感應式磁場傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明提供了一種感應式磁場傳感器。該感應式磁場傳感器采用斬波放大技術，將來自地球深部的天然磁場的頻率范圍為0.1mHz-1kHz的低頻微弱信號斬波至數kHz的頻率上進行增益放大，再通過相同的斬波開關和有源濾波器將信號頻率降至原有范圍，克服常規運算放大器、差分放大器、三極管單管等放大元件的在0.1mHz-100Hz的自身1/f噪聲對傳感器的影響，有效降低磁場傳感器噪聲，從而在保證良好的性噪比的條件下，能夠獲取地球深部的磁場信息。
【專利說明】感應式磁場傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及電子行業資源勘探【技術領域】，尤其涉及一種感應式磁場傳感器。
【背景技術】
[0002]隨著我國國民經濟的持續快速發展，對礦產資源的需求急劇增大。但我國后備探明的礦產儲量嚴重不足，已成為制約我國經濟發展的重大瓶頸。據權威統計，我國鐵、銅、鋁、鉀鹽等大宗金屬礦產嚴重短缺，對國際市場的依賴度越來越高，目前對外的依存度已高達50%~80%，遠超出國家經濟安全的警戒線。但另一方面，據國土資源部2009發布的研究數據，受地球物理勘探技術的制約，我國礦產資源已探明的程度僅為1/3。為此，國家明確提出實施“立足國內，找礦增儲”的資源保障戰略。
[0003]在地球物理勘探裝備中，電磁法是尋找地下油氣藏、金屬礦藏的有效手段，包括大地電磁測深(MT)或音頻大地電磁測深(AMT)、海洋可控源電磁方法(CSEM)，可控源音頻大地電磁測深(CSAMT)、瞬變電磁法(TEM)、航空瞬變電磁法(ATEM)等方法。
[0004]在地球物理觀測中，寬頻帶磁場傳感器常見于MT、AMT、CSEM、CSATMT, TEM等電磁方法儀器中，也可用于地磁觀測臺、磁測衛星等平臺上磁場測量。測量頻率范圍覆蓋0.00001Hz-10kHz，靈敏度通常在10-4ηΤ/ V Ηζ-10-3ηΤ/ V Hz (IHz時)，是地球物理觀測中最為廣泛磁場測試儀器之一。
[0005]近年來，眾多研究單位開展了感應式磁場傳感器的研制，如吉林大學、中南大學、中國地質科學院等，亦有一 些階段性的研究成果公開發表在學術期刊和專利上，但是工作頻率均為IHz以上的高頻感應式磁場傳感器。究其原因，主要沒有解決低頻(0.1mHz-1Hz)微弱信號的低噪聲放大這一難題。由于電子元器件內部泛在的Ι/f噪聲，這一噪聲隨著頻率的降低，幅度線性增大，導致頻率越低的微弱信號，更易于淹沒在電子噪聲中而無法檢測。感應式磁場傳感器的工作頻率需達到0.lmHz，需解決這一難題。從目前公開的文獻可見，沒有研究者解決這一問題，因此，國內沒有成熟的可商用的感應式磁場傳感器產品。
[0006]在實現本發明的過程中， 申請人:意識到現有技術感應式磁場傳感器存在如下技術缺陷:
[0007](I)工作頻率沒有足夠低，無法獲取低頻磁場信號，現有的感應式磁場傳感器的工作頻率下限一般為IHz以上，遠遠滿足地球深部資源勘探的需求，根據頻率域電磁測深方法原理，工作頻率越低，探測深度越深，IHz對應探測深度約為500m(典型地質情況)，0.1mHz對應的探測深度超過50km。因此工作頻率直接影響勘探深度，工作頻率越低的磁場傳感器，勘探的深度越深，更加適用于地球深部資源探測；
[0008](2)靈敏度不夠高，無法獲取地下深部的微弱信號，來自地下深部的磁場信息，經過地層的衰減，信號幅度極其微弱，需要高靈敏度的磁場傳感器進行檢測，目前國內磁場傳感器的靈敏度較差，無法檢測到該微弱信號。目前，典型的天然磁場信號強度為IpT/sqrt (Hz) OlHz，如此微弱的信號，現有技術還不能檢測到。
