專利名稱：一種直流及低頻磁場信號檢測設備及其檢波方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種檢測設備及其檢波方法，尤其是涉及一種直流及低頻磁場信號檢 測設備及其檢波方法。
背景技術：
當被測磁場具有平行于探頭縱向的分量時，在對稱交變磁場的激勵下，磁芯的磁 狀態(tài)將發(fā)生“非對稱性”變化，磁芯外的感應線圈上的感應電壓隨外磁場的變化而變化，利 用這一機理可對磁場矢量的分量進行測量。相應的檢測裝置廣泛用于測量地球磁場、地下 管道及鐵磁物體探測、地質勘探等，也可用于電流測試。目前，探頭在電路板上固定需加工專門的安裝架和緊固件，兩者之間的電連接均 采用引線焊接方式，另外，電路常需要專用的封裝外殼，在結構上增加了整個傳感器的體 積和復雜性。近年來，相關技術人員采用微電子工藝制作了微磁測量裝置，如美國發(fā)明US 20030173962A1等，但其產品噪聲較大，難以實用化，本發(fā)明將采用與此相關的印制電路板 PCB工藝對測試裝置結構進行改進；為減小功耗，通常采用脈沖激勵方式，感應電路采用二 極管對管檢波，這使得感應回路處于間歇閉合工作狀態(tài)；由于二極管參數對溫度變化十分 敏感，致使整個測試裝置的輸出零點隨溫度的變化而變化，由此增加測試誤差，本發(fā)明采用 雙路模擬開關及三種組合狀態(tài)來解決這一問題；探頭磁芯材料具有大的非線性特性，將使 裝置的輸出信號產生非線性，本發(fā)明采用電流源電路解決這一問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明主要是解決現有技術所存在的電路常需要專用的封裝外殼，在結構上增加 了整個傳感器的體積和復雜性，而且產品噪聲較大，難以實用化等的技術問題；提供了一種 結構簡單，噪聲較小且完全實用的直流及低頻磁場信號檢測設備及其檢波方法。本發(fā)明還有一目的是解決現有技術所存在的由于二極管參數對溫度變化十分敏 感，致使整個測試裝置的輸出零點隨溫度的變化而變化，由此增加測試誤差等的技術問題； 提供了一種整個測試裝置的輸出零點不會隨溫度的變化而變化，由此很大程度上降低了測 試誤差的直流及低頻磁場信號檢測設備及其檢波方法。本發(fā)明再有一目的是解決現有技術所存在的探頭磁芯材料具有大的非線性特性， 將使裝置的輸出信號產生非線性等的技術問題；提供了一種不會使整個裝置的輸出信號產 生非線性的直流及低頻磁場信號檢測設備及其檢波方法。本發(fā)明的上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的一種直流及低頻磁場信號檢測設備，其特征在于，包括探頭裝置以及與探頭裝置 相連的檢測模塊。在上述的直流及低頻磁場信號檢測設備，所述的探頭裝置包括至少兩個設置有安 置槽并且兩端設有擋線翼的骨架，磁芯設置在安置槽內，線圈繞組繞制在所述的骨架上。在上述的直流及低頻磁場信號檢測設備，還包括設置有若干金屬化孔焊盤的擋線條，上述的擋線翼上均設有若干金屬化孔焊盤，所述的擋線條疊放并固定在擋線翼上，所述 的金屬化孔焊盤外圍均設置有覆銅層。在上述的直流及低頻磁場信號檢測設備，所述的骨架為兩根，分別為上骨架和下 骨架，上下疊放設置，插針一、插針二、插針三、插針四、插針五、插針六插針依次穿過上下骨 架的擋線條的金屬化孔焊盤以及擋線翼上的金屬化孔焊盤將上下骨架相連并固定，所述的 線圈繞組包括激勵線圈和感應線圈及反饋線圈。