CN106324542A - 一种三轴去耦自调零磁通门磁强计零点测量电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三轴去耦自调零磁通门磁强计零点测量电路，采用低功耗温控晶振构成的双极性间歇脉冲激励单元对铁芯进行激励；采用温控晶振稳定工作频率，采用双极性激励方式使铁芯实时退磁，采用间歇脉冲电压激励波形大幅度降低功耗；通过低阻开关控制恒压源对铁芯激励，大幅度提高激励单元的能量利用效率；本发明提供的这种磁强计零点测量电路对三轴磁探头采用弱耦合方式安装，通过优化三轴磁探头的相对位置，降低三轴耦合误差，采用零点自动测量电路，可以编程控制对电路零点的在线检测，可用于磁场测量和磁性物体探测领域。

Description

一种三轴去耦自调零磁通门磁强计零点测量电路

技术领域

本发明属于磁场测量或磁强计技术领域，更具体地，涉及一种三轴去耦自调零磁通门磁强计零点测量电路。

背景技术

磁通门磁强计是精密的磁场矢量测量仪器，广泛用于卫星、地磁科学观测、资源勘探、弱磁场测量、工业控制以及军事应用等领域。对磁通门磁强计的基本要求精度高、分辨率高、长期工作零点稳定性好、线性度好、攻耗低。但是，各项技术指标的提高需要很高的代价，有些指标互相制约，比如，为保持长期工作零点稳定性，目前常用双铁芯、环形或跑道形铁芯结构，并采用正弦电流过饱和激励，典型分辨率为1.0nT，零点长期漂移可以做到10nT以下，但由此带来了很大的能耗，使功耗达几瓦甚至几十瓦以上，限制了磁通门磁强计在低功耗领域的应用。

在毫瓦量级低功耗应用领域，目前常用的磁通门铁芯结构有单铁芯、双铁芯、环形或跑道形铁芯，通常采用脉冲电压激励方式。为了使磁强计功耗低至毫瓦量级，多采用脉冲宽度较窄的激励波形；磁强计探头铁芯的工作状态不稳定，受时间和温度影响很大，使得磁强计的输出噪声较大，电路零点的温漂和时漂严重，目前毫瓦量级低功耗磁通门的分辨率为5～10nT，但长期零点漂移在100nT以上，难以应用于精密测量领域。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种三轴去耦自调零磁通门磁强计零点测量电路，其目的在于在保持磁通门磁强计高分辨率、高稳定性的同时，降低其检测功耗。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种三轴去耦自调零磁通门磁强计零点测量电路，包括激励单元、激励线圈、信号线圈、反馈电路、零点测量控制电路、同步检波控制电路、放大检波积分电路和微处理单元；

其中，激励线圈缠绕在磁强计探头铁芯的一端，信号线圈与激励线圈匹配，缠绕在磁强计探头铁芯的另一端；

激励线圈的一端连接激励单元的第一输出端，另一端接地；零点测量控制电路的第一输入端和第二输入端分别与信号线圈的两端连接，第三输入端与微处理单元的输出端连接，第四输入端与反馈电路的输出端连接；放大检波积分电路的第一输入端与零点测量控制电路的输出端连接，第二输入端与同步检波控制电路的输出端连接；同步检波控制电路的输入端与激励单元的第二输出端连接；反馈电路的输入端与放大检波积分电路的输出端连接；微处理单元的输入端也与放大检波积分电路的输出端连接。

优选的，上述三轴去耦自调零磁通门磁强计零点测量电路，其激励单元采用频率稳定的双极性间歇脉冲电压激励电路。

优选的，上述三轴去耦自调零磁通门磁强计零点测量电路，其激励单元包括方波信号发生单元、计数译码电路、第一储能单元和第二储能单元；

其中，计数译码电路的输入端与方波信号发生单元的输出端连接；第一储能单元的第一端与计数译码电路的第一输出端连接，电源端用于连接外部恒压源；

第二储能单元的第一端与计数译码电路的第二输出端连接，第二端连接第一储能单元的的第二端、第三端连接第一储能单元的第三端、第四端接地、第五端连接激励线圈；

通过方波信号发生单元生成频率与宽度稳定的，正负对称的间歇脉冲电压波形；在该电压波形与储能单元的作用下，接通正负恒压源对铁芯进行直接激励；尽可能减小激励回路其它部分的压降损耗，使激励电压压降绝大部分加在激励线圈两端，由此大幅度提高激励单元的能量利用效率，进而降低激励攻耗，提高磁强计的零点稳定性。

