基于GMI效应的单探头生物磁场探测方法、电路及传感器与流程

本发明涉及生物磁场探测技术，具体涉及一种基于GMI效应的单探头生物磁场探测方法、电路及传感器。

背景技术：

GMI效应，即巨磁阻抗效应，当软磁性材料(多为Co基非晶和Fe基纳米晶)的丝或条带通以交流电流I_ac时，材料两端的交流电压U_w随着丝纵向所加的外磁场H_ex的变化而灵敏变化的现象，其实质是非晶丝自身的阻抗随外加磁场的灵敏变化。基于非晶材料GMI效应设计的磁传感器具有很好的弱磁探测性能，探测精度可达pT级，可用于非屏蔽环境下极其微弱生物磁场的探测，比如生物磁场等。

基于GMI效应设计的弱磁传感器探头通常非对角方式设计，如图1所示，采用高频正弦波或者尖脉冲电流信号i_w驱动非晶丝，将会使非晶丝产生GMI效应，此时轴向变化的磁场将会引起非晶丝阻抗的变化，通过包围在非晶丝表面的感应线圈，可以将非晶丝的阻抗变化转换为感应线圈输出的感应电动势E_coil变化。此时，通过测量线圈输出感应电动势即可推算出对应外界磁场变化。

基于非晶丝GMI效应设计的可以用于探测生物弱磁场传感器时，其探测灵敏度需要达到pT级。利用非对角的方式设计GMI传感器，当使用一个探头时其探测灵敏度很难达到pT级，通常采用空间差分的方式设计磁场梯度计来实现pT级磁场的探测，即使用两根非晶材料分别设计两个探头放在不同的空间位置，这样环境中均一磁场（比如地磁场等）将会在两个探头中产生相同阻抗变化。若将两个探头放在不同的空间位置，其一放在待测磁场源附近，另一远离待测磁场源，将两个探头输出信号进行差分合成并进行放大，这样就可以排除环境中均一磁场的干扰，输出的信号只对应于磁源变化磁场引起感应电动势，用这种方法可以实现pT级磁场的探测，探头原理图如图2所示，其中Coil1和Coil2分别表示两个探头的感应线圈，E_coil1和E_coil2分别表示两个探头的感应线圈输出的感应电动势（分别连接到后端电路的模拟开关SH1和SH2连接端子），L 表示两个探头的感应线圈之间距离一定的距离，Pe表示驱动非 晶丝的信号，G表示接地。但是，上述采用空间差分方式设计磁场梯度计来实现pT级磁场探测，其对探头的一致性要求非常高，最主要就是要求两段非晶丝电气特性极其一致。通常非晶丝在生产时，很难做到很好的一致性，即使同一批次两段非晶丝电气特性也可能有比较大差异，这样导致在做差分探头设计的时候，必须花费大量的时间去选择两段电气特性极其接近的非晶丝，否则均一磁场将会在两个探头中产生的感应电动势将不一致，这样差分放大数万倍时不仅会缩小磁传感器的量程，严重时很容易引起传感器输出饱和。其次在空间差分时，两个探头相距的距离通常需要达到3厘米以上，这样才能使pT级变化的磁源在两个探头中产生的感应电动势具有较大的差异，在传感器集成的时候，体积也非常大，十分不利于非晶丝GMI磁传感器的小型化与集成化。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种基于GMI效应的单探头生物磁场探测方法、电路及传感器，将单个探头的感应信号经隔离分离变成两路互不干扰的信号分别进行不同的低通滤波处理后再进行差分放大，这样可以用于排除环境中均一磁场的干扰，起到高频滤波前置的作用，并可以不考虑非晶丝材料一致性要求，便于GMI传感器微型化、集成化。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于GMI效应的单探头生物磁场探测方法，步骤包括：

1）将非晶丝GMI探头探测信号输出端的输出信号隔离分离为独立且互不干扰的两路信号；

2）将一路输出信号进行截止频率比探测目标生物磁场信号频率区间的上限值高的低通滤波、另一路输出信号进行截止频率比探测目标生物磁场信号频率区间的下限值低的低通滤波；

3）将两路经低通滤波后的信号进行差分放大得到生物磁场探测信号。

优选地，所述步骤1）中将非晶丝GMI探头的输出信号隔离分离为独立的两路信号具体是指：往非晶丝GMI探头的参考电压连接端输入参考电压，将非晶丝GMI探头的探测信号输出端输出的电压分别输出至两个二极管的阳极，将两个二极管的阴极分别作为独立且互不干扰的两路信号的输出连接端。