在上述的直流及低頻磁場信號檢測設備，激勵線圈分別以上骨架和下骨架為磁芯 繞制在上骨架和下骨架上，感應線圈以上骨架和下骨架組合整體為磁芯繞制在上骨架和下 骨架外圍并將激勵線圈包含在感應線圈內，反饋線圈以上骨架和下骨架組合整體為磁芯繞 制在上骨架和下骨架外圍并將激勵線圈以及感應線圈包含在反饋線圈內。在上述的直流及低頻磁場信號檢測設備，所述的檢測模塊包括分別設有金屬化孔 焊盤的并上下疊放的兩塊電路板，它還包括設置在電路板之間兩塊封裝條，激勵電路、感應 電路以及反饋電路均設置在封裝條之間并設置在電路板之間，所述的感應電路分別與激勵 電路以及反饋電路相連。實際使用中，為簡便計，可以將反饋線圈并入感應線圈形成具有復合功能的反饋/ 感應線圈，這時反饋電路可用一電阻替代。在上述的直流及低頻磁場信號檢測設備，所述的激勵電路包括激勵電容以及通過 與插針一和插針四與激勵電容連接的驅動器。在上述的直流及低頻磁場信號檢測設備，所述的感應電路包括通過與插針二相連 的串聯電容，以及與插針五連接的模擬開關一，串聯電容上還連接有模擬開關二，所述的模 擬開關一還分別與串聯電容以及模擬開關二相連接，感應電路還包括分別與模擬開關一以 及模擬開關二相連的單片機，以及設置在模擬開關一與模擬開關二之間的并聯電阻以及與 并聯電阻并聯的并聯電容。在上述的直流及低頻磁場信號檢測設備，所述的反饋電路包括反饋電阻一，反饋電 阻一通過運算放大器及反饋電阻二與插針三連接，所述的運算放大器輸出端與插針六相連。一種應用直流及低頻磁場信號檢測設備的檢波方法，包括以下步驟步驟1，模擬開關一斷開，模擬開關二閉合，使感應線圈上的信號電流前半波對并 聯電阻進行快速充電，且串聯電容上存儲的能量同時轉移到并聯電容上；步驟2，模擬開關一閉合，模擬開關二斷開，使感應線圈上的信號電流后半波能量 儲存在串聯電容上；步驟3，模擬開關一斷開，模擬開關二斷開，以便保持存儲在串聯電容上的能量；步驟4，重復步驟1至步驟3，使感應線圈上流過的交變信號變?yōu)檗D換為并聯電容 的與外磁場成正比的電壓信號。因此，本發(fā)明具有如下優(yōu)點1.設計合理，結構簡單，噪聲較小且完全實用；2.整 個測試裝置的輸出零點不會隨溫度的變化而變化，由此很大程度上降低了測試誤差；3.不 會使整個裝置的輸出信號產生非線性。


圖1為高導磁率低矯頑力磁芯示意圖。
圖2為“工”字形骨架結構示意圖。圖3為插針示意圖。圖4為擋線條結構示意圖。圖5為僅繞制激勵線圈的探頭結構示意圖。圖6為已繞制感應線圈與激勵線圈的探頭結構示意圖。圖7為已繞制反饋線圈及感應線圈與激勵線圈的完整的探頭結構示意圖。圖8為電路封裝條結構示意圖。圖9為檢測模塊外形結構示意圖。圖10為檢測模塊剖面結構示意圖。圖11為檢測設備電路原理圖。圖12為本發(fā)明的電壓輸出信號示意圖。圖13為本發(fā)明的結構原理圖。
具體實施例方式下面通過實施例，并結合附圖，對本發(fā)明的技術方案作進一步具體的說明。圖中， 磁芯1、骨架2、上骨架201、下骨架202、安置槽3、擋線翼4、金屬化孔焊盤5、覆銅層6、插針 一 71、插針二 72、插針三73、插針四74、插針五75、插針六76、擋線條8、激勵線圈9、線頭 10、感應線圈11、反饋線圈12、探頭13、封裝條14、電路板15、檢測模塊33、電子元件17、單 片機18、驅動器19、激勵電容20、串聯電容21、模擬開關一 221、模擬開關二 222、并聯電容 23、并聯電阻24、運算放大器25、反饋電阻一 26、反饋電阻二 27、探頭裝置30、檢測模塊31、 激勵電路34、感應電路35、反饋電路36。