【發明內容】

[0009](一)要解決的技術問題
[0010]鑒于上述技術問題，本發明提供了一種工作頻帶低、靈敏度高的感應式磁場傳感器。
[0011](二)技術方案
[0012]根據本發明的一個方面，提供了一種感應式磁場傳感器。該感應式磁場傳感器包括:磁芯，呈細長棒狀；感應線圈，纏繞在所述磁芯的外圍；斬波放大電路，其輸入端連接至所述感應線圈的兩端，其輸出端作為磁場傳感器的輸出端；其中，被測磁場在磁芯中產生變化的磁感應強度；該變化的磁感應強度在線圈上產生感應電壓；該感應電壓經過斬波放大電路后信號幅度增強，由斬波放大電路的輸出端輸出。
[0013](三)有益效果
[0014]從上述技術方案可以看出，本發明感應式磁場傳感器具有以下有益效果:
[0015](I)采用一種高靈敏度的斬波放大技術，將來自地球深部的天然磁場的低頻微弱信號(頻率范圍為0.1mHz-1kHz)斬波至數kHz的頻率上進行增益放大，再通過相同的斬波開關和有源濾波器將信號頻率降至原有范圍，克服常規運算放大器、差分放大器、三極管單管等放大元件的在0.1mHz-1OOHz的自身Ι/f噪聲對傳感器的影響，有效降低磁場傳感器噪聲，其自身的噪聲水平在整個觀測頻帶上約為天然磁場平均場強的1/10，從而在保證良好的性噪比的條件下，能夠獲取地球深部達50公里的磁場信息；
[0016](2)所采用高靈敏度斬波放大技術，斬波功能通過模擬開關實現，斬波控制信號采用FPGA或邏輯門電路實現，斬波功能引入的電荷注入效應采用補償網絡的方式進行抑制，補償網絡采用微小電阻和電容實現，抑制電荷注入效應的噪聲和補償網絡帶來的噪聲。斬波時序上升沿和下降沿的波形存在過沖、尖峰和毛刺，這些非理想因素引起觀測波形的準確性，在實現過程中，本發明采用采用雙頻時序和非對稱占空比波形實現這些非理想因素的抑制，即采用中心頻率為斬波時序2倍的信號，采用其信號質量良好的部分，對原有信號中的非理想部分進行補充，達到提高波形質量的目的，從而達到高精度精確測量磁場。
[0017]本發明感應式磁場傳感器可用于大地電磁測深(MT)音頻大地電磁測深(AMT)或海洋可控源電磁法(CSEM)，具有廣闊的應用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為根據本發明實施例感應式磁場傳感器的結構示意圖；
[0019]圖2為磁芯中長徑比、初始磁導率和有效磁導率之間的關系；
[0020]圖3為圖1所示感應式磁場傳感器中斬波放大工作原理示意圖；
[0021]圖4為圖1所示感應式磁場傳感器斬波放大電路中調制模塊的電路圖；
[0022]圖5為圖1所示感應式磁場傳感器斬波放大電路中放大模塊的電路圖；
[0023]圖6為圖1所示感應式磁場傳感器斬波放大電路中解調模塊的電路圖；
[0024]圖7為圖1所示感應式磁場傳感器斬波放大電路中濾波模塊的電路圖；
[0025]圖8為傳感器本底噪聲測試示意圖；
[0026]圖9為圖1所示感應式磁場傳感器的本底噪聲水平指標曲線。【具體實施方式】
[0027]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現方式，為所屬【技術領域】中普通技術人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數的示范，但應了解，參數無需確切等于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內近似于相應的值。
