一種磁強(qiáng)計(jì)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種大動(dòng)態(tài)范圍、高精度的磁強(qiáng)計(jì)，屬于磁測(cè)量領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]磁通門傳感器是根據(jù)電磁感應(yīng)現(xiàn)象和磁飽和現(xiàn)象研制的，其結(jié)構(gòu)是一種變壓器的結(jié)構(gòu)，激勵(lì)線圈中通入周期性的交變電流信號(hào)，使軟磁磁芯在兩個(gè)過飽和狀態(tài)間周期性的被磁化，感應(yīng)線圈輸出感應(yīng)電壓信號(hào)，從而通過對(duì)感應(yīng)電壓信號(hào)中某一特征電參量的提取得到被測(cè)磁場(chǎng)。磁通門傳感器一般適合恒定磁場(chǎng)和弱磁場(chǎng)的測(cè)量。隨著電子技術(shù)、自動(dòng)控制、工程檢測(cè)的發(fā)展，磁通門技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了迅速的應(yīng)用，尤其是與計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，磁通門技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、智能化。
[0003]磁通門是一種綜合性能較好的測(cè)量弱磁場(chǎng)的傳感器，磁通門技術(shù)發(fā)展于20世紀(jì)30年代，首先由Thomas于1931年申請(qǐng)了磁通門技術(shù)的第一項(xiàng)專利。專家學(xué)者不斷對(duì)對(duì)磁現(xiàn)象的研究和實(shí)驗(yàn)，提出了磁通門的工作原理，隨后，經(jīng)過對(duì)磁通門技術(shù)以及相關(guān)技術(shù)的不斷研究，制造磁通門儀器的技術(shù)得到了改進(jìn)和完善。20世紀(jì)50年代到60年代，磁通門技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展，出現(xiàn)很多不同結(jié)構(gòu)、不同形狀的磁通門傳感器。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種微型磁通門傳感器和數(shù)字化磁通門傳感器。因此，磁通門的微型化、數(shù)字化成為了磁通門的發(fā)展趨勢(shì)。最早的微型磁通門傳感器，是由Thomas Seize研制的。鐵芯軟磁材料被濺射到硅片上，利用光刻成型，尺寸小到2X4mm2。隨后，微型螺線管磁通門于20年90年代由日本的S.Kawahit及其團(tuán)隊(duì)研制出來。自此以后，出現(xiàn)了很多種微型磁通門傳感器。由于模擬電路功耗大并對(duì)環(huán)境溫度敏感，以及DSP技術(shù)、FPGA技術(shù)等數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種數(shù)字式磁通門傳感器。
[0004]磁通門磁力儀最早被應(yīng)用在導(dǎo)航系統(tǒng)中。美國(guó)宇航局已經(jīng)將磁通門磁力儀應(yīng)用在MAGSAT地磁衛(wèi)星中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空間磁場(chǎng)中地磁標(biāo)量和矢量的測(cè)量。同時(shí)我國(guó)已將磁通門磁力儀應(yīng)用于人造衛(wèi)星的姿態(tài)控制中。在航空測(cè)磁方面，磁通門磁力儀一直到20世紀(jì)70年代都是主角，即使后來逐步被光栗磁力儀和質(zhì)子磁力儀所替代，但是磁通門磁力儀仍用于磁補(bǔ)償和飛機(jī)姿態(tài)控制。近幾十年，磁通門磁力儀在地磁臺(tái)站，石油勘探，工業(yè)探傷等方面得到了廣泛的應(yīng)用。目前，磁通門傳感器技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一門較為成熟的技術(shù)，國(guó)內(nèi)外的磁通門儀器多采用的方法為偶次諧波法。國(guó)外對(duì)磁通門磁力儀的研制較早，其產(chǎn)品也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了小型化、高精度、商品化。如英國(guó)Bartington公司生產(chǎn)的Ma - OlH分辨力達(dá)0.1nT ;加拿大生產(chǎn)的FM - 100B,其分辨力為0.4nT ;日本生產(chǎn)的MB - 162，其分辨力為0.1nT ;在國(guó)內(nèi)研制磁通門傳感器的單位主要有:中國(guó)科學(xué)院地球物理研究，研制了 CTM - 302三分量磁通門磁力計(jì)；中國(guó)地震局物理研究所，研制的DCM -1型磁通門磁力儀；麥格森斯磁學(xué)儀器(MagSens)公司生產(chǎn)的MS - 03AR型高精度磁通門傳感器，其分辨力為InT ;北京航堪儀器廠，研制的FVM - 400 ;北京地質(zhì)儀器廠，研制的CGM - 02D等。
[0005]磁通門探頭的輸出信號(hào)中只含有激勵(lì)磁場(chǎng)(頻率為f0)的偶次諧波，其中二次諧波經(jīng)相敏整流后的直流分量最大，所以在磁通門信號(hào)處理電路中通常選擇磁通門探頭輸出信號(hào)中的偶次諧波并放大，再經(jīng)過相敏整流電路轉(zhuǎn)換成直流電壓信號(hào)積分輸出表征被測(cè)磁場(chǎng)大小的直流信號(hào)，圖中Cl，C2為濾波電容?？梢钥闯龃磐ㄩT傳感器的信號(hào)處理電路相對(duì)復(fù)雜，有必要設(shè)計(jì)專用的處理電路以方便用戶使用。