优选的，上述三轴去耦自调零磁通门磁强计零点测量电路，其方波信号发生单元采用温控晶振，产生频率稳定的方波信号，具有低功耗的特点。

优选的，上述低功耗三轴去耦自调零磁通门磁强计，其第一储能单元包括第一低阻开关和第一二极管；其中，第一低阻开关的第一端作为第一储能单元的第一端，用于连接计数译码电路的第一输出端；第二端与第一二极管的第一端连接，其连接端作为第一储能单元的电源端，用于连接外部恒压源；第三端作为第一储能单元的第二端；第一二极管的第二端则作为第一储能单元的第三端。

优选的，上述三轴去耦自调零磁通门磁强计零点测量电路，其第二储能单元包括第二低阻开关、第二二极管和电容；

其中，第二低阻开关的第一端作为第二储能单元的第一端，用于连接计数译码电路的第二输出端，第二端作为第二储能单元的第二端，第三端接地；第二二极管的第一端与电容的第一端相连，其连接端作为第二储能单元的第三端，第二二极管的第二端接地；电容的第二端用于连接激励线圈；

采用低阻开关控制恒压源激励铁芯，使得激励电压绝大部分降落在激励线圈两端，以保证激励单元极高的能量利用效率。

优选的，上述三轴去耦自调零磁通门磁强计零点测量电路，安装采用三轴探头弱耦合安装方式，磁强计的第一轴探头与第二轴探头不共面正交，且与所述第一轴探头与第二轴探头铁芯中点的连线垂直；第三轴探头安装在第一轴探头与第二轴探头铁芯中点连线的延长线上；这种结构降低了磁强计中任一轴的反馈磁场和激励磁场对其它轴的影响，从而降低三轴耦合误差。

优选的，上述三轴去耦自调零磁通门磁强计零点测量电路，其零点测量控制电路包括两组开关；在微处理单元的控制下，通过两组开关切换使信号线圈的两各端倒向，测量倒向前、后的输出电压值，根据该输出电压值测量电路零点。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的三轴去耦自调零磁通门磁强计零点测量电路，采用频率稳定的低攻耗双极性间歇脉冲电压激励单元对铁芯进行激励，实现零点稳定和低功耗，解决磁通门磁强计低功耗与高性能之间的矛盾，在供电电源为+5V、1mA的条件下，典型分辨率为1.0nT,零点长期漂移在30nT以下；并可以通过微处理器编程控制实现对电路零点的在线检测与零点校准，可长期用于弱磁场测量和磁性目标探测领域；

(2)本发明提供的三轴去耦自调零磁通门磁强计零点测量电路，其优选方案里，采用磁强计三轴探头弱耦合安装方式，降低了三轴耦合误差；

(3)本发明提供的三轴去耦自调零磁通门磁强计零点测量电路，其优选方案采用低功耗温控晶振产生方波信号，同时保证工作频率稳定和振荡电路低攻耗；采用稳定方波信号对磁通门铁芯激励，保证激励单元低功耗；并且，由于方波是正负对称的，其频率、宽度、幅度稳定，可以提高磁强计的零点稳定性；

(4)通过低阻开关控制电压源直接激励磁通门铁芯的方式，控制恒压源直接激励铁芯，使激励电压压降绝大部分加在激励线圈两端，激励回路其它部分的压降损耗很小，大幅度提高激励单元的能量利用效率，进而降低激励攻耗。