[0028]本發明提供了一種應用斬波放大技術的感應式磁場傳感器，其克服了常規運算放大器、差分放大器、三極管單管等放大元件的在0.1mHz-1OOHz的自身Ι/f噪聲對傳感器的影響，實現了低工作頻率、高探測精度。
[0029]在本發明的一個不例性實施例中，提供了一種感應式磁場傳感器。該感應式磁場傳感器包括:磁芯，呈細長棒狀；感應線圈，纏繞在磁芯的外圍；斬波放大電路，其輸入端連接至線圈的兩端，其輸出端作為磁場傳感器的輸出端。其中，被測磁場在磁芯中產生變化的磁感應強度；該變化的磁感應強度在線圈上產生感應電壓；該感應電壓經過斬波放大電路后信號幅度增強，由斬波放大電路的輸出端輸出。
[0030]本實施例感應式磁場傳感器的工作頻率可達范圍可達0.1mHz-lkHz，跨度可達107，其噪聲水平(噪聲水平)為天然磁場譜密度的1/5~1/10，足以精確獲取來自地球深部達50km的微弱磁場信息。
[0031]以下對本實施例感應式磁場傳感器的各個組成部分進行詳細說明。
[0032]一、磁芯
[0033]本實施例的磁芯應當滿足高磁導率和低損耗兩點要求。
[0034]磁芯的高磁導率有利于增強觀測信號的強度，本發明采用高磁導率材料-納米晶、非晶或鐵氧體，其初始磁導率為20000-80000，將該材料制作成圓柱形，長徑比約為:35-55。
[0035]通常情況下，感應信號增強的倍數μ app是由如下公式決定的:
【權利要求】
1.一種感應式磁場傳感器，其特征在于，包括: 磁芯，呈細長棒狀； 感應線圈，纏繞在所述磁芯的外圍； 斬波放大電路，其輸入端連接至所述感應線圈的兩端，其輸出端作為磁場傳感器的輸出端； 其中，被測磁場在磁芯中產生變化的磁感應強度；該變化的磁感應強度在線圈上產生感應電壓；該感應電壓經過斬波放大電路后信號幅度增強，由斬波放大電路的輸出端輸出。
2.根據權利要求1所述的感應式磁場傳感器，其特征在于，所述斬波放大電路包括: 調制模塊，與所述感應線圈的兩端相連接，用于利用預設頻率的方波，將線圈輸出的頻率介于0.1mHz-1kHz的低頻信號調制至中心頻率為3kHz的高頻信號，即斬波信號； 放大模塊，與所述調制模塊相連接，用于將斬波信號進行增益放大； 解調模塊，與放大模塊相連接，用于將增益放大的斬波信號重新解調制回頻率范圍介于0.1mHz-1kHz的低頻信號，并將放大模塊引入的Ι/f噪聲調制為頻率高于3kHz的高頻信號; 濾波模塊，與解調模塊相連接，用于對解調模塊輸出的信號進行濾波，濾除由于放大模塊所引入的Ι/f噪聲，實現有用信號的提取。
3.根據權利要求 2所述的感應式磁場傳感器，其特征在于，所述調制模塊由CMOS模擬開關芯片ADG413實現； 該CMOS模擬開關芯片ADG413的各管腳設置如下:管腳1、管腳8、管腳9、管腳16連接時鐘信號CLK ;管腳2、管腳15為信號輸出正，連接放大模塊的輸入端Vml ;管腳3和管腳11連接感應線圈輸出的正信號；管腳6、管腳14連接信號地；管腳7、管腳10號為信號輸出負，連接放大模塊的輸入端Vm2 ;管腳12連接VL ;管腳13連接VCC。
4.根據權利要求3所述的感應式磁場傳感器，其特征在于，所述解調模塊與所述調制模塊對稱，由CMOS模擬開關芯片ADG413實現； 該CMOS模擬開關芯片ADG413的各管腳設置如下:管腳I和管腳16同時接CLK信號；管腳2和管腳15分別串聯第十三電阻和第十四電阻后短接，作為本解調模塊的輸出Vdffl ;管腳3和14分別接入來自放大模塊的信號Vmal和信號Vma2 ;管腳4接電源負VSS信號；管腳5接GND信號；管腳12接VL ;管腳13接電源正VCC。
5.根據權利要求4所述的感應式磁場傳感器，其特征在于，所述第十三電阻、第十四電阻的電阻值均為IkOhm。
