一種雙差式低噪聲微弱磁信號采集處理裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種雙差式低噪聲微弱磁信號采集處理裝置，所述雙差式低噪聲微弱磁信號采集處理裝置包括：采集裝置、雙差裝置、偏置裝置、置位復(fù)位裝置。采集裝置包括第一采集電路和第二采集電路，每個采集電路包括一個由磁敏電阻和普通電阻構(gòu)成的電橋；雙差裝置接收由兩個采集電路所采集的信號，并且對所述信號進(jìn)行差分處理；偏置裝置包括地磁場測量裝置和磁場發(fā)生裝置，用于根據(jù)地磁場的強(qiáng)度產(chǎn)生抵消磁場；置位復(fù)位裝置包括螺線圈和置位復(fù)位電源，用于生成強(qiáng)磁場。本發(fā)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沖干擾，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采集處理裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及磁信號測量領(lǐng)域，具體涉及一種雙差式低噪聲微弱磁信號采集處理裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技的不斷發(fā)展與人們生活水平的不斷提高，微弱磁場在世界范圍內(nèi)的使用越來越廣泛，利用高精度檢測技術(shù)實現(xiàn)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(dǎo)航、地磁場測量、空間磁場測量等領(lǐng)域起到非常重要的作用。磁傳感器是一種能把磁場轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電信號的轉(zhuǎn)換器。用來實現(xiàn)磁傳感器的原理有很多，例如霍爾效應(yīng)、磁阻效應(yīng)、巨磁阻效應(yīng)、巨磁阻抗效應(yīng)、核進(jìn)動、超導(dǎo)量子干涉儀、磁彈性效應(yīng)等。
[0003]在超高精度磁測量領(lǐng)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于分析人體健康狀況起到里程碑的意義。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(qiáng)計、探測線圈磁強(qiáng)計、磁通門磁強(qiáng)計、巨磁阻抗磁強(qiáng)計、超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)。
[0004]由于我們身邊有各種各樣的電磁場干擾，這些磁場在我們米集有用信號時會產(chǎn)生較大的誤差影響，并且如果要采集的是信號比較弱的微弱電磁場時，很可能我們經(jīng)過放大電路以后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(dāng)中。當(dāng)然，我們可以采取金屬隔離法來在一個密閉的環(huán)境中去測量采集有用的信號，但是這會存在最基本的倆個問題:第一，只要我們運(yùn)用電子設(shè)備就會對有用信號造成干擾。第二，建造一個能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的金屬隔離屋難度太大。
[0005]為消除噪聲的干擾問題，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沖噪聲干擾。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對上述問題，本發(fā)明希望提供一種新的雙差式低噪聲微弱信號采集處理裝置，其能夠消除噪聲干擾的影響。
[0007]具體而言，本發(fā)明提供了一種雙差式低噪聲微弱信號采集處理裝置，所述微磁信號采集處理裝置包括:采集裝置、雙差裝置、偏置裝置、置位復(fù)位裝置，其特征在于，
[0008]所述采集裝置包括第一采集電路和第二采集電路，每個采集電路包括一個由磁敏電阻和普通電阻構(gòu)成的電橋；
[0009]所述雙差裝置接收由兩個采集電路所采集的信號，并且對所述信號進(jìn)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(fā)生裝置，用于根據(jù)地磁場的強(qiáng)度產(chǎn)生抵消磁場；
[0011]所述置位復(fù)位裝置包括螺線圈和置位復(fù)位電源，用于生成強(qiáng)磁場。
[0012]進(jìn)一步地，所述第一采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(lián)連接構(gòu)成所述第一采集電路的第一橋，所述第二磁敏電阻與所述第二電阻順序串聯(lián)連接構(gòu)成所述第一采集電路的第二橋，所述第一橋和所述第二橋并聯(lián)連接，并且兩橋的第一端連接至電源VCC，第二端接地。
[0013]進(jìn)一步地，所述第二采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(lián)連接構(gòu)成所述第二采集電路的第一橋，所述第四磁敏電阻與所述第四電阻順序串聯(lián)連接構(gòu)成所述第二采集電路的第二橋，并且所述第二采集電路的第一橋和所述第二采集電路的第二橋并聯(lián)連接，且兩橋的第一端連接至電源VCC，第二端接地，所述第二采集電路的第一橋的中點連接至第一電容，所述第二采集電路的第二橋的中點連接至第二電容。
[0014]進(jìn)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，所述第一采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，所述第二采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(fù)輸入端。
[0015]進(jìn)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，所述第一采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，所述第一采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(fù)輸入端。
