专利名称：一种宽带磁性传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于感应式磁传感器，特别涉及一种宽带磁性传感器，用于大地电磁探测。
背景技术：
在大地电磁探测技术领域，需要对频率在0. 00025Hz-10kHz内的磁场信号进行采集，为了实现此功能，需要用到感应式磁传感器，而感应式磁传感器的主线圈电压和磁场信号频率成正比，在极低频段其感应电压非常�。塾⑶铮跹哉碌仍凇盎诖欧蠢〉目砥荡糯衅鞯难兄啤�(仪器仪表学报，Vol. 31,No. 11,Nov. 2010) 一文中，提出采用直接放大电路进行放大的宽频带磁传感器，由于一般的直接放大电路在极低频段电路噪声大，导致在极低频段放大后输出信号信噪比�。岩月慵觳庖螅簧鲜雎畚囊蔡岢霾捎谜恫际踅德拾嵋频浇细咂刀谓蟹糯蠛笤俳行藕呕指吹姆桨福梢越饩鲈诩推刀问毙旁氡刃〉奈侍猓遣捎闷德拾嵋萍际踅写淼男藕牌德手皇堑推刀危贾麓耸贝淼男藕糯�
宽局限于低频段，难以满足使用要求。
发明内容
本发明提供一种宽带磁性传感器，解决现有磁性传感器在极低频段噪声过大的问题，以实现在整个工作频段均具有较低噪声、在感应主线圈谐振频率两侧有平坦的幅频特性以及线性相位。本发明所提供的一种宽带磁性传感器，包括感应线圈、高频通道放大电路、低频通道放大电路、低通滤波器、运算放大器、电压跟随器和反馈电路，其特征在于所述感应线圈的感应信号输入端接收磁感应信号，感应线圈的输出信号分别送到高频通道放大电路输入端和低频通道放大电路输入端，高频通道放大电路输出端通过补偿电容连接双刀双掷开关中第一开关的�？サ悖咂低ǖ婪糯蟮缏肥涑龆送绷铀端揽刂械谝豢氐某１沾サ悖坏推低ǖ婪糯蟮缏肥涑龆送ü屯瞬ㄆ髁铀端揽刂械诙氐某？サ悖龅诙氐某１沾サ憬拥兀凰龅谝豢氐闹行拇サ阃ü谝皇淙氲缱枇釉怂惴糯笃鞯姆聪嗍淙攵耍龅诙氐闹行拇サ阃ü诙淙氲缱枇釉怂惴糯笃鞯姆聪嗍淙攵耍怂惴糯笃鞯耐嗍淙攵送ü拥氐缱杞拥兀怂惴糯笃鞯氖涑龆肆拥缪垢嫫鞯耐嗍淙攵耍怂惴糯笃鞯氖涑龆送ü蠢〉缱枇釉怂惴糯笃鞯姆聪嗍淙攵耍辉怂惴糯笃鞯氖涑龆送蓖ü蠢〉缏妨铀龈杏ο呷Φ母杏π藕攀淙攵耍坏缪垢嫫鞯氖涑龆肆拥缪垢嫫鞯姆聪嗍淙攵耍凰龈杏ο呷Φ牡绺辛课�200H 350H ；所述高频通道放大电路，由第一差分放大电路和第二差分放大电路级联组成，第一差分放大电路的增益为35dB 45dB，噪声系数小于4dB，第二差分放大电路增益为15dB 25dB ；所述低频通道放大电路，由平衡混频斩波器、第三差分放大电路、第四差分放大电路和电子开关级联组成，平衡混频斩波器和电子开关的开关频率相同，均为2kHz 9kHz，由磁传感器的用户设备接收机决定，第三差分放大电路的增益为35dB 45dB，噪声系数小于4dB，第四差分放大电路增益为15dB 25dB ；所述低通滤波器为一阶有源低通滤波器，截止频率为300Hz 500Hz ；所述反馈电路，由反馈放大器和反馈线圈级联组成，反馈放大器增益可调节，为-IOdB -15dB，反馈线圈用漆包线绕制在感应线圈外表面，电感量为0. 3H 0. 6H ; 所述电压跟随器为同相输入电压跟随器。所述的宽带磁性传感器，其特征在于所述感应线圈由磁芯、线圈骨架和线圈构成，所述磁芯为非晶铁钴镍材料，导磁率为150000 200000，所述线圈骨架套在磁芯中间段，线圈骨架包括多个长度均匀的绕线槽，线圈在各绕线槽中分段均匀绕制；所述反馈电路中，反馈线圈匝数为30 50匝，均匀绕制在感应线圈外表面。