附图说明

图1是实施例提供的低功耗三轴去耦自调零磁通门磁强计的第一轴零点测量电路示意图；

图2是实施例中的激励单元的示意图；

图3是实施例中激励单元所产生的激励波形的示意图；

图4是实施例中的零点测量控制示意图；

图5是实施例中的三轴磁通门弱耦合安装方式示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

磁通门磁强计的功耗主要分布在激励单元、放大检波积分电路和反馈电路；降低磁通门磁强计检测功耗的关键是降低激励单元功耗；本发明在降低激励功耗上的具体措施是采用双极性间歇脉冲电压激励方式，以宽度窄的矩形脉冲，通过低导通电阻开关，控制恒压源对磁通门铁芯进行激励，将铁芯周期性地激励至饱和状态，保证磁强计有足够的分辨率，同时极大地提高激励单元能量利用效率。

图1所示，是实施例提供的低功耗三轴去耦自调零磁通门磁强计的第一轴零点测量电路的功能框图；包括激励单元、激励线圈、信号线圈、反馈电路、零点测量控制电路、同步检波控制电路、放大检波积分电路和微处理单元；其余两轴的零点测量电路与此相同。

图2所示，是实施例中的激励单元示意图；实施例中，激励单元包括方波信号发生单元、计数译码电路、第一储能单元和第二储能单元；

其中，计数译码电路的输入端与方波信号发生单元的输出端连接；第一储能单元的第一端与计数译码电路的第一输出端连接，电源端用于连接外部恒压源；

第二储能单元的第一端与计数译码电路的第二输出端连接，第二端连接第一储能单元的的第二端、第三端连接第一储能单元的第三端、第四端接地、第五端连接激励线圈。

图3所示，是实施例中激励单元所产生的激励波形的示意图；在激励脉冲Q2为高电平期间，第一储能单元的开关K1导通，第二储能单元的开关K2断开，由于导通电阻远小于激励线圈阻抗，开关两端电压可以忽略；第二储能单元的电容C上所充上的反向电压和电源电压Vs的绝大部分降落在激励线圈两端，能量利用率很高；激励单元以稳定的电压幅度使激励电流缓慢增加，将铁芯激励至饱和，保证磁强计有足够强的信号输出；

当磁通门铁芯被激励至饱和时，激励线圈的即时电感量L很小，激励电流迅速增加，电容快速充电，维持一段时间后，电容充电至接近电源电压，使激励线圈两端的电压很小，激励电流不再增加，限制铁芯的饱和深度，降低功耗；

在激励脉冲Q2转为低电平时，第一储能单元的开关K1断开，激励线圈回路电流在电感惯性作用下通过二极管D2继续对电容C充电，将激励线圈电感上的剩余能量储存在电容上；

在激励周期的后半周，脉冲Q7为高电平期间，第二储能单元的开关K2导通，第一储能单元的开关K1断开，储存在电容C上的电压加在激励线圈两端，对磁通门铁芯进行反向激励，激励电压的时间波形与前半周基本对称，磁强计与前半周有相似的信号输出；

在激励脉冲Q7转为低电平时，第二储能单元的开关K2断开，激励线圈回路电流在电感惯性作用下通过二极管D1继续对电容C反向充电，同样将激励线圈电感上的剩余能量储存在电容上；

在整个激励周期内，只有Q2在高电平时间，才由电源补充激励能量，而Q2脉宽很窄，因此能耗很低；并且，通过二极管储能，在每一次将将磁通门铁芯激励至饱和后，都将激励线圈电感L上的剩余能量转换成电容能量储存起来，使得每个激励周期所消耗的能量主要为铁芯磁滞损耗和线圈内阻上的热损耗，因此，实施例中的这种激励单元能量利用率高，电路平均电源电流可方便地控制在0.3mA以下。

为提高三轴磁通门磁强计的精度和分辨率，以及长期零点稳定性；实施例中采用高稳定性低功耗温控晶振电路产生频率、宽度稳定的间歇脉冲电压波形，并通过低阻开关，接通恒压源对铁芯进行激励，激励信号波形正负对称，频率、宽度、幅度均有稳定措施，从而保证了磁强计零点稳定性；并且，由于激励能量利用率高，在低功耗的条件下，仍能将铁芯激励至深度饱和，保证了磁强计的稳定性和高分辨率。