實施例一種直流及低頻磁場信號檢測設備，包括探頭裝置30以及與探頭裝置30相連的 檢測模塊31。探頭裝置30包括至少兩個設置有安置槽3并且兩端設有擋線翼4的骨架2， 磁芯1設置在安置槽3內，線圈繞組37繞制在所述的骨架2上。本發(fā)明還包括設置有若干 金屬化孔焊盤5的擋線條8，擋線翼4上均設有若干金屬化孔焊盤5，擋線條8疊放并固定在 擋線翼4上，所述的金屬化孔焊盤5外圍均設置有覆銅層6。如圖1，選擇磁芯1為高磁導 率和低矯頑力的非晶態(tài)帶，寬度為2mm，長為20mm。如圖2、圖3、圖4，采用印制電路板制作 工藝包括覆銅板腐蝕、金屬化、數控設備銑等制作“工”字形骨架2及擋線條8，“工”字形骨 架2上開有縱槽3，其兩端有擋線翼4，每個擋線翼4上有兩對金屬化孔焊盤5，每個擋線條 8上有三對金屬化孔焊盤5，磁芯1放在縱槽3內用硅橡膠固定，縱槽3深0. 9mm,寬2. 1mm0骨架2為兩根，分別為上骨架21和下骨架22，上下疊放設置，插針一 71、72、73、 74、75、76依次穿過上下骨架2的擋線條8的金屬化孔焊盤5以及擋線翼4上的金屬化孔焊 盤5將上下骨架2相連并固定，所述的線圈繞組37包括激勵線圈9和感應線圈11及反饋 線圈12。如圖5，在兩個“工”字形骨架2各自繞制線圈并以串聯方式引出兩線頭10，將兩 骨架相背也可相向對齊迭放焊接插針7，再對齊放置擋線條8用插針焊接成為一個整體，將 上述兩線頭10焊接在金屬化孔焊盤5內，這時，兩“工”字形骨架2上繞制的線圈形成串聯 反接組成激勵線圈9，該線圈線頭10通過覆銅層6與插針一 71及插針四74實現電連接。激勵線圈9分別以上骨架21和下骨架22為磁芯繞制在上骨架21和下骨架22上，感應線圈11以上骨架21和下骨架22組合整體為磁芯繞制在上骨架21和下骨架22外圍 并將激勵線圈9包含在感應線圈11內，反饋線圈12以上骨架21和下骨架22組合整體為 磁芯繞制在上骨架21和下骨架22外圍并將激勵線圈9以及感應線圈11包含在反饋線圈 12內。如圖6、圖7，在已繞制激勵線圈9的骨架上繞制感應線圈11及反饋線圈12，其線頭 10焊接在金屬化孔焊盤5內，感應線圈11的線頭10通過覆銅層6與插針二 72及插針五 75實現電連接，反饋線圈12的線頭10通過覆銅層6與插針三73及插針六76實現電連接， 這樣，整個雙磁芯探頭13就制作完成了。感應線圈11與反饋線圈12的疊放層次可以交換，即，可以先繞反饋線圈12，將反 饋線圈12包含在感應線圈11內，且感應線圈11可以比反饋線圈12的長度短一些。檢測模塊33包括分別設有金屬化孔焊盤5的并上下疊放的兩塊電路板15，它還包 括設置在電路板15之間兩塊封裝條14，激勵電路34、感應電路35以及反饋電路36均設置 在封裝條14之間并設置在電路板15之間，所述的感應電路35分別與激勵電路34以及反 饋電路36相連。如圖8、圖9、圖10，采用印制電路板制作工藝包括覆銅板腐蝕、金屬化、數 控設備銑等制作電路板15及封裝條14，電路板15及封裝條14上具有金屬化孔焊盤5，插 針一 71、72、73、74、75、76穿過電路板15及封裝條14上的金屬化孔焊盤5并焊接成一個整 體，電路板15之間的電連接及整個電路模塊16的電信號輸入輸出均通過插針一 71、插針 二 72、插針三73、插針四74、插針五75、插針六76實現，將電路模塊16寬度方向上的插針 一 71、72、73、74、75、76露出電路板15的部分用斜口鉗剪去，電子元件17焊接在電路板15 內側。如圖11，將探頭13與電路模塊16的相應引腳按如圖11方式連接即得到本發(fā)明的 磁場檢測裝置。