所述的宽带磁性传感器，其特征在于所述高频通道放大电路中，所述第一差分放大电路包括两个场效应管和两个运算放大器，两个场效应管的栅极分别连接所述感应线圈两端，两个场效应管的漏极分别通过偏置电路连接第一基准电压，两个场效应管的漏极分别连接两个运算放大器的反相输入端，两个运算放大器的同相输入端连接第二基准电压，两个运算放大器的输出端分别通过隔直电容连接所述第二差分放大电路的输入端，两个运算放大器的输出端之间串联三个取样电阻；两个场效应管的源极分别连接所述三个取样电阻的中间取样电阻两端；所述第二差分放大电路为平衡输入、不平衡输出差分放大电路。所述的宽带磁性传感器，其特征在于所述第一差分放大电路的第一基准电压和第二基准电压由基准电压生成电路产生，所述基准电压生成电路由输入分压电路、电压跟随器和输出稳压电路级联组成，电压跟随器的同相输入端连接输入分压电路的输出端，电压跟随器的输出端连接电压跟随器的反相输入端和输出稳压电路，同时输出第一基准电压，输出稳压电路的输出端输出第二基准电压；输入分压电路输入为电压跟随器的正电源。所述的宽带磁性传感器，其征在于所述低频通道放大电路中，所述平衡混频斩波器为双平衡混频器，所述第三差分放大电路结构和所述第一差分放大电路结构完全相同，区别仅在于两个场效应管的栅极分别连接所述平衡混频斩波器的两输出端，两个运算放大器的输出端分别通过隔直电容连接所述第四差分放大电路的输入端；所述第四差分放大电路为平衡输入、平衡输出差分放大电路；所述电子开关为平衡输入、不平衡输出电子开关。所述的宽带磁性传感器，其征在于所述反馈电路中，所述反馈放大器由两个运算放大器级联构成，反馈放大器为不平衡输入、平衡输出。本发明具有高频通道工作和高低频通道同时工作两种模式，两种模式的选择由双刀双掷开关控制，双刀双掷开关的控制信号由磁传感器的用户设备接收机提供；A.当工作起始频率较高时，如频率从360Hz开始时，可选择高频通道工作模式，双刀双掷开关处于常闭触点闭合状态，此时一是运算放大器只对高频通道信号进行放大，二是低频通道处于不工作状态，电路的功耗较小。当电路处于高频通道工作模式时，电路通道传递函数为Famp in Famp in = Fsensor Famp inl Famp in3,(I)其中感应线圈传递函数为Fsmsm，高频通道放大电路传递函数为Famp inl，运算放大器传递函数为Fanip in3 ；B.当工作起始频率较低时，如频率从0.00025Hz开始时，选择高低频通道同时工作模式，双刀双掷开关处于�？サ惚蘸献刺喽杂诟咂低ǖ溃皇且肓说推低ǖ溃怂惴糯笃髌鸬搅硕允淙氲牧铰沸藕沤屑臃ǖ淖饔茫窃诟咂低ǖ婪糯蟮缏泛笠肓瞬钩サ缛荩瞬钩サ缛莺偷谝皇淙氲缱韫钩闪艘唤赘咄瞬ㄆ鳎捎谝唤赘咄瞬ㄆ鞯淖饔茫诩推刀危饕傻推低ǖ婪糯蟮缏菲鸱糯笮藕诺淖饔茫佣Ｖち嗽诩推刀问毙藕诺牡驮肷糯螅岣吡诵旁氡龋诮细咂刀危饕筛咂低ǖ婪糯蟮缏范孕藕沤�
放大，而在中间频段，由于低通滤波器和高频通道的一阶高通滤波器的截止频率相同，为360Hz，由运算放大器对信号进行加法放大，且信号放大时电路的增益和较低、较高频段时相同；此时运算放大器传递函数为Famp in3不变，设一阶高通滤波器的传递函数为Lamp inl，一阶低通滤波器的传递函数为Lanip in2，低频通道放大电路传递函数为Fanip in2，此时有Fampin Fsensor (Fampinl ^ampinl^^ampir^ ^amp_in2^ ^'amp_in3 (2)Fampinl = Fampin2,(3)Lamp inl+Lamp in2 —I，(4)将(3)式和⑷式代入⑵式，仍然得到⑴式，这说明在进行斩波后放大、并且信号恢复后，采用高低频两通道同时工作模式，其增益和单独用高频通道工作模式一样，结合负反馈技术，使得磁传感器工作在靠近谐振频率两侧大部分频率区域中，并且不管其在高低频两通道同时工作模式或是高频通道工作模式时，传输系统均表现为光滑的频率响应；当磁传感器工作在极低频段时，受感应线圈谐振曲线的影响，幅频特性表现为上升的曲线，但由于采用了斩波技术，其噪声大大地降低了，从而提高了磁传感器在极低频段工作时检测灵敏度；磁传感器工作在高频段时，同样受感应线圈谐振曲线的影响，其幅频特性表现为下降的曲线，但此时曲线已处于设定工作频率以外；本发明实现了在极低频段的低噪声放大，在感应线圈谐振频率两侧较宽频域具有平坦的幅频特性以及线性相位，提高了在极低频段的检测精度，极大地拓展了磁传感器的应用频率范围。
图I为本发明的实施例组成示意图；图2为感应线圈示意图；图3为高频通道放大电路中第一差分放大电路示意图；图4为高频通道放大电路中第二差分放大电路示意图；图5为基准电压生成电路不意图；图6为低频通道放大电路中平衡混频斩波器级联第三差分放大电路示意图7为低频通道放大电路中第四差分放大电路级联电子开关示意图；图8为低通滤波器示意图；图9为反馈电路示意图。
具体实施例方式以下结合附图和实施例对本发明进一步说明如图I所示，本发明的实施例，包括感应线圈、高频通道放大电路、低频通道放大电路、低通滤波器、运算放大器U1、电压跟随器U2和反馈电路，所述感应线圈的感应信号输入端接收磁感应信号，感应线圈的输出信号分别送到
高频通道放大电路输入端和低频通道放大电路输入端，高频通道放大电路输出端通过补偿电容连接双刀双掷开关中第一开关Kl的�？サ悖咂低ǖ婪糯蟮缏肥涑龆送绷铀端揽刂械谝豢豄l的常闭触点；低频通道放大电路输出端通过低通滤波器连接双刀双掷开关中第二开关K2的�？サ悖龅诙豄2的常闭触点接地；所述第一开关Kl的中心触点通过第一输入电阻Rl连接运算放大器的反相输入端，所述第二开关K2的中心触点通过第二输入电阻R2连接运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端通过接地电阻R3接地，运算放大器的输出端连接电压跟随器的同相输入端，运算放大器的输出端通过反馈电阻R4连接运算放大器的反相输入端；运算放大器的输出端同时通过反馈电路连接所述感应线圈的感应信号输入端；电压跟随器的输出端连接电压跟随器的反相输入端。 所述感应线圈的电感量为280H ；所述高频通道放大电路，由第一差分放大电路和第二差分放大电路级联组成，第一差分放大电路的增益为40dB，噪声系数小于4dB，第二差分放大电路增益为24dB ；所述低频通道放大电路，由平衡混频斩波器、第三差分放大电路、第四差分放大电路和电子开关级联组成，平衡混频斩波器和电子开关的开关频率相同，均为3. 9kHz，第三差分放大电路的增益为40dB，噪声系数小于4dB，第四差分放大电路增益为24dB ；所述低通滤波器为一阶有源低通滤波器，截止频率为360Hz ；所述反馈电路，由反馈放大器和反馈线圈级联组成，反馈放大器增益可调节，为-10dB，反馈线圈用漆包线绕制在感应线圈外表面，电感量为0. 35H ；所述电压跟随器为同相输入电压跟随器。本实施例中，运算放大器为美国RB公司的运算放大器0PA2227，增益为10dB，电压跟随器为美国AD公司的运算放大器AD822。如图2所示，本实施例的感应线圈的电感量为280H，感应线圈由磁芯I、线圈骨架2和线圈3构成，磁芯为非晶铁钴镍材料，导磁率为150000 200000，所述线圈骨架套在磁芯中间段，线圈骨架2包括10个长度均匀的绕线槽，线圈3在各绕线槽中分段均匀绕制，总匝数约为20000匝，线径为0. 4_，在线圈的中点，也即绕制圈数的一半处，引出中心触点，用于连接地电位，两边抽头分别作为感应线圈的差分输出端。