一種基於s/r激勵電路的磁阻磁強計的製作方法

2023-06-13 04:08:26

專利名稱：一種基於s/r激勵電路的磁阻磁強計的製作方法
技術領域：
本發明屬於磁場探測技術領域，涉及提高磁阻磁強計性能的電路設計技術，適用於消除強磁場對磁阻傳感器的歷史影響，消除外界強磁場的幹擾，提高磁阻磁強計的靈敏度，線性度，抑制溫漂，擴展頻帶等，具體涉及一種基於S/R激勵電路的磁阻磁強計。
背景技術：
磁場測量技術作為一門獨立的科學，在科學研究、國防建設、工業生產、日常生活等領域起到了重要作用。其中，磁場測量技術廣泛應用於地球物理、空間技術、軍事工程、工業、生物學、醫學、考古學等許多領域。因此，研究和發展高精度、穩定性好、使用簡單，成本低廉、低功耗的磁場測量儀器有著深遠的意義。在科技工作中，研究和測定地磁場及其隨時間變化的儀器、測定磁異常及研究磁性的儀器、測定磁場強度的儀器等統稱磁強計。從工作原理角度，磁強計的種類包括磁通門、質子旋進、光泵、霍爾效應、磁阻等。磁阻磁強計的工作原理是利用各向異性磁阻效應，磁阻傳感器是以矽作為襯底，在其上製作四個相同的鐵鎳合金帶形成惠斯通電橋。當通電磁性薄膜置於外加磁場中時，薄膜電阻將會發生變化。當空間磁場為零時，四片薄膜電阻均為R，電橋供電電源\驅動薄膜中的電流，當外界施加磁場M時，薄膜的磁化狀態發生變化，磁化方向順著電流的方向，相對放置的兩片薄膜的電阻減小AR，另外兩片薄膜電阻的磁化方向與電流方向相反，電阻增大AR。在線性範圍內，輸
出電壓與橋路供電電壓和被測磁場的關係分別為&和Vot = V。*H*S。式中R為
K
半導體薄膜電阻值，AR為阻值變化量，H為外加磁場值，S為磁阻傳感器的靈敏度，可以得出# = V^S，即在線性範圍內，輸出電壓V。m和被測磁場強度H成正比。目前磁阻磁強計系統的體積小，成本低，應用廣泛。不足之處在於磁阻磁強計在解析度和靈敏度等方面有待提高。本發明改進磁阻磁強計電路設計，提高磁阻磁強計的解析度和靈敏度。使磁阻磁強計能夠更廣泛的應用於探礦、地下鑽孔、位置檢測、航海系統等方面。

發明內容
本發明的目的在於，為克服現有技術的磁阻磁強計系統在解析度和靈敏度等方面不足，從而提供一種基於S/R激勵電路的磁阻磁強計。為實現上述目的，本發明提供一種基於S/R激勵電路的磁阻磁強計，包含磁阻傳感器和包含信號處理子系統及低通濾波電路的電路系統，其中所述低通濾波電路的輸入端與所述信號處理子系統的輸出端相連，所述低通濾波電路的輸出端為整個磁阻磁強計的輸出端，其特徵在於，所述信號處理子系統包含串聯連接的交流耦合電路和相敏解調電路；所述電路系統還包含S/R激勵電路，該S/R激勵電路輸出端與所述磁阻傳感器的一輸入端相連接，用於與所述交流耦合電路和相敏解調電路配合使所述磁阻磁強計系統工作於交流耦合模式下。所述信號處理子系統還包含前級放大電路；所述前級放大電路、交流耦合電路和相敏解調電路依次串聯連接；其中，所述前級放大電路輸入端與所述磁阻傳感器的一輸出端相連接；所述相敏解調電路的輸出端與所述低通濾波器輸入端相連。可選的，所述S/R 激勵電路與交流耦合電路、相敏解調電路配合使所述磁阻磁強計工作於交流耦合模式下，用於消除強磁場對磁阻傳感器的歷史影響，消除外界強磁場的幹擾，提高靈敏度，線性度。可選的，所述S/R激勵電路包含依次串聯連接的晶振電路、分頻電路和脈衝發生電路；其中所述脈衝發生電路的輸出端為所述S/R激勵電路的輸出端，與所述磁阻傳感器的一輸入端相連。優化的，如果所述相敏解調電路和所述低通濾波電路之間串聯一積分電路時，所述磁阻磁強計還包含一與所述積分電路輸出端相連接的Offset反饋電路，用於將轉化得到的電流信號以負反饋的方式接到所述磁阻傳感器的磁場偏置電流帶上使磁阻傳感器工作在「零磁場」。可選的，所述Offset反饋電路包含串聯連接的穩壓電路和U/I轉換電路；其中，所述穩壓電路輸入端與所述積分電路輸出端相連，所述U/I轉換電路的輸出端與所述磁阻傳感器的一輸入端相連。