激勵電路驅動器19通過激勵電容20與插針一 71和插針四74連接，單片 機18控制驅動器19在探頭13激勵線圈9中產生激勵磁場對磁芯1進行激勵，驅動器19 為MOSFET互補對管，也可用三極管互補對管替代，單片機18采用PIC16F508。當被測磁場 具有平行于探頭縱向的分量時，在對稱交變磁場的激勵下，磁芯1的磁狀態(tài)將發(fā)生“非對稱 性”變化，磁芯外的感應線圈11上的感應電壓隨外磁場的變化而變化；感應電路模擬開關 22通過串聯電容21與插針二 72和插針五75連接，并聯電容23與并聯電阻24并聯組成濾 波電路，再與模擬開關22相連接；反饋電路反饋電阻一 26通過運算放大器25及反饋電 阻二 27與插針三73c和插針六76c’連接，以補償電壓為輸入信號，以反饋線圈12為負載， 反饋電阻一 26與運算放大器25及反饋電阻二 27組成電流源電路，將補償電壓轉換成電流 在反饋線圈12中產生與外界磁場方向相反的磁場，使磁芯1受到的合成磁場減小甚至等于 零，提高檢測裝置輸出信號的線性度。一種應用直流及低頻磁場信號檢測設備的檢波方法，包括以下步驟步驟1，模擬開關一 221斷開，模擬開關二 222閉合，使感應線圈11上的信號電流 前半波對并聯電阻24進行快速充電，且串聯電容21上存儲的能量同時轉移到并聯電容23 上；步驟2，模擬開關一 221，模擬開關二 222斷開，使感應線圈11上的信號電流后半 波能量儲存在串聯電容21上；步驟3，模擬開關一 221斷開，模擬開關二 222斷開，以便保持存儲在串聯電容21 上的能量；
步驟4，重復步驟1至步驟3，使感應線圈11上流過的交變信號轉換為并聯電容23 上的與外磁場成正比的電壓信號，其比例系數約為30μ V/nT。如圖12，該圖上面的曲線表示探頭輸出的電流Ib，下圖表示與上圖對應的并聯電 容23上電壓，圖中僅繪制了兩個波形。在單片機18控制下雙路模擬開關22按如下步驟進 行循環(huán)操作第一步對應于圖12中tl時間段，即感應電流波形的前半波模擬開關一 221 斷開，模擬開關二 222閉合，使感應線圈11上的信號電流前半波對并聯電容23進行快速充 電，且串聯電容21上存儲的能量同時轉移到并聯電容23上；第二步對應于圖12中t2時間 段，即感應電流波形的后半波模擬開關一 221，模擬開關二 222斷開，使感應線圈11上的 信號電流后半波能量儲存在串聯電容21上；第三步對應于圖12中t3時間段，為節(jié)省功耗 而插入的間歇時間模擬開關一 221斷開，模擬開關二 222斷開，以便保持存儲在串聯電容 21上的能量。這三個步驟反復循環(huán)，使感應線圈11上流過的交變信號轉換為并聯電容23 上的與外磁場成正比的電壓信號，以此作為本發(fā)明的磁場檢測裝置的輸出信號，也可將該 信號的積分作為本發(fā)明的磁場檢測裝置的輸出信號，該輸出信號也是補償信號。在感應電流 波形任一半波范圍內，感應電流的符號不變，圖12中的感應電流波形對應的是被測磁場為正 的情況，這時感應電流波形前半波為正后半波為負，如被測磁場為負，則感應電流波形反向， 即，感應電流波形前半波為負后半波為正，這時，并聯電容23上得到的檢波電壓也將為負。本實施例中的激勵線圈9、感應線圈11以及反饋線圈12分別與激勵電路34、感應 電路35以及反饋電路36相連接，因此，本實施例中的插針一 71、插針二 72、插針三73、插 針四74、插針五75、插針六76與激勵線圈9、感應線圈11、反饋線圈12、激勵電路34、感應 電路35以及反饋電路36的連接方式并不是唯一方式，事實上，只要按照上述對應連接的方 式就可以了。