輸出處，分別添加了一個電容。這樣，第一採集電路的兩個輸出所輸出的信號將既包括直流信號，又包括交流信號；而第二採集電路的兩個輸出所輸出的信號將僅包括交流信號，而濾除了直流信號。
[0035]然後，將第一米集電路的第一橋的輸出信號輸出到第一減法電路的正輸入端，將第二採集電路的第一橋的輸出信號輸出到第一減法電路的負輸入端，然後，通過減法器對兩信號進行減法運算，則可以獲得第一採集電路的第一橋所輸出的信號的直流成分，而該直流成分則是測量所需要的，濾除了交流的嘈雜的噪聲。
[0036]類似地，將第一採集電路的第二橋的輸出信號輸出到第二減法電路的正輸入端，將第二採集電路的第二橋的輸出信號輸出到第二減法電路的負輸入端，然後，通過減法器對兩信號進行減法運算，則可以獲得第一採集電路的第二橋所輸出的信號的直流成分。
[0037]通過將兩個減法器所輸出的直流成分作為本發明的傳感器的兩個輸出，既可以根據磁敏電阻的電橋的原理獲得待測磁場的強度。可以選地，可以將兩個減法電路的輸出信號輸出至處理器，處理器中存儲有或者調取減法電路的輸出與相應磁場的對應關係表格，並且，處理器基於該表格和兩個減法電路的輸出，就可以輸出所測得的磁場。
[0038]當進行一段時間採集之後，或者重新進行採集時，需要驅動重置復位裝置，產生強磁場，以便對本發明的傳感器的工作環境進行重置。可選地，重置復位裝置的線圈可以包圍本發明的傳感器，即，位於傳感器的外圍。
[0039]優選地,所述重置復位裝置的驅動電流為0.78A-1.5A。所述偏置裝置的位於傳感器的頂部，與傳感器之間具有一定距離，優選為5cm-7cm，更優選地為6cm。所述第一電容和所述第二電容彼此間隔開，優選間隔距離大於4.2cm。
[0040]需要說明的是，附圖中的各個部件的形狀均是示意性的，不排除與其真實形狀存在一定差異，附圖僅用於對本發明的原理進行說明，並非意在對本發明進行限制。而且，本領域技術人員應該理解，上述實施例中並不構成對本發明的保護範圍的限制。
【權利要求】
1.一種雙差式低噪聲微弱磁信號採集處理裝置，所述雙差式低噪聲微弱磁信號採集處理裝置包括:採集裝置、雙差裝置、偏置裝置、置位復位裝置，其特徵在於， 所述採集裝置包括第一採集電路和第二採集電路，每個採集電路包括一個由磁敏電阻和普通電阻構成的電橋，所述第二採集電路還包括直流過濾裝置； 所述雙差裝置接收由兩個採集電路所採集的信號，並且對所述信號進行減法處理； 所述偏置裝置包括地磁場測量裝置和磁場發生裝置，用於根據地磁場的強度產生抵消磁場； 所述置位復位裝置包括螺線圈和置位復位電源，用於生成強磁場。
2.根據權利要求1所述的雙差式低噪聲微弱磁信號採集處理裝置，其特徵在於，所述第一採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連接構成所述第一採集電路的第一橋，所述第二磁敏電阻與所述第二電阻順序串聯連接構成所述第一採集電路的第二橋，所述第一橋和所述第二橋並聯連接，並且兩橋的第一端連接至電源VCC，第二端接地。
3.根據權利要求2所述的雙差式低噪聲微弱磁信號採集處理裝置，其特徵在於，所述第二採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連接構成所述第二採集電路的第一橋，所述第四磁敏電阻與所述第四電阻順序串聯連接構成所述第二採集電路的第二橋，並且所述第二採集電路的第一橋和所述第二採集電路的第二橋並聯連接，且兩橋的第一端連接至電源VCC，第二端接地，所述第二採集電路的第一橋的中點連接至第一電容，所述第二採集電路的第二橋的中點連接至第二電容。
4.根據權利要求3所述的雙差式低噪聲微弱磁信號採集處理裝置，其特徵在於，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，所述第一採集電路的第一橋的中點通過所述電阻Rl連接至所述第一減法器LM358的正輸入端，所述第二採集電路的第二橋的中點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的負輸入端。
5.根據權利要求4所述的雙差式低噪聲微弱磁信號採集處理裝置，其特徵在於，所述第二差分電路包括電阻R4、R5、R6和第二減法器LM358，所述第一採集電路的第二橋的中點通過電阻R4連接至所述第二減法器LM358的正輸入端，所述第一採集電路的第二橋的中點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的負輸入端。
6.根據權利要求1所述的雙差式低噪聲微弱磁信號採集處理裝置，其特徵在於，所述地磁測量裝置能夠測量出地磁場的強度和方向，所述磁場發生裝置基於所述地磁測量裝置所測出的地磁場的強度和方向產生與所述地磁場大小相等、方向相反的磁場，以抵消所述地磁場的影響。
【文檔編號】G01R33/09GK103760505SQ201410052076
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年2月14日 優先權日:2014年2月14日
【發明者】康愛國, 劉芳宇, 侯志文, 郭倩, 劉喆頡 申請人:太原理工大學