感应式磁场传感器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种感应式磁场传感器。该感应式磁场传感器采用斩波放大技术，将来自地球深部的天然磁场的频率范围为0.1mHz-1kHz的低频微弱信号斩波至数kHz的频率上进行增益放大，再通过相同的斩波开关和有源滤波器将信号频率降至原有范围，克服常规运算放大器、差分放大器、三极管单管等放大元件的在0.1mHz-100Hz的自身1/f噪声对传感器的影响，有效降低磁场传感器噪声，从而在保证良好的性噪比的条件下，能够获取地球深部的磁场信息。
【专利说明】感应式磁场传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及电子行业资源勘探【技术领域】，尤其涉及一种感应式磁场传感器。
【背景技术】
[0002]随着我国国民经济的持续快速发展，对矿产资源的需求急剧增大。但我国后备探明的矿产储量严重不足，已成为制约我国经济发展的重大瓶颈。据权威统计，我国铁、铜、铝、钾盐等大宗金属矿产严重短缺，对国际市场的依赖度越来越高，目前对外的依存度已高达50%~80%，远超出国家经济安全的警戒线。但另一方面，据国土资源部2009发布的研究数据，受地球物理勘探技术的制约，我国矿产资源已探明的程度仅为1/3。为此，国家明确提出实施“立足国内，找矿增储”的资源保障战略。
[0003]在地球物理勘探装备中，电磁法是寻找地下油气藏、金属矿藏的有效手段，包括大地电磁测深(MT)或音频大地电磁测深(AMT)、海洋可控源电磁方法(CSEM)，可控源音频大地电磁测深(CSAMT)、瞬变电磁法(TEM)、航空瞬变电磁法(ATEM)等方法。
[0004]在地球物理观测中，宽频带磁场传感器常见于MT、AMT、CSEM、CSATMT, TEM等电磁方法仪器中，也可用于地磁观测台、磁测卫星等平台上磁场测量。测量频率范围覆盖0.00001Hz-10kHz，灵敏度通常在10-4ηΤ/ V Ηζ-10-3ηΤ/ V Hz (IHz时)，是地球物理观测中最为广泛磁场测试仪器之一。
[0005]近年来，众多研究单位开展了感应式磁场传感器的研制，如吉林大学、中南大学、中国地质科学院等，亦有一 些阶段性的研究成果公开发表在学术期刊和专利上，但是工作频率均为IHz以上的高频感应式磁场传感器。究其原因，主要没有解决低频(0.1mHz-1Hz)微弱信号的低噪声放大这一难题。由于电子元器件内部泛在的Ι/f噪声，这一噪声随着频率的降低，幅度线性增大，导致频率越低的微弱信号，更易于淹没在电子噪声中而无法检测。感应式磁场传感器的工作频率需达到0.lmHz，需解决这一难题。从目前公开的文献可见，没有研究者解决这一问题，因此，国内没有成熟的可商用的感应式磁场传感器产品。
[0006]在实现本发明的过程中， 申请人:意识到现有技术感应式磁场传感器存在如下技术缺陷:
[0007](I)工作频率没有足够低，无法获取低频磁场信号，现有的感应式磁场传感器的工作频率下限一般为IHz以上，远远满足地球深部资源勘探的需求，根据频率域电磁测深方法原理，工作频率越低，探测深度越深，IHz对应探测深度约为500m(典型地质情况)，0.1mHz对应的探测深度超过50km。因此工作频率直接影响勘探深度，工作频率越低的磁场传感器，勘探的深度越深，更加适用于地球深部资源探测；
[0008](2)灵敏度不够高，无法获取地下深部的微弱信号，来自地下深部的磁场信息，经过地层的衰减，信号幅度极其微弱，需要高灵敏度的磁场传感器进行检测，目前国内磁场传感器的灵敏度较差，无法检测到该微弱信号。目前，典型的天然磁场信号强度为IpT/sqrt (Hz) OlHz，如此微弱的信号，现有技术还不能检测到。
【发明内容】
[0009](一)要解决的技术问题
[0010]鉴于上述技术问题，本发明提供了一种工作频带低、灵敏度高的感应式磁场传感器。
[0011](二)技术方案
[0012]根据本发明的一个方面，提供了一种感应式磁场传感器。该感应式磁场传感器包括:磁芯，呈细长棒状；感应线圈，缠绕在所述磁芯的外围；斩波放大电路，其输入端连接至所述感应线圈的两端，其输出端作为磁场传感器的输出端；其中，被测磁场在磁芯中产生变化的磁感应强度；该变化的磁感应强度在线圈上产生感应电压；该感应电压经过斩波放大电路后信号幅度增强，由斩波放大电路的输出端输出。
[0013](三)有益效果
[0014]从上述技术方案可以看出，本发明感应式磁场传感器具有以下有益效果:
[0015](I)采用一种高灵敏度的斩波放大技术，将来自地球深部的天然磁场的低频微弱信号(频率范围为0.1mHz-1kHz)斩波至数kHz的频率上进行增益放大，再通过相同的斩波开关和有源滤波器将信号频率降至原有范围，克服常规运算放大器、差分放大器、三极管单管等放大元件的在0.1mHz-1OOHz的自身Ι/f噪声对传感器的影响，有效降低磁场传感器噪声，其自身的噪声水平在整个观测频带上约为天然磁场平均场强的1/10，从而在保证良好的性噪比的条件下，能够获取地球深部达50公里的磁场信息；