另外，本實施例中的激勵線圈9的繞制方法，是由一根線圈串聯繞制在上骨架 21和下骨架22上，然后將上骨架21翻轉疊放在下骨架22上。另外，本專利所述探頭結構僅適用于均勻磁場情形，這時，磁場對應的磁力線為直 線，與本專利所述的直線型探頭相適應。電流通過直導線產生的磁場對應的磁力線為環(huán)形 線，當檢測由直導線產生的磁場時，探頭應改為環(huán)形。磁場可由永磁體、地球自轉、帶電流的 導線等多種源產生，其相應的裝置可能稱為永磁體檢測裝置、磁場檢測裝置或電流檢測裝 置，但無論檢測由何種源所產生的磁場或者裝置為何種名稱，但本質上均為磁場檢測裝置， 其所用探頭結構與電路的相關技術屬于本專利的保護范圍。本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術領 域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替 代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。盡管本文較多地使用了磁芯1、骨架2、上骨架201、下骨架202、安置槽3、擋線翼 4、金屬化孔焊盤5、覆銅層6、插針一 71、插針二 72、插針三73、插針四74、插針五75、插針 六76、擋線條8、激勵線圈9、線頭10、感應線圈11、反饋線圈12、探頭13、封裝條14、電路板 15、檢測模塊33、電子元件17、單片機18、驅動器19、激勵電容20、串聯電容21、模擬開關一 221、模擬開關二 222、并聯電容23、并聯電阻24、運算放大器25、反饋電阻一 26、反饋電阻二 27、探頭裝置30、檢測模塊31、激勵電路34、感應電路35、反饋電路36等術語，但并不排除 使用其它術語的可能性。使用這些術語僅僅是為了更方便地描述和解釋本發(fā)明的本質；把 它們解釋成任何一種附加的限制都是與本發(fā)明精神相違背的。
權利要求
1.一種直流及低頻磁場信號檢測設備，其特征在于，包括探頭裝置(30)以及與探頭裝 置(30)相連的檢測模塊(31)。
2.根據權利要求1所述的直流及低頻磁場信號檢測設備，其特征在于，所述的探頭裝 置(30)包括至少兩個設置有安置槽(3)并且兩端設有擋線翼(4)的骨架(2)，磁芯(1)設 置在安置槽(3)內，線圈繞組(37)繞制在所述的骨架(2)上。
3.根據權利要求1所述的直流及低頻磁場信號檢測設備，其特征在于，所述的直流及 低頻磁場信號檢測設備還包括設置有若干金屬化孔焊盤(5)的擋線條(8)，上述的擋線翼 (4)上均設有若干金屬化孔焊盤(5)，所述的擋線條(8)疊放并固定在擋線翼(4)上，所述 的金屬化孔焊盤(5)外圍均設置有覆銅層(6)。
4.根據權利要求2所述的直流及低頻磁場信號檢測設備，其特征在于，所述的骨架(2) 為兩根，分別為上骨架(201)和下骨架(202)，上下疊放設置，插針一(71)、插針二(72)、插 針三(73)、插針四(74)、插針五(75)、插針六(76)依次穿過上下骨架(2)的擋線條(8)的 金屬化孔焊盤(5)以及擋線翼(4)上的金屬化孔焊盤(5)將上下骨架(2)相連并固定，所 述的線圈繞組(37)包括激勵線圈(9)和感應線圈(11)及反饋線圈(12)。
