一种基于双检波放大原理的GMI传感器的制作方法

本发明主要涉及到传感器技术领域，特指一种基于双检波放大原理的gmi传感器。

背景技术：

利用非晶丝材料的巨磁阻抗效应（gmi）来对微弱的生物磁场进行检测，已被证实是一种新型的高灵敏度的检测方法。在信号后级调理中，由于有用信号相对于环境中存在的噪声十分微弱，为了获得足够高的分辨率，gmi传感器需要尽可能提高信噪比，即降低环境噪声，放大有用信号，而环境噪声中最主要的成分来自于50hz及其倍频的工频干扰。

检波放大自问世以来，在微弱信号检测方面显示出优秀的性能，其主要思路为：1、用调制器将直流或慢变信号的频谱迁移到调制频率w0处，以避开1/f噪声的不利影响。

2、利用双路正交相敏检测实现调制信号的解调过程，可以同时利用频率w0和相角θ进行检测，噪声与信号同频又同相的概率很低。

3、用低通滤波器而不是带通滤波器来抑制宽带噪声，低通滤波器的频带可以做的很窄，而且其频带宽度不受调制频率的影响，稳定性也远远优于带通滤波器。

目前的gmi传感器的后级信号调理方案多以传统的多级陷波-放大电路为主，传统的gmi传感器为了提高信噪比，需要尽可能地滤除50hz工频干扰等噪声信号。由于工频干扰的频率位于有用信号的频段内（100hz以下的低频段），因此其只能通过陷波滤波器来进行窄带化。为了将线圈拾取到的微弱的电压变化放大到足够识别，整个系统的增益系数必然会很大。为了防止电路饱和，所使用的50hz陷波滤波器的带宽必须非常窄，q值必然很高。此时，稍有温度、电源电压等环境因素的变化，就会带来前陷波滤波器中心频率的变化，从而导致信号失真甚至电路饱和，无法稳定可靠地进行测量。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种性能稳定、能降低噪声影响、并提供可靠数据的基于双检波放大原理的gmi传感器。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于双检波放大原理的gmi传感器，其包括：

gmi探头信号输入通道，用来作为gmi探头信号输入的信号通道；

参考信号输入通道，用来作为参考信号输入的参考通道；其中，参考信号分作两路，一路直接输出，另一路经过一个90度的移相器之后再输出，两路信号分别输出至双路正交相敏检测单元；

双路正交相敏检测单元，包括两个相敏检测单元，一个相敏检测单元用来对经gmi探头信号输入通道输出的gmi探头信号和参考信号输入通道直接输出的与被测信号相干的控制信号进行相乘处理，再经过低通滤波器输出；另一个相敏检测单元用来对经gmi探头信号输入通道输出的gmi探头信号和参考信号输入通道经移相器之后输出与被测信号相干的控制信号进行相乘处理，再经过低通滤波器输出；

直流放大器，对经双路正交相敏检测单元处理之后的信号进行放大后输出至平方和运算单元；

平方和运算单元，通过将两路正交的相敏检测的输出做平方和运算后最终输出。

作为本发明的进一步改进：所述gmi探头信号输入通道中gmi探头检测的磁场信号为低频信号，将低频信号乘以频率为w0的正弦载波，使其频谱迁移至w0处；然后通过前置放大器，所述前置放大器的噪声特性与信号源的输出阻抗相匹配。

作为本发明的进一步改进：所述gmi探头信号输入通道中将调制信号通过由低通滤波器和高通滤波器串联组成的带通滤波器。

作为本发明的进一步改进：所述低通滤波器的拐点频率与高通滤波器的拐点频率都可调。

作为本发明的进一步改进：所述gmi探头信号输入通道中设置陷波器。

作为本发明的进一步改进：所述陷波器的中心频率为50hz。

作为本发明的进一步改进：在所述gmi探头信号输入通道中，经陷波器处理后的信号再经过一级交流放大后再输入至双路正交相敏检测。

作为本发明的进一步改进：在参考信号输入通道中，所述参考输入是正弦波、方波、三角波、脉冲波中的任意一种，其频率也是载波频率w0，由触发电路将其变换为规则的驱动方波然后输入至双路正交相敏检测。

作为本发明的进一步改进：所述相敏检测单元包括前级的乘法器与后级的低通滤波器。

作为本发明的进一步改进：所述相敏检测单元中低通滤波器用来滤掉两个信号的和频分量与差频分量。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的基于双检波放大原理的gmi传感器，利用检波放大原理，非常适用于生物磁场这种低频微弱磁场信号的提取。同时，可以避免传统陷波放大滤波器设计困难、性能不稳定的缺点，有效的将所需频率的信号进行放大，无关频率的信号进行衰减，设计方便，信噪比高。而且，本发明还进一步避免了单检波放大电路的缺乏测量一致性的缺点，使多次测量值之间具备可对比性。