本发明还提供一种基于GMI效应的单探头生物磁场探测电路，包括隔离电路、第一低通滤波单元、第二低通滤波单元和差分放大单元，所述隔离电路的输入端和非晶丝GMI探头的探测信号输出端相连，所述隔离电路的一个输出端和第一低通滤波单元的输入端相连、另一个输出端和第二低通滤波单元的输入端相连，所述差分放大单元的输入端分别与第一低通滤波单元、第二低通滤波单元相连，所述第一低通滤波单元的截止频率比探测目标生物磁场信号频率区间的上限值高，所述第二低通滤波单元的截止频率比探测目标生物磁场信号频率区间的下限值低。

优选地，所述隔离电路包括二极管导通压降平衡电位器R_P、二极管D1和二极管D2，二极管导通压降平衡电位器R_P的一个固定端接电源VCC、另一个固定端接地或参考电位、调节端和非晶丝GMI探头的参考电压连接端相连，二极管D1的阳极和二极管D2的阳极共同连接到非晶丝GMI探头的探测信号输出端，二极管D1的阴极和第一低通滤波单元的输入端相连、二极管D2的阴极和第二低通滤波单元的输入端相连。

优选地，所述第一低通滤波单元包括电容C1、电阻R1和电阻R2，电阻R2串接于二极管D1的阴极、差分放大单元的一个输入端之间，电阻R1的一端连接于二极管D1的阴极、电阻R2之间，电阻R1的另一端接地或参考电位，电容C1的一端连接于电阻R2、差分放大单元的一个输入端之间，电容C1的另一端接地或参考电位。

优选地，所述第二低通滤波单元包括电容C2、电阻R3和电阻R4，电阻R4串接于二极管D2的阴极、差分放大单元的另一个输入端之间，电阻R3的一端连接于二极管D2的阴极、电阻R4之间，电阻R3的另一端接地或参考电位，电容C2的一端连接于电阻R4、差分放大单元的另一个输入端之间，电容C2的另一端接地或参考电位。

优选地，所述差分放大单元包括差分放大模块和放大倍数调节电阻R_G，所述差分放大模块包括两组输入端和一个用于输出生物磁场探测信号的输出端，每一组输入端包括两个连接端子，第一组输入端的一个连接端子和第一低通滤波单元的输出端相连，第二组输入端的一个连接端子和第二低通滤波单元的输出端相连，第一组输入端的另一个端子通过放大倍数调节电阻R_G直接和第二组输入端的另一个连接端子相连。

本发明还提供一种基于GMI效应的单探头生物磁场探测传感器，包括非晶丝GMI探头、尖脉冲产生电路、初级信号调理放大电路、二级信号调理放大电路和三级信号调理放大电路，所述初级信号调理放大电路为前述基于GMI效应的单探头生物磁场探测电路，所述非晶丝GMI探头包括非晶丝、感应线圈、模拟开关和检波电容，所述非晶丝一端和尖脉冲产生电路的输出端相连、另一端接地，所述感应线圈绕设于非晶丝上，所述感应线圈、模拟开关、检波电容三者首尾相连形成回路，所述检波电容以靠近模拟开关的一端作为非晶丝GMI探头的探测信号输出端、另一端作为参考电压连接端，所述二级信号调理放大电路包括陷波滤波器和二级隔离放大电路，所述三级信号调理放大电路包括带通滤波器和三级隔离放大电路，所述单探头生物磁场探测电路的隔离电路和感应线圈相连，所述单探头生物磁场探测电路的输出端和陷波滤波器、二级隔离放大电路、带通滤波器、三级隔离放大电路依次相连。

本发明基于GMI效应的单探头生物磁场探测方法具有下述优点：

1、通过分析可知，均一磁场主要是地磁场，当非晶丝GMI探头方向固定时，这些磁场将会在非晶丝中产生恒定的阻抗变化，对应于感应线圈的输出将是稳定直流部分。将非晶丝GMI探头的输出信号隔离分离为独立的两路信号，确保两路信号相互独立且互不干扰，然后将一路输出信号进行截止频率比探测目标生物磁场信号频率区间的上限值高的低通滤波、另一路输出信号进行截止频率比探测目标生物磁场信号频率区间的下限值低的低通滤波，使得两路经低通滤波后的信号中均包含环境磁场的稳定直流部分，且一路包含生物磁场探测信号、另一路不包含生物磁场探测信号，将两路经低通滤波后的信号进行差分放大得到生物磁场探测信号后，一方面可将环境磁场的稳定直流部分抵消，从而得到消除环境磁场的生物磁场探测信号，另一方面也起到高频滤波前置的作用，起到滤除环境中高频信号的作用。

2、本发明只需要单个非晶丝GMI探头即可实现，因此能够克服现有技术使用两个探头差分时两个探头附近的磁场可能除均一磁场之外还有其他的磁场干扰，因此差分放大时不需要考虑非晶丝材料一致性要求，便于微型化、集成化，具有自适应性好的优点。