[0016](2)所采用高灵敏度斩波放大技术，斩波功能通过模拟开关实现，斩波控制信号采用FPGA或逻辑门电路实现，斩波功能引入的电荷注入效应采用补偿网络的方式进行抑制，补偿网络采用微小电阻和电容实现，抑制电荷注入效应的噪声和补偿网络带来的噪声。斩波时序上升沿和下降沿的波形存在过冲、尖峰和毛刺，这些非理想因素引起观测波形的准确性，在实现过程中，本发明采用采用双频时序和非对称占空比波形实现这些非理想因素的抑制，即采用中心频率为斩波时序2倍的信号，采用其信号质量良好的部分，对原有信号中的非理想部分进行补充，达到提高波形质量的目的，从而达到高精度精确测量磁场。
[0017]本发明感应式磁场传感器可用于大地电磁测深(MT)音频大地电磁测深(AMT)或海洋可控源电磁法(CSEM)，具有广阔的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为根据本发明实施例感应式磁场传感器的结构示意图；
[0019]图2为磁芯中长径比、初始磁导率和有效磁导率之间的关系；
[0020]图3为图1所示感应式磁场传感器中斩波放大工作原理示意图；
[0021]图4为图1所示感应式磁场传感器斩波放大电路中调制模块的电路图；
[0022]图5为图1所示感应式磁场传感器斩波放大电路中放大模块的电路图；
[0023]图6为图1所示感应式磁场传感器斩波放大电路中解调模块的电路图；
[0024]图7为图1所示感应式磁场传感器斩波放大电路中滤波模块的电路图；
[0025]图8为传感器本底噪声测试示意图；
[0026]图9为图1所示感应式磁场传感器的本底噪声水平指标曲线。【具体实施方式】
[0027]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属【技术领域】中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
[0028]本发明提供了一种应用斩波放大技术的感应式磁场传感器，其克服了常规运算放大器、差分放大器、三极管单管等放大元件的在0.1mHz-1OOHz的自身Ι/f噪声对传感器的影响，实现了低工作频率、高探测精度。
[0029]在本发明的一个不例性实施例中，提供了一种感应式磁场传感器。该感应式磁场传感器包括:磁芯，呈细长棒状；感应线圈，缠绕在磁芯的外围；斩波放大电路，其输入端连接至线圈的两端，其输出端作为磁场传感器的输出端。其中，被测磁场在磁芯中产生变化的磁感应强度；该变化的磁感应强度在线圈上产生感应电压；该感应电压经过斩波放大电路后信号幅度增强，由斩波放大电路的输出端输出。
[0030]本实施例感应式磁场传感器的工作频率可达范围可达0.1mHz-lkHz，跨度可达107，其噪声水平(噪声水平)为天然磁场谱密度的1/5~1/10，足以精确获取来自地球深部达50km的微弱磁场信息。
[0031]以下对本实施例感应式磁场传感器的各个组成部分进行详细说明。
[0032]一、磁芯
[0033]本实施例的磁芯应当满足高磁导率和低损耗两点要求。
[0034]磁芯的高磁导率有利于增强观测信号的强度，本发明采用高磁导率材料-纳米晶、非晶或铁氧体，其初始磁导率为20000-80000，将该材料制作成圆柱形，长径比约为:35-55。
[0035]通常情况下，感应信号增强的倍数μ app是由如下公式决定的:
【权利要求】
1.一种感应式磁场传感器，其特征在于，包括: 磁芯，呈细长棒状； 感应线圈，缠绕在所述磁芯的外围； 斩波放大电路，其输入端连接至所述感应线圈的两端，其输出端作为磁场传感器的输出端； 其中，被测磁场在磁芯中产生变化的磁感应强度；该变化的磁感应强度在线圈上产生感应电压；该感应电压经过斩波放大电路后信号幅度增强，由斩波放大电路的输出端输出。
2.根据权利要求1所述的感应式磁场传感器，其特征在于，所述斩波放大电路包括: 调制模块，与所述感应线圈的两端相连接，用于利用预设频率的方波，将线圈输出的频率介于0.1mHz-1kHz的低频信号调制至中心频率为3kHz的高频信号，即斩波信号； 放大模块，与所述调制模块相连接，用于将斩波信号进行增益放大； 解调模块，与放大模块相连接，用于将增益放大的斩波信号重新解调制回频率范围介于0.1mHz-1kHz的低频信号，并将放大模块引入的Ι/f噪声调制为频率高于3kHz的高频信号; 滤波模块，与解调模块相连接，用于对解调模块输出的信号进行滤波，滤除由于放大模块所引入的Ι/f噪声，实现有用信号的提取。