如图3所示，第一差分放大电路包括两个场效应管Jl、J2和两个运算放大器U3、U4，两个场效应管的栅极分别连接所述感应线圈两端，两个场效应管的漏极分别通过偏置电路连接第一基准电压VI，两个场效应管的漏极分别连接两个运算放大器的反相输入端，两个运算放大器的同相输入端连接第二基准电压V2，两个运算放大器的输出端分别通过隔直电容C4、C5连接所述第二差分放大电路的输入端，两个运算放大器的输出端之间串联三个取样电阻R9、RIO、Rll ;两个场效应管的源极分别连接所述三个取样电阻的中间取样电阻RlO两立而；图3中，场效应管Jl和J2为日本TOSHIBA公司场效应管2SK170，运算放大器U3和U4为美国BB公司的运算放大器0PA2227 ;电阻R5、R6和电容C2构成场效应管Jl的偏置电路，电阻R7、R8和C3构成场效应管J2的偏置电路。如图4所示，第二差分放大电路为平衡输入、不平衡输出差分放大电路，由运算放大器U5和电阻R12、R13、R14、R15构成，运算放大器U5为美国BB公司的运算放大器0PA2227，电阻R12和R14阻值相等，R13和R15阻值相等。所述第一差分放大电路的第一基准电压和第二基准电压由基准电压生成电路产
生，如图5所示，所述基准电压生成电路由输入分压电路、电压跟随器U15和输出稳压电路级联组成，电压跟随器U16的同相输入端连接输入分压电路的输出端，电压跟随器U16的输出端连接电压跟随器的反相输入端和输出稳压电路，同时输出第一基准电压VI，输出稳压电路的输出端输出第二基准电压V2 ;输入分压电路输入为电压跟随器U16的正电源。电压跟随器U16为美国AD公司的运算放大器AD8628，输入分压电路由电阻R42、R43和电容C14组成；输出稳压电路由稳压二极管D1、电容C15和电阻R44组成；稳压二极管Dl为4. 2V稳压二极管，第一基准电压Vl为9. 6V,第二基准电压V2为5. 4V。图6为低频通道放大电路中平衡混频斩波器级联第三差分放大电路示意图；所述平衡混频斩波器U6为双平衡混频器，平衡混频斩波器U6为美国Calogic公司的平衡混频器芯片SD54000，包括四个场效应管模拟开关；所述平衡混频器芯片SD54000的第I脚和第14连接感应线圈的一端，第7脚和第8脚连接感应线圈的另一端，第6脚和第12脚输入第一本振信号，第3脚和第9脚输入第二本振信号，第一本振信号和第二本振信号由接收机提供，第2脚接地，第10脚和第11脚连接场效应管J3的栅极，第4脚和第5脚连接场效应管J4的栅极，第13脚悬空；所述第三差分放大电路结构和所述第一差分放大电路结构完全相同，第三差分放大电路包括两个场效应管J3、J4和两个运算放大器U7、U8，两个场效应管的栅极分别连接所述平衡混频斩波器的两输出端，两个场效应管的漏极分别通过偏置电路连接第一基准电压VI，两个场效应管的漏极分别连接两个运算放大器的反相输入端，两个运算放大器的同相输入端连接第二基准电压V2，两个运算放大器的输出端分别通过隔直电容C8、C9连接所述第四差分放大电路的输入端，两个运算放大器的输出端之间串联三个取样电阻R20、R21、R22 ;两个场效应管的源极分别连接所述三个取样电阻的中间取样电阻R21两端；图6中，场效应管J3和J4为日本TOSHIBA公司场效应管2SK170，运算放大器U7和U8为美国BB公司的运算放大器0PA2227 ；电阻R16、R17和电容C6构成场效应管J3的偏置电路，电阻R18、R19和电容C7构成场效应管J4的偏置电路，电阻R16和R19阻值相等，电阻R17和R18阻值相等，取样电阻R20和R22阻值相等，电容C6和C7容值相等，电容C8和C9容值相等。