本发明基于GMI效应的单探头生物磁场探测电路、基于GMI效应的单探头生物磁场探测传感器均为基于GMI效应的单探头生物磁场探测方法对应的电路或传感器装置结构，通过其电路或传感器的结构即可实现基于GMI效应的单探头生物磁场探测，因此同样也具有本发明基于GMI效应的单探头生物磁场探测方法的前述优点，故在此不再赘述。

附图说明

图1为现有基于GMI效应生物磁场传感器探头原理示意图。

图2为现有技术双探头磁场梯度计原理示意图。

图3为本发明实施例方法的基本流程示意图。

图4为本发明实施例单探头生物磁场探测电路的电路原理示意图。

图5为应用本发明实施例的传感器结构示意图。

图例说明：1、隔离电路；2、低通滤波单元；3、第二低通滤波单元；4、差分放大单元；5、非晶丝GMI探头；51、非晶丝；52、感应线圈；53、模拟开关；54、检波电容；6、尖脉冲产生电路；7、初级信号调理放大电路；8、二级信号调理放大电路；81、陷波滤波器；82、二级隔离放大电路；9、三级信号调理放大电路；91、带通滤波器；92、三级隔离放大电路。

具体实施方式

如图3所示，本实施例基于GMI效应的单探头生物磁场探测方法步骤包括：

1）将非晶丝GMI探头探测信号输出端的输出信号隔离分离为独立且互不干扰的两路信号；

2）将一路输出信号进行截止频率比探测目标生物磁场信号频率区间的上限值高的低通滤波、另一路输出信号进行截止频率比探测目标生物磁场信号频率区间的下限值低的低通滤波；

3）将两路经低通滤波后的信号进行差分放大得到生物磁场探测信号。

需要说明的是，由于不同类型的探测目标生物磁场信号频率不同，例如心磁场信号、脑磁场信号、肌肉磁场信号等，因此对应的探测目标生物磁场信号频率区间也有所不同，在实际应用过程中，可以根据非晶丝GMI探头的探测目标生物磁场信号频率区间来确定两路低通滤波的截止频率，将一路输出信号进行截止频率比探测目标生物磁场信号频率区间的上限值高的低通滤波、另一路输出信号进行截止频率比探测目标生物磁场信号频率区间的下限值低的低通滤波即可。

需要说明的是，不同的探测目标生物磁场具有不同的探测目标生物磁场信号频率区间。本实施例中，步骤2）中进行截止频率比探测目标生物磁场信号频率区间的上限值高的低通滤波时，此时直流分量也没有被滤除而得以保留，且探测目标生物磁场信号也会被保留；步骤2）中进行截止频率比探测目标生物磁场信号频率区间的下限值低的低通滤波时这样探头信号中直流分量将得到保留，而探测目标生物磁场信号则被滤除。通过上述设定，当两路信号差分时，就可以排除环境中均一磁场的干扰保证要探测的生物磁场信号得以保留。

本实施例中，步骤1）中将非晶丝GMI探头的输出信号隔离分离为独立且互不干扰的两路信号具体是指：往非晶丝GMI探头的参考电压连接端输入参考电压，将非晶丝GMI探头的探测信号输出端输出的电压分别输出至两个二极管的阳极，将两个二极管的阴极分别作为独立且互不干扰的两路信号的输出连接端。通过上述方式，能够简单、方便地实现将非晶丝GMI探头的输出信号隔离分离为独立的两路信号，且对两路信号进行出力时不会互相干扰。毫无疑问，在不考虑成本的条件下，也可以采用包括光耦在内的隔离电路，其同样也可以实现将非晶丝GMI探头的输出信号隔离分离为独立的两路信号，在此不再赘述。

如图4所示，本实施例基于GMI效应的单探头生物磁场探测电路包括隔离电路1、第一低通滤波单元2、第二低通滤波单元3和差分放大单元4，隔离电路1的输入端和非晶丝GMI探头的探测信号输出端相连，隔离电路1的一个输出端和第一低通滤波单元2的输入端相连、另一个输出端和第二低通滤波单元3的输入端相连，差分放大单元4的输入端分别与第一低通滤波单元2、第二低通滤波单元3相连，第一低通滤波单元1的截止频率比探测目标生物磁场信号频率区间的上限值高，第二低通滤波单元2的截止频率比探测目标生物磁场信号频率区间的下限值低。