[0016]進(jìn)一步地，所述地磁測量裝置能夠測量出地磁場的強(qiáng)度和方向，所述磁場發(fā)生裝置基于所述地磁測量裝置所測出的地磁場的強(qiáng)度和方向產(chǎn)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]由于微弱磁信號在檢測時會遇到很多噪聲的干擾，本發(fā)明為了實現(xiàn)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沖干擾，能夠使傳感器有效地測量出所需要的微弱磁信號，盡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(jù)本發(fā)明一個實施例的傳感器的整體電路示意圖；
[0019]圖2為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的傳感器中的置位復(fù)位裝置的線圈的示意圖；
[0020]圖3為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的傳感器中的采集電路的示意圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施例進(jìn)行詳細(xì)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采集處理裝置主要包括四個部分:采集裝置、雙差裝置、偏置裝置、置位復(fù)位裝置。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)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(xiàn)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，并且該傳感器中的電路可以以立體方式呈現(xiàn)，而不限于平面結(jié)構(gòu)。
[0023]采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(dāng)外界環(huán)境中存在磁場時磁敏電阻的電阻值發(fā)生變化，使電壓輸出產(chǎn)生相應(yīng)的變化(圖中帶箭頭的電阻代表磁敏電阻)。如圖1所示，采集裝置包括第一采集電路和第二采集電路。圖1中兩個呈“凹”字形的電路即分別為第一采集電路和第二采集電路。
[0024]圖1中左側(cè)的“凹”字形電路為第一采集電路(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(lián)連接構(gòu)成第一采集電路的第一橋(內(nèi)側(cè)電橋)，第二磁敏電阻與第二電阻順序串聯(lián)連接構(gòu)成第一采集電路的第二橋(外側(cè)電橋)，第一采集電路的第一橋和第二橋并聯(lián)連接，并且兩個電橋的左側(cè)連接點連接至電源VCC，右側(cè)連接點接地。
[0025]圖1中右側(cè)的“凹”字形電路為第二采集電路，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(lián)連接構(gòu)成第二采集電路的第一橋(內(nèi)側(cè)電橋)，第四磁敏電阻與第四電阻順序串聯(lián)連接構(gòu)成第二采集電路的第二橋(外側(cè)電橋)，并且第二采集電路的第一橋和第二采集電路的第二橋并聯(lián)連接，且兩個電橋的左側(cè)連接點連接至電源VCC，右側(cè)連接點接地，第二采集電路的第一橋的中點連接至第一電容，第二采集電路的第二橋的中點連接至第二電容。
[0026]第一采集電路和第二采集電路的電橋的中點作為兩個采集電路的輸出。兩個采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采集電路所采集的信號，并且對信號進(jìn)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，第一采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，第二采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(fù)輸入端，在電阻R2和第一電容之間還可以添加二極管。
[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，第一采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，第二采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(fù)輸入端，在電阻R5和第二電容之間可以添加另一二極管。
[0029]偏置裝置包括地磁場測量裝置和磁場發(fā)生裝置，用于根據(jù)地磁場的強(qiáng)度產(chǎn)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(fā)生裝置。地磁測量裝置能夠測量出地磁場的強(qiáng)度和方向，然后，偏置電路能夠基于地磁測量裝置所測出的地磁場的強(qiáng)度和方向產(chǎn)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，偏置電路采用具有限流電阻的直線導(dǎo)線，置于整個裝置的上部或下部。當(dāng)確定了地磁場強(qiáng)度以后，可以根據(jù)地磁場確定需要的電流強(qiáng)度，然后，通過電源驅(qū)動電流通過導(dǎo)線，進(jìn)而精確地抵消測量磁場。這被稱作閉環(huán)結(jié)構(gòu)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，由于有很多脈沖電流的大小難以確定，僅僅消除地磁場并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(jìn)行差分。
[0031]如圖2所示，置位復(fù)位裝置包括螺線圈，用于生成強(qiáng)磁場。螺線圈由電源供電(圖中未不出)。當(dāng)傳感器暴露于干擾磁場中時，傳感器兀件會分成若干方向隨機(jī)的磁區(qū)域，從而導(dǎo)致靈敏度衰減。因此，采用螺線圈生成強(qiáng)磁場則可以重新將磁區(qū)域?qū)?zhǔn)統(tǒng)一到一個方向上，這樣將確保高靈敏度和可重復(fù)的讀數(shù)。如果施加反向脈沖，則反向脈沖(復(fù)位)可以以相反的方向旋轉(zhuǎn)磁區(qū)域的方向，并改變傳感器輸出的極性。
[0032]工作過程:
[0033]本發(fā)明首先通過地磁場測量裝置測量出地磁場的強(qiáng)度，然后，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]然后，本發(fā)明采用兩個相同的采集電路對磁信號進(jìn)行采集，只是在第二采集電路的輸出處，分別添加了一個電容。這樣，第一采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；而第二采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]然后，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，將第二采集電路的第一橋的輸出信號輸出到第一減法電路的負(fù)輸入端，然后，通過減法器對兩信號進(jìn)行減法運(yùn)算，則可以獲得第一采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，將第一采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，將第二采集電路的第二橋的輸出信號輸出到第二減法電路的負(fù)輸入端，然后，通過減法器對兩信號進(jìn)行減法運(yùn)算，則可以獲得第一采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(fā)明的傳感器的兩個輸出，既可以根據(jù)磁敏電阻的電橋的原理獲得待測磁場的強(qiáng)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(diào)取減法電路的輸出與相應(yīng)磁場的對應(yīng)關(guān)系表格，并且，處理器基于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(dāng)進(jìn)行一段時間采集之后，或者重新進(jìn)行采集時，需要驅(qū)動重置復(fù)位裝置，產(chǎn)生強(qiáng)磁場，以便對本發(fā)明的傳感器的工作環(huán)境進(jìn)行重置?？蛇x地，重置復(fù)位裝置的線圈可以包圍本發(fā)明的傳感器，即，位于傳感器的外圍。
[0039]優(yōu)選地,所述重置復(fù)位裝置的驅(qū)動電流為0.78A-1.5A。所述偏置裝置的位于傳感器的頂部，與傳感器之間具有一定距離，優(yōu)選為5cm-7cm，更優(yōu)選地為6cm。所述第一電容和所述第二電容彼此間隔開，優(yōu)選間隔距離大于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，附圖僅用于對本發(fā)明的原理進(jìn)行說明，并非意在對本發(fā)明進(jìn)行限制。而且，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，上述實施例中并不構(gòu)成對本發(fā)明的保護(hù)范圍的限制。
【權(quán)利要求】
1.一種雙差式低噪聲微弱磁信號采集處理裝置，所述雙差式低噪聲微弱磁信號采集處理裝置包括:采集裝置、雙差裝置、偏置裝置、置位復(fù)位裝置，其特征在于， 所述采集裝置包括第一采集電路和第二采集電路，每個采集電路包括一個由磁敏電阻和普通電阻構(gòu)成的電橋，所述第二采集電路還包括直流過濾裝置； 所述雙差裝置接收由兩個采集電路所采集的信號，并且對所述信號進(jìn)行減法處理； 所述偏置裝置包括地磁場測量裝置和磁場發(fā)生裝置，用于根據(jù)地磁場的強(qiáng)度產(chǎn)生抵消磁場； 所述置位復(fù)位裝置包括螺線圈和置位復(fù)位電源，用于生成強(qiáng)磁場。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙差式低噪聲微弱磁信號采集處理裝置，其特征在于，所述第一采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(lián)連接構(gòu)成所述第一采集電路的第一橋，所述第二磁敏電阻與所述第二電阻順序串聯(lián)連接構(gòu)成所述第一采集電路的第二橋，所述第一橋和所述第二橋并聯(lián)連接，并且兩橋的第一端連接至電源VCC，第二端接地。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙差式低噪聲微弱磁信號采集處理裝置，其特征在于，所述第二采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(lián)連接構(gòu)成所述第二采集電路的第一橋，所述第四磁敏電阻與所述第四電阻順序串聯(lián)連接構(gòu)成所述第二采集電路的第二橋，并且所述第二采集電路的第一橋和所述第二采集電路的第二橋并聯(lián)連接，且兩橋的第一端連接至電源VCC，第二端接地，所述第二采集電路的第一橋的中點連接至第一電容，所述第二采集電路的第二橋的中點連接至第二電容。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙差式低噪聲微弱磁信號采集處理裝置，其特征在于，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，所述第一采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，所述第二采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(fù)輸入端。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙差式低噪聲微弱磁信號采集處理裝置，其特征在于，所述第二差分電路包括電阻R4、R5、R6和第二減法器LM358，所述第一采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，所述第一采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(fù)輸入端。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙差式低噪聲微弱磁信號采集處理裝置，其特征在于，所述地磁測量裝置能夠測量出地磁場的強(qiáng)度和方向，所述磁場發(fā)生裝置基于所述地磁測量裝置所測出的地磁場的強(qiáng)度和方向產(chǎn)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(yōu)先權(quán)日:2014年2月14日
【發(fā)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(xué)