图7为低频通道放大电路中第四差分放大电路级联电子开关示意所述第四差分放大电路为平衡输入、平衡输出差分放大电路，由两个运算放大器U9、UlO以及外围电路的电阻R23 R29、电容CIO、Cll构成；运算放大器U9和UlO为BB公司的运算放大器0PA2227，电阻R23和R24阻值相等，电阻R25和R26阻值相等，电阻R27和R29阻值相等，电容ClO和Cll容值相等；所述电子开关Ul I为平衡输入、不平衡输出电子开关，米用美国Maxim公司的模拟电子开关芯片MAX4527。模拟电子开关芯片MAX4527的第I脚连接第四差分放大电路的电容C10，第2脚连接第四差分放大电路的电容C11，第3脚接地，第4脚输入第一本振信号，第5脚连接正电源，第8脚连接负电源，第6脚连接低通滤波器的电阻R30，第7脚连接低通滤波器的电阻R31。如图8所示，本实施例中，低通滤波器为一阶有源低通滤波器，截止频率为360Hz ；由两个运算放大器U12、U13以及外围电路的电阻R30 R35、电容C10、C11构成；U12和U13为AD公司运算放大器0P2177，电阻R30和R31阻值相等，电阻R34和R35阻值相等，电阻R32和R33阻值相等，电容C12和C13容值相等；如图9所示，所述反馈电路中，所述反馈放大器由两个运算放大器U14、U15级联以及电阻R36 R41构成，反馈放大器为不平衡输入、平衡输出；U14和U15为AD公司运算放大器0P2177，图中电阻R38和R39阻值相等，电阻R40和R41阻值相等，电路增益为_10dB，其输出接反馈线圈。
权利要求
1.一种宽带磁性传感器，包括感应线圈、高频通道放大电路、低频通道放大电路、低通滤波器、运算放大器、电压跟随器和反馈电路，其特征在于 所述感应线圈的感应信号输入端接收磁感应信号，感应线圈的输出信号分别送到高频通道放大电路输入端和低频通道放大电路输入端，高频通道放大电路输出端通过补偿电容连接双刀双掷开关中第一开关(Kl)的�？サ悖咂低ǖ婪糯蟮缏肥涑龆送绷铀端揽刂械谝豢�(Ki)的常闭触点；低频通道放大电路输出端通过低通滤波器连接双刀双掷开关中第二开关(K2)的常开触点，所述第二开关(K2)的常闭触点接地；所述第一开关(Kl)的中心触点通过第一输入电阻(Rl)连接运算放大器的反相输入端，所述第二开关(K2)的中心触点通过第二输入电阻(R2)连接运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端通过接地电阻(R3)接地，运算放大器的输出端连接电压跟随器的同相输入端，运算放大器的输出端通过反馈电阻(R4)连接运算放大器的反相输入端；运算放大器的输出端同时通过反馈电路连接所述感应线圈的感应信号输入端；电压跟随器的输出端连接电压跟随器的反相输入端； 所述感应线圈的电感量为200H 350H ； 所述高频通道放大电路，由第一差分放大电路和第二差分放大电路级联组成，第一差分放大电路的增益为35dB 45dB，噪声系数小于4dB，第二差分放大电路增益为15dB 25dB ； 所述低频通道放大电路，由平衡混频斩波器、第三差分放大电路、第四差分放大电路和电子开关级联组成，平衡混频斩波器和电子开关的开关频率相同，均为2kHz 9kHz，由磁传感器的用户设备接收机决定，第三差分放大电路的增益为35dB 45dB，噪声系数小于4dB，第四差分放大电路增益为15dB 25dB ； 所述低通滤波器为ー阶有源低通滤波器，截止频率为300Hz 500Hz ； 所述反馈电路，由反馈放大器和反馈线圈级联组成，反馈放大器増益可调节，为-IOdB -15dB，反馈线圈用漆包线绕制在感应线圏外表面，电感量为O. 3H O. 6H ; 所述电压跟随器为同相输入电压跟随器。