6.根據權利要求2所述的感應式磁場傳感器，其特征在于，所述濾波模塊由MAX4101ESA芯片實現； 該MAX4101ESA芯片的各管腳設置如下:管腳2串聯第十六電阻后接地；管腳3通過第十五電阻連接至所述解調模塊的輸入端Vdm，且該解調模塊的輸入端Vdm通過第七電容與地連接；管腳4接電源負VSS ;管腳6通過第八電容和第十七電阻的并聯電路連接到管腳2，同時管腳6為濾波模塊的輸出信號；管腳7接電源正VCC。
7.根據權利要求6所述的感應式磁場傳感器，其特征在于，其中，所述第七電容的電容值為InF ;所述第八電容的電容值為4.7nF ； 所述第十七電阻的電阻值為200k0hm;第十五電阻、第十六電阻的電阻值均為IkOhm。
8.根據權利要求2所述的感應式磁場傳感器，其特征在于，所述放大模塊包括依次串聯的第一、二、三級放大電路，其中: 所述第一級放大電路用于輸入信號低噪聲前置放大，由FET對管Ql和Q2組成，其中:Ql、Q2的G極分別連接至所述調制模塊的輸出Vml和Vm2 ；Q1和Q2的S極短接，其公共端經過電流源Il連接至供電負電壓VSS ;Q1、Q2的D極分別通過第三電阻、第四電阻連接至供電正電壓VCC，Ql、Q2的D極分別作為第一級放大電路的輸出端； 所述第二級放大電路用于將前置放大的信號功率放大，采用MAX4101ESA-U2實現，其中:管腳2依次經過第五電阻和第一電容連接至第一級放大電路中Q2的D級；管腳2依次通過第六電阻和第二電容連接至第一級放大電路Ql的D極；管腳6經過第四電容和第八電阻并聯回路和管腳2連接；管腳3經過第七電阻和第三電容的并聯電路和地連接；管腳4連接電源負VSS ;管腳7連接電源正VCC ;管腳6作為第二級放大電路的輸出端，且管腳6通過第五電容與輸出端Vma2連接，輸出端Vma2通過第十二電阻與地連接； 所述第三級放大電路用于對功率放大的信號進行極性反轉，采用MAX4101ESA-U3實現，其中:管腳2作為輸入負端，依次經過第九電阻連接至第二級放大電路中U2的管腳6 ；管腳2作為輸入正端接地，并依次通過第六電阻和第二電容連接至第一級放大電路Ql的D極；管腳2和管腳6之間采用第十電阻實現串聯回路；管腳4連接電源負VSS ;管腳7連接電源正VCC ;管腳6通過第六電容相連到輸出端Vmal，Vfflal通過第十一電阻與地連接；Vmal和Vma2作為第三級放大電路的輸入端； 其中，第三電阻和第四電阻均為3.0kOhm ;第五電阻和第六電阻相等，均為IkOhm ；第七電阻為200k0hm ;第八電阻為200k0hm ;第九電阻阻值為IkOhm;第^ 電阻為IkOhm;第十二電阻為IkOhm;第一電容和第二電容均為IOOnF;第三電容為IOpF;第四電容值為IOpF ;第五電容為IOOnF ;第六電容為100nF。
9.根據權利要求1至8中 任一項所述的感應式磁場傳感器，其特征在于，所述磁芯采用疊片形式，片與片之間采用絕緣的氧化物隔離； 所述磁芯長徑比為:35~55，其材料選自于納米晶、非晶或鐵氧體，初始磁導率為20000-80000。
10.根據權利要求1至8中任一項所述的感應式磁場傳感器，其特征在于，所述磁芯上套有環氧樹脂保護套； 所述感應線圈為漆包線線圈，其纏繞在環氧樹脂保護套上。
【文檔編號】G01R33/02GK103630853SQ201310363402
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年8月20日 優先權日:2013年8月20日
【發明者】朱萬華, 劉雷松, 方廣有 申請人:中國科學院電子學研究所