5.根據權利要求2所述的直流及低頻磁場信號檢測設備，其特征在于，激勵線圈(9)分 別以上骨架(201)和下骨架(202)為磁芯繞制在上骨架(201)和下骨架(202)上，感應線圈 (11)以上骨架(201)和下骨架(202)組合整體為磁芯繞制在上骨架(201)和下骨架(202) 外圍并將激勵線圈(9)包含在感應線圈(11)內，反饋線圈(12)以上骨架(201)和下骨架 (202)組合整體為磁芯繞制在上骨架(201)和下骨架(202)外圍并將激勵線圈(9)以及感 應線圈(11)包含在反饋線圈(12)內。
6.根據權利要求2或3所述的直流及低頻磁場信號檢測設備，其特征在于，所述的檢 測模塊(33)包括分別設有金屬化孔焊盤(5)的并上下疊放的兩塊電路板(15)，它還包括設 置在電路板(15)之間兩塊封裝條(14)，激勵電路(34)、感應電路(35)以及反饋電路(36) 均設置在封裝條(14)之間并設置在電路板(15)之間，所述的感應電路(35)分別與激勵電 路(34)以及反饋電路(36)相連。
7.根據權利要求4所述的直流及低頻磁場信號檢測設備，其特征在于，所述的激勵電 路(34)包括激勵電容(20)以及通過與插針一(71)和插針四(74)與激勵電容(20)連接 的驅動器(19)。
8.根據權利要求5所述的直流及低頻磁場信號檢測設備，其特征在于，所述的感應電 路(35)包括通過與插針二(72)相連的串聯電容(21)，以及與插針五(75)連接的模擬開 關一(221)，串聯電容(21)上還連接有模擬開關(222)，所述的模擬開關一(221)還分別 與串聯電容(21)以及模擬開關二(222)相連接，感應電路(35)還包括分別與模擬開關一 (221)以及模擬開關二(222)相連的單片機(18)，以及設置在模擬開關一(221)與模擬開 關二(222)之間的并聯電阻(24)以及與并聯電阻(24)并聯的并聯電容(23)。
9.根據權利要求5所述的直流及低頻磁場信號檢測設備，其特征在于，所述的反饋電 路(36)包括反饋電阻一(26)，反饋電阻一(26)通過運算放大器(25)及反饋電阻二(27) 與插針三(73)連接，所述的運算放大器(25)輸出端與插針六(76)相連。
10.一種應用權利要求1所述的檢測設備的檢波方法，包括以下步驟步驟1，模擬開關一(221)斷開，模擬開關二(222)閉合，使感應線圈(11)上的信號電流前半波對并聯電阻(24)進行快速充電，且串聯電容(21)上存儲的能量同時轉移到并聯電容(23)上；步驟2，模擬開關一(221)，模擬開關二(222)斷開，使感應線圈(11)上的信號電流后半波能量儲存在串聯電容(21)上；步驟3，模擬開關一(221)斷開，模擬開關二(222)斷開，以便保持存儲在串聯電容(21)上的能量；步驟4，重復步驟1至步驟3，使感應線圈(11)上流過的交變信號轉換為并聯電容(23) 上的與外磁場成正比的電壓信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種檢測設備及其檢波方法，尤其是涉及一種直流及低頻磁場信號檢測設備及其檢波方法。一種直流及低頻磁場信號檢測設備，其特征在于，包括探頭裝置(30)以及與探頭裝置(30)相連的檢測模塊(31)。因此，本發(fā)明具有如下優(yōu)點1.設計合理，結構簡單，噪聲較小且完全實用；2.整個測試裝置的輸出零點不會隨溫度的變化而變化，由此很大程度上降低了測試誤差；3.不會使整個裝置的輸出信號產生非線性。
文檔編號G01R33/02GK102004231SQ20091006380
公開日2011年4月6日 申請日期2009年9月3日 優(yōu)先權日2009年9月3日
發(fā)明者曹宜 申請人:曹宜