2、本发明的基于双检波放大原理的gmi传感器，为一种新的基于检波放大的gmi信号调理方案，能够有效避免工频干扰等噪声信号，且具有良好的温度、电源电压适应性，在信号调理中能够避免信号失真、电路饱和等现象，为后续的信号采集提供稳定可靠的数据。

附图说明

图1是本发明在具体应用实例中的结构原理示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的基于双检波放大原理的gmi传感器，包括：

gmi探头信号输入通道，用来作为gmi探头信号输入的信号通道；

参考信号输入通道，用来作为参考信号输入的参考通道；其中，参考信号分作两路，一路直接输出，另一路经过一个90度的移相器之后再输出，两路信号分别输出至双路正交相敏检测单元；

双路正交相敏检测单元，包括两个相敏检测单元，一个相敏检测单元用来对经gmi探头信号输入通道输出的gmi探头信号和参考信号输入通道直接输出的与被测信号相干的控制信号进行相乘处理，再经过低通滤波器输出；另一个相敏检测单元用来对经gmi探头信号输入通道输出的gmi探头信号和参考信号输入通道经移相器之后输出与被测信号相干的控制信号进行相乘处理，再经过低通滤波器输出；

直流放大器，对经双路正交相敏检测单元处理之后的信号进行放大后输出至平方和运算单元；

平方和运算单元，通过将两路正交的相敏检测的输出做平方和运算后最终输出。

在具体应用实例中，在gmi探头信号输入通道中，gmi探头检测的磁场信号为低频信号，将其乘以频率为w0的正弦载波，使其频谱迁移至w0处（信号调制）。之后，通过低噪声、高增益、高动态范围的前置放大器，且前置放大器的噪声特性要与信号源的输出阻抗相匹配，共模抑制比要高。

在具体应用实例中，在gmi探头信号输入通道中，进一步将调制信号通过由低通和高通滤波器串联组成的带通滤波器。其中，低通滤波器的拐点频率与高通滤波器的拐点频率都可调，这样就可以根据被测信号的情况来选择设定带通滤波器的中心频率f和带宽b。其中，带通滤波器的带宽不能太窄，否则当温度和电源电压发生变化时，信号的频谱有可能偏离带通滤波器的通频带，导致很大的测量误差。

在具体应用实例中，在gmi探头信号输入通道中，为抑制50hz的工频干扰，本发明进一步在信号通道中设置中心频率为50hz的陷波器。该陷波器可由开关电容滤波器实现。

在具体应用实例中，在gmi探头信号输入通道中，经陷波器处理后的信号再经过一级交流放大，记为信号x(t)，再输入至双路正交相敏检测单元。

在具体应用实例中，参考信号输入通道的功能是为双路正交相敏检测单元提供与被测信号相干的控制信号。在参考信号输入通道中，参考输入可以是正弦波、方波、三角波、脉冲波或其他不规则形状的周期信号，其频率也是载波频率w0，由触发电路将其变换为规则的驱动方波r(t)，然后输入至双路正交相敏检测单元。

在具体应用实例中，双路正交相敏检测单元包括两个相敏检测单元，每个相敏检测单元均包括前级的乘法器与后级的低通滤波器。在相敏检测中，对于本发明针对的gmi信号而言，信号x(t)为正弦波含宽带噪声，信号r(t)为方波，信号r’(t)为移相90度后的方波。将信号x(t)与r(t)相乘，再经过低通滤波器，滤掉了x(t)与r(t)的和频分量与n>1的差频分量；对于宽带噪声，滤掉了和频分量，而频率wn等于2(n-1)w0的噪声与参考方波的相应谐波相乘的差频分量会产生在双路正交相敏检测的直流输出中，使得双路正交相敏检测的抑制噪声能力下降。对于另一路与r’(t)正交的r’(t)信号，也经过同样的处理过程。

在具体应用实例中，直流放大器的目的是为了使低通滤波器的输出能够驱动合适的指示或显示设备，使用直流放大器对其输出进行放大。直流放大器的输入失调电压要小，温度漂移和时间漂移也要小。

在具体应用实例中，通过将两路双路正交相敏检测单元的输出做平方和运算，可以消除单路相敏检测直流输出中的随机相位差余弦项的影响，使得多次测量结果之间获得一致性。

在单检波放大的输出信号中，需要乘以一项参考信号与检测信号相位差的余弦值，而这一相位差是不可控的。这就意味着每次测量之间不具备一致性，所以需要把这一随机相位差从系统中消除掉。为此，本发明提出了上述基于双检波放大原理的gmi传感器，从而避免了传统的gmi传感器中信号调理部分中由于进行多级放大-滤波而造成的性能不稳定、受环境影响大、信号易失真、电路易饱和等缺点，可以稳定、高信噪比地解析所需频率处的信号。而且，本发明还进一步避免了单检波放大电路的缺乏测量一致性的缺点，使多次测量值之间具备可对比性。

以上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，应视为本发明的保护范围。