如图4所示，隔离电路1包括二极管导通压降平衡电位器R_P、二极管D1和二极管D2，二极管导通压降平衡电位器R_P的一个固定端接电源VCC、另一个固定端接地或参考电位、调节端和非晶丝GMI探头的参考电压连接端相连，二极管D1的阳极和二极管D2的阳极共同连接到非晶丝GMI探头的探测信号输出端，二极管D1的阴极和第一低通滤波单元2的输入端相连、二极管D2的阴极和第二低通滤波单元3的输入端相连。二极管导通压降平衡电位器R_P用来提高基准电压，抵消二极管D1和二极管D2的导通压降，使得二极管处于预导通状态，即使得非晶丝GMI探头的感应电电动势能够通过二极管D1和二极管D2传到后续电路中。考虑到二极管D1和二极管D20.7V，非晶丝GMI探头的导通压降约0.1V，因此本实施例中，二极管导通压降平衡电位器R_P的调节端输出电压大于0.8V，从而能够确保抵消二极管D1和二极管D2的导通压降，使得二极管处于预导通状态。

如图4所示，第一低通滤波单元2包括电容C1、电阻R1和电阻R2，电阻R2串接于二极管D1的阴极、差分放大单元4的一个输入端之间，电阻R1的一端连接于二极管D1的阴极、电阻R2之间，电阻R1的另一端接地或参考电位，电容C1的一端连接于电阻R2、差分放大单元4的一个输入端之间，电容C1的另一端接地或参考电位。低通滤波器的作用就是通过低频信号、滤除高频信号，电容C1、电阻R1和电阻R2组成无源低通滤波器，无源低通滤波器的-3dB截止频率f₀₁满足公式f₀₁=1/(2πR₂C₁)，其中R₂为电阻R2的电阻值，C₁为电容C1的电容值。

如图4所示，第二低通滤波单元3包括电容C2、电阻R3和电阻R4，电阻R4串接于二极管D2的阴极、差分放大单元4的另一个输入端之间，电阻R3的一端连接于二极管D2的阴极、电阻R4之间，电阻R3的另一端接地或参考电位，电容C2的一端连接于电阻R4、差分放大单元4的另一个输入端之间，电容C2的另一端接地或参考电位。第二低通滤波电路3和第一低通滤波电路2结构相同，只是截止频率不同，本实施例中，第二低通滤波电路3的截止频率f₀₂满足公式f₀₂=1/(2πR₃C₂)，其中R₃为电阻R3的电阻值，C₂为电容C2的电容值。本实施例中R1=R3，考虑到二极管D1和D2的导通电阻为400~600Ω，R1和R3的阻值要大于6kΩ。

如图4所示，差分放大单元4包括差分放大模块和放大倍数调节电阻RG，差分放大模块包括两组输入端和一个用于输出生物磁场探测信号的输出端，每一组输入端包括两个连接端子，第一组输入端的一个连接端子和第一低通滤波单元2的输出端相连，第二组输入端的一个连接端子和第二低通滤波单元3的输出端相连，第一组输入端的另一个端子通过放大倍数调节电阻RG直接和第二组输入端的另一个连接端子相连。本实施例中，差分放大模块具体采用仪表放大器实现，此外也可以采用其他差分放大运算芯片或者自行使用运算放大器搭建实现。

本实施例基于GMI效应的单探头生物磁场探测电路既可以单独出售，此外，也可以将本实施例基于GMI效应的单探头生物磁场探测电路直接集成到单探头生物磁场探测传感器中。

如图5所示，集成有本实施例基于GMI效应的单探头生物磁场探测电路的单探头生物磁场探测传感器包括非晶丝GMI探头5、尖脉冲产生电路6、初级信号调理放大电路7、二级信号调理放大电路8和三级信号调理放大电路9，初级信号调理放大电路7为本实施例前述基于GMI效应的单探头生物磁场探测电路，非晶丝GMI探头5包括非晶丝51、感应线圈52、模拟开关53和电容54，非晶丝51一端和尖脉冲产生电路6的输出端相连、另一端接地，感应线圈52绕设于非晶丝51上，感应线圈52、模拟开关53、电容54三者首尾相连形成回路，检波电容54以靠近模拟开关53的一端作为非晶丝GMI探头5的探测信号输出端、另一端作为参考电压连接端，二级信号调理放大电路8包括陷波滤波器81（50Hz）和二级隔离放大电路82，三级信号调理放大电路9包括带通滤波器91和三级隔离放大电路92，单探头生物磁场探测电路的隔离电路1和感应线圈52相连，单探头生物磁场探测电路的输出端和陷波滤波器81、二级隔离放大电路82、带通滤波器91、三级隔离放大电路92依次相连。由于非晶丝GMI探头5的输出信号很弱，因此需要通过初级信号调理放大电路7、二级信号调理放大电路8和三级信号调理放大电路9进行逐级放大，从而最终得到十万倍级别左右的放大，其中陷波滤波器81用于排除环境中工频干扰的影响，带通滤波器91用于排除干扰的作用，从而确保放大后信号的精确度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。