[0006]本發(fā)明設(shè)計(jì)的磁強(qiáng)計(jì)，優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、探頭性能好、基波分量少、靈敏度高及穩(wěn)定性能好，優(yōu)化了磁通門磁強(qiáng)計(jì)傳感器和信號(hào)處理電路，提高了磁場(chǎng)模擬信號(hào)輸出的信噪比，增加了測(cè)量范圍，并且提高了磁通門傳感器的測(cè)量精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提出一種本發(fā)明公開了一種大動(dòng)態(tài)范圍、高精度的磁強(qiáng)計(jì)，是一種基于數(shù)字直接頻率合成器DDS的大范圍磁強(qiáng)計(jì)，優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、探頭性能好、基波分量少、靈敏度高及穩(wěn)定性能好，優(yōu)化了磁通門磁強(qiáng)計(jì)傳感器和信號(hào)處理電路，提高了磁場(chǎng)模擬信號(hào)輸出的信噪比，增加了測(cè)量范圍，并且提高了磁通門傳感器的測(cè)量精度。
[0008]為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0009]—種大動(dòng)態(tài)范圍、高精度的磁強(qiáng)計(jì)包括:基于數(shù)字頻率合成器，由數(shù)字頻率合成器，低噪聲放大器，帶通濾波器和磁通門傳感器等幾個(gè)部分組成；
[0010]AD9850是ADI公司推出的一款高集成直接頻率合成器，其由可編程DDS系統(tǒng)、高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器和高速比較器組成，能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的任意頻率波形輸出；
[0011]經(jīng)DDS輸出的信號(hào)幅值大概為IV左右，需要通過放大器達(dá)到5V才能使磁通門傳感器鐵心充磁達(dá)到完全飽和，低噪聲放大電路是磁強(qiáng)計(jì)提高噪聲比的關(guān)鍵部分；
[0012]從計(jì)數(shù)器出來的信號(hào)是方波，而我們所需要的是正弦波，因此還需經(jīng)濾波處理，在本發(fā)明中我們采用的是帶通濾波電路；
[0013]由帶通濾波器輸出的波形經(jīng)過敏感元件，在磁場(chǎng)的作用下，磁通門敏感元件的電壓敏感變化；
[0014]敏感元件的變化之很小，信噪比很低，其信號(hào)需要低噪聲放大器提高信噪比，進(jìn)行放大處理；
[0015]輸出調(diào)整電路可以調(diào)整低噪聲放大器的輸出信號(hào)，并將其進(jìn)行差分處理，可以調(diào)整電路零點(diǎn)，也可以減小電路的溫度漂移。
[0016]數(shù)字直接頻率合成器為AD9850，通過使用Ma916來控制直接數(shù)字頻率合成器AD9850，由于AD9850內(nèi)部包含有40位的頻率/相位控制字，通過并行方式連續(xù)輸入5次，每次輸入8位控制字寫入到頻率和相位控制寄存器。這40位控制字中有32位用于頻率控制，5位用于相位控制。I位用于掉電控制，2位用于選擇工作方式，通過控制寄存器使其輸出頻率為5kHz的正弦信號(hào)作為激勵(lì)。
[0017]放大器的里選用AD603對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，當(dāng)AD603第5管腳FDBK接地時(shí)，帶寬為9MHz，通過調(diào)整Rl大小就可以得到適合的輸出。
[0018]帶通濾波器為二階巴特沃斯濾波器，由于從計(jì)數(shù)器出來的信號(hào)是方波，而我們所需要的是正弦波，因此還需經(jīng)濾波處理。在本設(shè)計(jì)中我們采用的是帶通濾波電路。帶通濾波器是只允許通過某一頻段的信號(hào)，而在次頻段以外的信號(hào)將被抑制或衰減，其特性曲線如圖2所示，其中實(shí)線為理想特性，虛線為實(shí)際特性。可見在ul < u < u z的頻帶內(nèi)，有恒定的增益。而在頻帶之外，增益迅速下降，規(guī)定帶通濾波器通過頻段的寬度為帶寬，用B表示。以帶寬中點(diǎn)的角頻率稱為中心角頻率，用U O表示。如圖3所示，中心頻率為f = 5.2kHz，品質(zhì)因數(shù)Q = 5。該帶通濾波器電路選用集成芯片LF356。
[0019]磁通門傳感器為三端式結(jié)構(gòu)，兩個(gè)單軸磁通門傳感器并聯(lián)，一端作為互補(bǔ)對(duì)稱激勵(lì)信號(hào)輸入端.另一端作為磁感應(yīng)信號(hào)的輸出端。如圖4所示。三端式磁通門探頭與普通探頭的差別主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)不同。其實(shí)質(zhì)是將兩個(gè)單軸磁通門傳感器并聯(lián)，一端作為互補(bǔ)對(duì)稱激勵(lì)信號(hào)輸入端.另一端作為磁感應(yīng)信號(hào)的輸出端。三端式磁通門傳感器的特點(diǎn)表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、探頭性能好、基波分量少、靈敏度高及穩(wěn)定性能好，同時(shí)其也可以采用方波作為激勵(lì)，簡(jiǎn)化了調(diào)理電路設(shè)計(jì)。
[0020]低噪聲放大器為集成運(yùn)放LF356作