專利名稱：低噪聲感應(yīng)式磁傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于地磁變化磁場觀測的裝置，尤其涉及一種用于空間等離子體和地磁脈動(dòng)觀測的低噪聲感應(yīng)式磁傳感器。
背景技術(shù)：
感應(yīng)式磁傳感器因其噪聲低、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于地磁變化磁場的觀測中，特別適用于變化磁場中的地磁脈動(dòng)和ULF(Ultra Low Frequency，超低頻)信號觀測。目前，國內(nèi)的此類傳感器均采用電補(bǔ)償方式，即根據(jù)感應(yīng)線圈的幅頻特性設(shè)計(jì)后級補(bǔ)償電路，使后級補(bǔ)償電路的幅頻特性與感應(yīng)線圈的幅頻特性相反，從而保證傳感器在一定的頻率范圍內(nèi)獲得較平坦的頻率特性。其結(jié)構(gòu)雖然能夠滿足一定的探測需要，但探測頻帶較窄，適用范圍受到一定限制，同時(shí)，其采用板條疊裝成長方體的鐵芯作為磁芯材料， 導(dǎo)磁系數(shù)較低，使得制成的傳感器體積和重量較大，信噪比較低，分辨率較差，給后期使用帶來不便。如何對現(xiàn)有磁傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以擴(kuò)展探測頻帶寬度、提高使用效果，就成為本實(shí)用新型要解決的問題。
發(fā)明內(nèi)容鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)和傳感器結(jié)構(gòu)的不足，本實(shí)用新型旨在利用磁通負(fù)反饋的方式，使磁傳感器在低頻段獲得平坦的靈敏度曲線，較大地拓寬儀器的觀測頻帶，從而保證探測效果，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確探測。本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的低噪聲感應(yīng)式磁傳感器，包括殼體和位于殼體內(nèi)的磁感應(yīng)探頭，磁感應(yīng)探頭中磁芯固定在磁芯骨架上，感應(yīng)線圈纏繞在磁芯上，還包括與磁感應(yīng)探頭形成閉合的磁通負(fù)反饋回路的信號處理單元，以及纏繞在感應(yīng)線圈外側(cè)、與信號處理單元連通的反饋線圈，信號處理單元固定在磁感應(yīng)探頭一端，并且被密封在殼體內(nèi)，磁感應(yīng)探頭通過引出排線與信號處理單元連通。所述信號處理單元包括模擬信號處理電路板和用于固定電路板的電路板支架，電路板支架固定在磁芯的外端上；模擬信號處理電路板包括順序電連接的一級RC低通濾波器、低噪聲前置運(yùn)算放大器和調(diào)制解調(diào)放大器，以及連接在調(diào)制解調(diào)放大器輸出端與反饋線圈之間的深度負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)；一級RC低通濾波器的輸入端連接在感應(yīng)線圈的引出排線上。所述信號處理單元還包括激勵(lì)信號發(fā)生電路和相移電路，激勵(lì)信號發(fā)生電路和相移電路順序連接在感應(yīng)線圈與調(diào)制解調(diào)放大器輸入端之間的連接支路上。所述信號處理單元還包括低通濾波器和低噪聲后置運(yùn)算放大器，低通濾波器和低噪聲后置運(yùn)算放大器順序連接在調(diào)制解調(diào)放大器的輸出端上。所述磁芯為棒型。[0012]所述感應(yīng)線圈和反饋線圈為分段繞制。在具體應(yīng)用領(lǐng)域中，如在地震開始前，巖石發(fā)生裂縫引起的張力，會引起各種頻率的電磁波產(chǎn)生，其中低頻電磁波能穿透大氣層進(jìn)入太空。這種現(xiàn)象在地震發(fā)生前幾個(gè)小時(shí)， 低頻信號會增強(qiáng)，在地震后，訊號則會減弱。研制低噪聲感應(yīng)式磁傳感器，使其儀器頻帶范圍達(dá)到0. 03 10Hz，通過觀測不同緯度地區(qū)的地磁擾動(dòng)現(xiàn)象和低頻電磁信號異常，就可為地震短臨預(yù)測提供有力的證據(jù)。本實(shí)用新型所述的低噪聲感應(yīng)式磁傳感器的有益效果為采用磁反饋方法，將感應(yīng)信號放大后轉(zhuǎn)換成電流量，利用繞在感應(yīng)線圈外側(cè)的反饋線圈產(chǎn)生磁場對被測磁場形成磁通負(fù)反饋，使磁傳感器形成閉合的磁通負(fù)反饋回路，從而獲得了磁傳感器在低頻段平坦的靈敏度曲線，較大地拓寬了儀器的觀測頻帶，擴(kuò)展了適用范圍；同時(shí)，采用經(jīng)高溫絕緣處理的棒型坡莫合金高導(dǎo)磁率軟磁材料做磁芯，不僅提高了導(dǎo)磁系數(shù)，縮小了磁傳感器的體積，減輕了重量，還使后期使用更方便、靈活。處理后的探測信號，信噪比高、噪聲低、頻帶寬，可實(shí)現(xiàn)對地磁變化磁場信息的有效捕捉和監(jiān)測，特別是對地震短臨預(yù)測具有非常高的現(xiàn)實(shí)意義。