3.根据权利要求 2所述的感应式磁场传感器，其特征在于，所述调制模块由CMOS模拟开关芯片ADG413实现； 该CMOS模拟开关芯片ADG413的各管脚设置如下:管脚1、管脚8、管脚9、管脚16连接时钟信号CLK ;管脚2、管脚15为信号输出正，连接放大模块的输入端Vml ;管脚3和管脚11连接感应线圈输出的正信号；管脚6、管脚14连接信号地；管脚7、管脚10号为信号输出负，连接放大模块的输入端Vm2 ;管脚12连接VL ;管脚13连接VCC。
4.根据权利要求3所述的感应式磁场传感器，其特征在于，所述解调模块与所述调制模块对称，由CMOS模拟开关芯片ADG413实现； 该CMOS模拟开关芯片ADG413的各管脚设置如下:管脚I和管脚16同时接CLK信号；管脚2和管脚15分别串联第十三电阻和第十四电阻后短接，作为本解调模块的输出Vdffl ;管脚3和14分别接入来自放大模块的信号Vmal和信号Vma2 ;管脚4接电源负VSS信号；管脚5接GND信号；管脚12接VL ;管脚13接电源正VCC。
5.根据权利要求4所述的感应式磁场传感器，其特征在于，所述第十三电阻、第十四电阻的电阻值均为IkOhm。
6.根据权利要求2所述的感应式磁场传感器，其特征在于，所述滤波模块由MAX4101ESA芯片实现； 该MAX4101ESA芯片的各管脚设置如下:管脚2串联第十六电阻后接地；管脚3通过第十五电阻连接至所述解调模块的输入端Vdm，且该解调模块的输入端Vdm通过第七电容与地连接；管脚4接电源负VSS ;管脚6通过第八电容和第十七电阻的并联电路连接到管脚2，同时管脚6为滤波模块的输出信号；管脚7接电源正VCC。
7.根据权利要求6所述的感应式磁场传感器，其特征在于，其中，所述第七电容的电容值为InF ;所述第八电容的电容值为4.7nF ； 所述第十七电阻的电阻值为200k0hm;第十五电阻、第十六电阻的电阻值均为IkOhm。
8.根据权利要求2所述的感应式磁场传感器，其特征在于，所述放大模块包括依次串联的第一、二、三级放大电路，其中: 所述第一级放大电路用于输入信号低噪声前置放大，由FET对管Ql和Q2组成，其中:Ql、Q2的G极分别连接至所述调制模块的输出Vml和Vm2 ；Q1和Q2的S极短接，其公共端经过电流源Il连接至供电负电压VSS ;Q1、Q2的D极分别通过第三电阻、第四电阻连接至供电正电压VCC，Ql、Q2的D极分别作为第一级放大电路的输出端； 所述第二级放大电路用于将前置放大的信号功率放大，采用MAX4101ESA-U2实现，其中:管脚2依次经过第五电阻和第一电容连接至第一级放大电路中Q2的D级；管脚2依次通过第六电阻和第二电容连接至第一级放大电路Ql的D极；管脚6经过第四电容和第八电阻并联回路和管脚2连接；管脚3经过第七电阻和第三电容的并联电路和地连接；管脚4连接电源负VSS ;管脚7连接电源正VCC ;管脚6作为第二级放大电路的输出端，且管脚6通过第五电容与输出端Vma2连接，输出端Vma2通过第十二电阻与地连接； 所述第三级放大电路用于对功率放大的信号进行极性反转，采用MAX4101ESA-U3实现，其中:管脚2作为输入负端，依次经过第九电阻连接至第二级放大电路中U2的管脚6 ；管脚2作为输入正端接地，并依次通过第六电阻和第二电容连接至第一级放大电路Ql的D极；管脚2和管脚6之间采用第十电阻实现串联回路；管脚4连接电源负VSS ;管脚7连接电源正VCC ;管脚6通过第六电容相连到输出端Vmal，Vfflal通过第十一电阻与地连接；Vmal和Vma2作为第三级放大电路的输入端； 其中，第三电阻和第四电阻均为3.0kOhm ;第五电阻和第六电阻相等，均为IkOhm ；第七电阻为200k0hm ;第八电阻为200k0hm ;第九电阻阻值为IkOhm;第^ 电阻为IkOhm;第十二电阻为IkOhm;第一电容和第二电容均为IOOnF;第三电容为IOpF;第四电容值为IOpF ;第五电容为IOOnF ;第六电容为100nF。
9.根据权利要求1至8中 任一项所述的感应式磁场传感器，其特征在于，所述磁芯采用叠片形式，片与片之间采用绝缘的氧化物隔离； 所述磁芯长径比为:35~55，其材料选自于纳米晶、非晶或铁氧体，初始磁导率为20000-80000。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的感应式磁场传感器，其特征在于，所述磁芯上套有环氧树脂保护套； 所述感应线圈为漆包线线圈，其缠绕在环氧树脂保护套上。
【文档编号】G01R33/02GK103630853SQ201310363402
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年8月20日 优先权日:2013年8月20日
【发明者】朱万华, 刘雷松, 方广有 申请人:中国科学院电子学研究所