可選的，所述信號處理子系統還可以與積分電路、Offset反饋電路和磁阻傳感器形成閉環迴路，使磁阻磁強計工作在閉環工作模式下，用於穩定系統工作狀態和放大倍數， 減小非線性失真，提高磁阻磁強計的靈敏度和線性度，擴展頻帶等。本發明採用S/R激勵電路實現交流耦合，其中交流耦合模式的優點在於能夠消除強磁場對磁阻傳感器的歷史影響，消除外界強磁場的幹擾，提高靈敏度，線性度，並可以有效的抑制溫漂的影響。優化的本發明還可以再採用Offset反饋電路使系統工作於閉環模式的優點在於能夠穩定電路的工作狀態和放大倍數，減小非線性失真，提高磁阻磁強計的靈敏度和線性度，擴展頻帶等。


圖Ι-a是本發明的基於S/R激勵電路的磁阻磁強計系統電路結構圖；圖l_b是本發明的基於S/R激勵電路的增加了反饋電路的磁阻磁強計系統整體結構；圖2本發明的交流耦合電路圖；圖3本發明的閉環反饋迴路電路圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細描述本系統的整體電路設計如附圖1所示，本性系統由磁阻傳感器和包含信號處理子系統的電路系統兩部分組成。其中，所述電路系統還包含一 S/R激勵電路，所述S/R激勵電路與包含交流耦合電路和相敏解調電路的信號處理電路使系統工作於交流耦合模式。優化的本發明還可以再採用Offset反饋電路，該Offset反饋電路與包含積分電路的信號處理電路形成閉環工作模式。圖Ι-a描述了基於S/R激勵電路的磁阻磁強計系統整體結構，磁阻磁強計系統由磁阻傳感器和包含信號處理子系統的電路系統兩部分組成，兩部分之間通過數據接口連接。信號處理子系統包括前級放大電路、交流耦合電路、相敏解調電路、低通濾波電路、電源模塊和S/R激勵電路。其中，利用S/R激勵電路使磁阻磁強計工作在交流耦合模式下。磁阻傳感器輸出的電壓信號依次經過放大、交流耦合、相敏解調輸出到低通濾波電路，最後得到輸出電壓信號。
圖Ι-b描述了基於S/R激勵電路的進一步優化的磁阻磁強計系統整體結構，磁阻磁強計系統由磁阻傳感器和包含信號處理子系統的電路系統兩部分組成，兩部分之間通過數據接口連接。改進的信號處理子系統包括前級放大電路、交流耦合電路、相敏解調電路、 積分電路、低通濾波電路、電源模塊、S/R激勵電路、Offset反饋電路。其中，S/R激勵電路和Offset反饋電路是信號處理電路的兩個重要組成部分，利用S/R激勵電路使磁阻磁強計工作在交流耦合模式下；Offset反饋電路使磁阻磁強計工作在閉環模式下。磁阻傳感器輸出的電壓信號依次經過放大、交流耦合、相敏解調和積分處理。將處理得到的電壓信號，一方面反饋到Offset模塊，產生用來驅動磁場偏置電流帶的電流信號，形成閉環工作迴路； 另一方面，輸出到低通濾波電路，最後得到輸出電壓信號。S/R激勵電路如附圖2所示。該電路產生置位/復位脈衝電流，流經磁阻傳感器的置位/復位電流帶(S/R Strap)，使磁阻傳感器周期性的置位、復位，消除強磁場對磁阻傳感器的歷史影響，消除外界強磁場的幹擾，提高靈敏度，線性度，並可以有效的抑制溫漂。交流耦合電路，S/R激勵電路由晶振電路、分頻電路和脈衝發生電路三部分組成。 利用晶振電路和時鐘分頻電路得到頻率適合的脈衝信號，再經過脈衝發生電路處理得到用於驅動磁阻傳感器的置位/復位電流帶(S/R Strap)的脈衝電流信號。使磁阻傳感器周期性的進行置位/復位操作，有效地消除強磁場對磁阻傳感器的歷史影響，消除外界強磁場的幹擾，提高靈敏度，線性度，並可以有效的抑制溫漂的影響。Offset反饋電路如附圖3所示。該迴路的作用是將信號處理電路輸出的電壓信號轉換成電流信號，並以負反饋的方式將其反饋到磁阻傳感器的磁場偏置電流帶(Offset Strap)，使磁阻傳感器工作在「零磁場」。