2.如权利要求I所述的宽带磁性传感器，其特征在于 所述感应线圈由磁芯、线圈骨架和线圈构成，所述磁芯为非晶铁钴镍材料，导磁率为150000 200000，所述线圈骨架套在磁芯中间段，线圈骨架包括多个长度均匀的绕线槽，线圈在各绕线槽中分段均匀绕制； 所述反馈电路中，反馈线圈匝数为30 50匝，均匀绕制在感应线圏外表面。
3.如权利要求I所述的宽带磁性传感器，其特征在于 所述高频通道放大电路中，所述第一差分放大电路包括两个场效应管和两个运算放大器，两个场效应管的栅极分别连接所述感应线圈两端，两个场效应管的漏极分别通过偏置电路连接第一基准电压，两个场效应管的漏极分别连接两个运算放大器的反相输入端，两个运算放大器的同相输入端连接第二基准电压，两个运算放大器的输出端分别通过隔直电容连接所述第二差分放大电路的输入端，两个运算放大器的输出端之间串联三个取样电阻；两个场效应管的源极分别连接所述三个取样电阻的中间取样电阻两端； 所述第二差分放大电路为平衡输入、不平衡输出差分放大电路。
4.如权利要求3所述的宽带磁性传感器，其特征在于所述第一差分放大电路的第一基准电压和第二基准电压由基准电压生成电路产生，所述基准电压生成电路由输入分压电路、电压跟随器和输出稳压电路级联组成，电压跟随器的同相输入端连接输入分压电路的输出端，电压跟随器的输出端连接电压跟随器的反相输入端和输出稳压电路，同时输出第一基准电压，输出稳压电路的输出端输出第二基准电压；输入分压电路输入为电压跟随器的正电源。
5.如权利要求1、2、3或4所述的宽带磁性传感器，其征在于 所述低频通道放大电路中，所述平衡混频斩波器为双平衡混频器，所述第三差分放大电路结构和所述第一差分放大电路结构完全相同，区别仅在于两个场效应管的栅极分别连接所述平衡混频斩波器的两输出端，两个运算放大器的输出端分别通过隔直电容连接所述第四差分放大电路的输入端； 所述第四差分放大电路为平衡输入、平衡输出差分放大电路； 所述电子开关为平衡输入、不平衡输出电子开关。
6.如权利要求1、2、3或4所述的宽带磁性传感器，其征在于 所述反馈电路中，所述反馈放大器由两个运算放大器级联构成，反馈放大器为不平衡输入、平衡输出。
7.如权利要求5所述的宽带磁性传感器，其征在于 所述反馈电路中，所述反馈放大器由两个运算放大器级联构成，反馈放大器为不平衡输入、平衡输出。
全文摘要
一种宽带磁性传感器，属于感应式磁传感器，解决现有磁传感器在极低频段噪声过大的问题。本发明包括感应线圈、高频通道放大电路、低频通道放大电路、低通滤波器、运算放大器、电压跟随器和反馈电路，感应线圈输出信号分别送到高、低频通道放大电路，高频通道放大电路输出端连接第一开关；低频通道放大电路输出端通过低通滤波器连接第二开关；第一、第二开关中心触点分别通过第一、第二输入电阻连接运算放大器反相输入端，运算放大器输出端连接电压跟随器，并通过反馈电路连接感应线圈的感应信号输入端。本发明实现了在极低频段的低噪声放大，在感应线圈谐振频率两侧较宽频域具有平坦的幅频特性及线性相位，极大拓展了磁传感器应用频率范围。
文档编号G01V3/10GK102854535SQ20121030394
公开日2013年1月2日 申请日期2012年8月24日 优先权日2012年8月24日
发明者周志宇, 范育兵, 李文彬, 刘谋荣 申请人:中国船舶重工集团公司第七二二研究所
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