图4是实施例中的零点测量控制电路与其他组件的匹配示意图；其零点测量控制电路包括两组开关；在微处理单元的控制下，通过两组开关切换使探头信号线圈的两个输出端倒向，测量倒向前后的输出电压值，根据该输出电压值获取电路零点；这种零点测量方式可在线精确进行，并予于消除，降低了零点漂移对测量结果的影响。

图5是实施例中的三轴磁通门弱耦合安装方式示意图；其中，三轴探头正交且三轴探头各有一个对称轴在一条直线上；其中两轴探头不共面正交，且与这两轴探头铁芯中点的连线垂直，另一轴探头安装在前两轴探头铁芯中点连线的延长线上。这种安装方式保证了磁强计中的任一轴的反馈磁场和激励磁场对其它轴的影响小，从而降低了三轴耦合误差。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种三轴去耦自调零磁通门磁强计零点测量电路，其特征在于，包括激励单元、激励线圈、信号线圈、反馈电路、零点测量控制电路、同步检波控制电路、放大检波积分电路和微处理单元；

所述激励线圈缠绕在磁强计探头铁芯的一端，信号线圈缠绕在磁强计探头铁芯的另一端；

所述激励线圈的一端连接激励单元的第一输出端，另一端接地；所述零点测量控制电路的第一输入端和第二输入端分别与信号线圈的两端连接，第三输入端与微处理单元的输出端连接，第四输入端与反馈电路的输出端连接；所述放大检波积分电路的第一输入端与零点测量控制电路的输出端连接，第二输入端与同步检波控制电路的输出端连接；所述同步检波控制电路的输入端与激励单元的第二输出端连接；所述反馈电路的输入端与放大检波积分电路的输出端连接；所述微处理单元的输入端与放大检波积分电路的输出端连接。

2.如权利要求1所述的三轴去耦自调零磁通门磁强计零点测量电路，其特征在于，所述激励单元采用频率稳定的双极性间歇脉冲电压激励电路。

3.如权利要求1或2所述的三轴去耦自调零磁通门磁强计零点测量电路，其特征在于，所述激励单元包括方波信号发生单元、计数译码电路、第一储能单元和第二储能单元；

所述计数译码电路的输入端与方波信号发生单元的输出端连接；第一储能单元的第一端与计数译码电路的第一输出端连接，电源端用于连接外部恒压源；

所述第二储能单元的第一端与计数译码电路的第二输出端连接，第二端连接第一储能单元的的第二端、第三端连接第一储能单元的第三端、第四端接地、第五端连接激励线圈。

4.如权利要求3所述的三轴去耦自调零磁通门磁强计零点测量电路，其特征在于，所述方波信号发生单元采用温控晶振。

5.如权利要求3所述的三轴去耦自调零磁通门磁强计零点测量电路，其特征在于，所述第一储能单元包括第一低阻开关和第一二极管；

所述第一低阻开关的第一端作为第一储能单元的第一端，用于连接计数译码电路的第一输出端；第二端与第一二极管的第一端连接，其连接端作为第一储能单元的电源端，用于连接外部恒压源；第三端作为第一储能单元的第二端；第一二极管的第二端作为第一储能单元的第三端。

6.如权利要求3所述的三轴去耦自调零磁通门磁强计零点测量电路，其特征在于，所述第二储能单元包括第二低阻开关、第二二极管和电容；

所述第二低阻开关的第一端作为第二储能单元的第一端，用于连接计数译码电路的第二输出端，第二端作为第二储能单元的第二端，第三端接地；第二二极管的第一端与电容的第一端相连，其连接端作为第二储能单元的第三端，第二二极管的第二端接地；电容的第二端用于连接激励线圈。

7.如权利要求1所述的三轴去耦自调零磁通门磁强计零点测量电路，其特征在于，磁强计的第一轴探头与第二轴探头不共面正交，且与所述第一轴探头与第二轴探头铁芯中点的连线垂直；第三轴探头安装在第一轴探头与第二轴探头铁芯中点连线的延长线上。

8.如权利要求1所述的三轴去耦自调零磁通门磁强计零点测量电路，其特征在于，所述零点测量控制电路包括两组开关；在微处理单元的控制下，通过两组开关切换使所述信号线圈的两端倒向，测量倒向前、后的输出电压值，根据所述输出电压值测量电路零点。