閉環模式下的信號處理電路能夠穩定電路的工作狀態和放大倍數，減小非線性失真，擴展頻帶。附圖3描述了閉環反饋迴路，其中的Offset反饋電路由穩壓電路和U/I轉換電路兩部分組成。將經過前級放大電路，交流耦合電路，相敏解調電路，積分電路處理後的電壓信號反饋給Offset反饋電路，實現了 U/I轉化，並將轉化得到的電流信號以負反饋的方式接到磁阻傳感器的磁場偏置電流帶(Offset Strap)上，使磁阻傳感器工作在「零磁場」。信號處理電路工作在閉環模式下，能夠穩定電路的工作狀態和放大倍數，減小非線性失真，擴展頻帶。需要說明的是，以上介紹的本發明的實施方案而並非限制。本領域的技術人員應當理解，任何對本發明技術方案的修改或者等同替代都不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍內。
權利要求
1.一種基於S/R激勵電路的磁阻磁強計，包含磁阻傳感器和包含信號處理子系統及低通濾波電路的電路系統，其中所述低通濾波電路的輸入端與所述信號處理子系統的輸出端相連，所述低通濾波電路的輸出端為整個磁阻磁強計的輸出端，其特徵在於，所述信號處理子系統包含串聯連接的交流耦合電路和相敏解調電路；所述電路系統還包含S/R激勵電路，該S/R激勵電路輸出端與所述磁阻傳感器的一輸入端相連接，用於與所述交流耦合電路和相敏解調電路配合使所述磁阻磁強計工作於交流耦合模式下。
2.根據權利要求1所述的基於S/R激勵電路的磁阻磁強計，其特徵在於，所述信號處理子系統還包含前級放大電路；所述前級放大電路、交流耦合電路和相敏解調電路依次串聯連接；其中，所述前級放大電路輸入端與所述磁阻傳感器的一輸出端相連接；所述相敏解調電路的輸出端與所述低通濾波器輸入端相連。
3.根據權利要求1所述的基於S/R激勵電路的磁阻磁強計，其特徵在於，所述S/R激勵電路包含依次串聯連接的晶振電路、分頻電路和脈衝發生電路；其中所述脈衝發生電路的輸出端為所述S/R激勵電路的輸出端，與所述磁阻傳感器的一輸入端相連。
4.根據權利要求1所述的基於S/R激勵電路的磁阻磁強計，其特徵在於，如果所述相敏解調電路和所述低通濾波電路之間串聯一積分電路時，所述磁阻磁強計還包含一與所述積分電路輸出端相連接的Offset反饋電路，用於將轉化得到的電流信號以負反饋的方式接到所述磁阻傳感器的磁場偏置電流帶上使磁阻傳感器工作在「零磁場」。
5.根據權利要求4所述的基於S/R激勵電路的磁阻磁強計，其特徵在於，所述Offset 反饋電路包含串聯連接的穩壓電路和U/I轉換電路；其中，所述穩壓電路輸入端與所述積分電路輸出端相連，所述U/I轉換電路的輸出端與所述磁阻傳感器的一輸入端相連。
6.根據權利要求4所述的基於S/R激勵電路的磁阻磁強計，其特徵在於，所述信號處理子系統為依次串聯連接的前級放大電路、交流耦合電路、相敏解調電路和積分電路。
全文摘要
本發明涉及一種基於S/R激勵電路的磁阻磁強計，包含磁阻傳感器和包含信號處理子系統及低通濾波電路的電路系統，其中所述低通濾波電路與所述信號處理子系統的輸出端相連，所述低通濾波電路的輸出端為整個磁阻磁強計的輸出端，其特徵在於，所述信號處理子系統包含串聯連接的交流耦合電路和相敏解調電路；所述電路系統還包含S/R激勵電路，該S/R激勵電路輸出端與所述磁阻傳感器輸入端相連接，用於與所述交流耦合電路和相敏解調電路配合使所述磁阻磁強計工作於交流耦合模式下。所述S/R激勵電路包含依次串聯連接的晶振電路、分頻電路和脈衝發生電路；其中所述脈衝發生電路的輸出端為所述S/R激勵電路的輸出端，與所述磁阻傳感器的輸入端相連。
文檔編號G01R33/09GK102353912SQ20111017746
公開日2012年2月15日 申請日期2011年6月29日 優先權日2011年6月29日
發明者王勁東, 葛麗麗 申請人:中國科學院空間科學與應用研究中心