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型所述信號處理單元的結(jié)構(gòu)原理圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型做進(jìn)一步的描述如圖1所示，本實(shí)用新型所述的低噪聲感應(yīng)式磁傳感器，包括殼體1、磁感應(yīng)探頭和與磁感應(yīng)探頭形成閉合的磁通負(fù)反饋回路的信號處理單元。磁感應(yīng)探頭和信號處理單元分別封裝在殼體1內(nèi)。其中，磁感應(yīng)探頭中包括磁芯7、磁芯骨架2、感應(yīng)線圈4和起到磁通負(fù)反饋的反饋線圈3。磁芯7固定在磁芯骨架2上，感應(yīng)線圈4纏繞在磁芯7上，反饋線圈3纏繞在感應(yīng)線圈4外側(cè)。磁感應(yīng)探頭整體位于殼體1內(nèi)，以方便在戶外安全、可靠地使用。磁感應(yīng)探頭通過引出排線與信號處理單元連通。為提高磁傳感器的導(dǎo)磁系數(shù)，縮小傳感器的體積、減輕重量，提高線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢，磁芯7采用經(jīng)高溫絕緣處理的、棒型1J79坡莫合金高導(dǎo)磁率軟磁材料制成，而為減少線圈的分布電容，提高磁傳感器的靈敏度，感應(yīng)線圈4和反饋線圈3分別采用直徑為0. 15mm 的高導(dǎo)電率銅漆包線分段繞制而成，本例中線圈被繞制成5段，并且相互串聯(lián)而成。當(dāng)通過感應(yīng)線圈4的磁場發(fā)生變化時(shí)，在線圈兩端會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，感應(yīng)電壓的大小會受磁芯截面面積、線圈匝數(shù)、有效磁導(dǎo)率和被測信號的頻率等因素影響。而反饋線圈3則會在信號處理單元的作用下，隨著感應(yīng)電壓的產(chǎn)生在磁芯7上也產(chǎn)生一個(gè)磁場，對被測磁場形成磁通負(fù)反饋，在磁傳感器上形成閉合的磁通負(fù)反饋回路，從而獲得了磁傳感器在低頻段的平坦的靈敏度曲線，較大地拓寬了磁傳感器的觀測頻帶，避免了現(xiàn)有傳感器中使用電補(bǔ)償方式帶來的頻帶較窄的弊端。信號處理單元包括模擬信號處理電路板6和電路板支架5。信號處理單元位于磁感應(yīng)探頭的一側(cè)，并一起密封在殼體1內(nèi)。電路板支架5固定連接在磁芯7的一端外側(cè)，模擬信號處理電路板6固定在電路板支架5上。如圖2所示，模擬信號處理電路板包括順序電連接的一級RC低通濾波器11、低噪聲前置運(yùn)算放大器12、調(diào)制解調(diào)放大器13、低通濾波器14和低噪聲后置運(yùn)算放大器15，其中，在調(diào)制解調(diào)放大器13輸出端與磁感應(yīng)探頭10的反饋線圈之間還連接有深度負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)18，而在感應(yīng)線圈與調(diào)制解調(diào)放大器輸入端之間的連接支路上還順序連接有激勵(lì)信號發(fā)生電路17和相移電路16。一級RC低通濾波器11的輸入端連接在磁感應(yīng)探頭10的感應(yīng)線圈的引出排線上， 其可對磁感應(yīng)探頭10被動(dòng)拾取的帶有干擾的外界磁場信息進(jìn)行首次干擾信息濾除。低噪聲前置運(yùn)算放大器12連接在一級RC低通濾波器11的輸出端上，其對過濾后的微弱信號進(jìn)行放大。由于磁感應(yīng)探頭10的輸出信號幅度與外磁場的頻率成正比，受低頻信號靈敏度較低的影響，在低噪聲前置運(yùn)算放大器12的輸出端還連接有調(diào)制解調(diào)放大器13，調(diào)制解調(diào)放大器13可對低頻端信號進(jìn)行放大，從而獲得更高的信噪比。低通濾波器14和后置運(yùn)算放大器15順序連接在調(diào)制解調(diào)放大器13的輸出端上，其可對輸出信號做進(jìn)一步地濾除干擾和信號放大，以保證輸出信號的效果。激勵(lì)信號發(fā)生電路17分別為前端的磁感應(yīng)探頭提供載波信號和后續(xù)的調(diào)制解調(diào)電路提供基帶信號，相移電路16調(diào)節(jié)載波信號和基帶信號的相位差。如圖1、圖2所示，使用中，低噪聲感應(yīng)式磁傳感器的磁芯7不斷接收地磁擾動(dòng)信號或超低頻信號，在感應(yīng)線圈4上相應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，并通過引出排線接入到信號處理單元的一級RC低通濾波器11中，經(jīng)首次干擾信息濾除后，再經(jīng)低噪聲前置運(yùn)算放大器12進(jìn)行微弱信號放大，受低頻信號靈敏度較低的影響，放大后信號被送入到調(diào)制解調(diào)放大器13 中，從而獲得了較高的信噪比信號，噪聲性能能達(dá)到PT級。由于感應(yīng)信號被放大后轉(zhuǎn)換成了電流量，利用深度的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)18，繞在感應(yīng)線圈4外側(cè)的反饋線圈3會產(chǎn)生磁場對被測磁場形成磁通負(fù)反饋，使磁傳感器內(nèi)形成閉合的磁通負(fù)反饋回路，從而使磁傳感器在低頻段0. 03 IOHz內(nèi)獲得平坦的靈敏度曲線，極大地拓寬了儀器的觀測頻帶。同時(shí)，由激勵(lì)信號發(fā)生電路17和相移電路16形成的閉環(huán)回路，還可有效降低磁傳感器的噪聲和溫漂，并使磁傳感器的傳輸函數(shù)變?yōu)槌?shù)。為進(jìn)一步提高探測信號的輸出效果，調(diào)制解調(diào)放大器13 的輸出端輸出的信號還被低通濾波器14再次進(jìn)行干擾信號濾除，同時(shí)，后置運(yùn)算放大器15 對信號再次進(jìn)行信號放大，這樣，分辨率高、噪聲低、頻帶寬的捕捉地磁變化磁場信息才被最終有效輸出，整個(gè)探測過程完成。
權(quán)利要求1.低噪聲感應(yīng)式磁傳感器，包括殼體和位于殼體內(nèi)的磁感應(yīng)探頭，所述磁感應(yīng)探頭中磁芯固定在磁芯骨架上，感應(yīng)線圈纏繞在磁芯上，其特征在于，還包括與磁感應(yīng)探頭形成閉合的磁通負(fù)反饋回路的信號處理單元，以及纏繞在感應(yīng)線圈外側(cè)、與信號處理單元連通的反饋線圈，所述信號處理單元固定在磁感應(yīng)探頭一端，并且被密封在殼體內(nèi)，磁感應(yīng)探頭通過引出排線與信號處理單元連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低噪聲感應(yīng)式磁傳感器，其特征在于，所述信號處理單元包括模擬信號處理電路板和用于固定電路板的電路板支架，所述電路板支架固定在磁芯的外端上；所述模擬信號處理電路板包括順序電連接的一級RC低通濾波器、低噪聲前置運(yùn)算放大器和調(diào)制解調(diào)放大器，以及連接在調(diào)制解調(diào)放大器輸出端與反饋線圈之間的深度負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)；所述一級RC低通濾波器的輸入端連接在感應(yīng)線圈的引出排線上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低噪聲感應(yīng)式磁傳感器，其特征在于，所述信號處理單元還包括激勵(lì)信號發(fā)生電路和相移電路，所述激勵(lì)信號發(fā)生電路和相移電路順序連接在感應(yīng)線圈與調(diào)制解調(diào)放大器輸入端之間的連接支路上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的低噪聲感應(yīng)式磁傳感器，其特征在于，所述信號處理單元還包括低通濾波器和低噪聲后置運(yùn)算放大器，所述低通濾波器和低噪聲后置運(yùn)算放大器順序連接在調(diào)制解調(diào)放大器的輸出端上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低噪聲感應(yīng)式磁傳感器，其特征在于，所述磁芯為棒型。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低噪聲感應(yīng)式磁傳感器，其特征在于，所述感應(yīng)線圈和反饋線圈為分段繞制。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種低噪聲感應(yīng)式磁傳感器，包括殼體、位于殼體內(nèi)的磁感應(yīng)探頭和信號處理單元，感應(yīng)線圈纏繞在磁芯上，反饋線圈纏繞在感應(yīng)線圈外側(cè)，信號處理單元固定在磁感應(yīng)探頭一端，并與磁感應(yīng)探頭形成閉合的磁通負(fù)反饋回路。利用反饋線圈產(chǎn)生磁場對被測磁場形成磁通負(fù)反饋，獲得磁傳感器在低頻段平坦的靈敏度曲線，較大地拓寬了儀器的觀測頻帶，同時(shí)，選用經(jīng)高溫絕緣處理的棒型坡莫合金高導(dǎo)磁率軟磁材料做磁芯，提高了導(dǎo)磁系數(shù)，縮小了磁傳感器體積，減輕了重量。處理后的探測信號信噪比高、噪聲低、頻帶寬，可有效實(shí)現(xiàn)對地磁變化磁場信息的有效捕捉和監(jiān)測，特別適于在地震短臨預(yù)測中使用。
文檔編號G01V3/40GK202171648SQ20112027204
公開日2012年3月21日 申請日期2011年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月29日
發(fā)明者滕云田, 王喜珍, 王曉美, 王晨, 胡星星, 范曉勇, 馬潔美 申請人:中國地震局地球物理研究所