[發明專利]一種利用噪聲驅動的磁通門傳感器精密測量磁場的方法

有效

• 申請號: 201210396565.7
• 申請日: 2012-10-18
• 公開（公告）號: CN102944853A
• 公開（公告）日: 2013-02-27
• 發明（設計）人: 龍長才;葉蘭
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01R33/032
• 分類號: G01R33/032;G01D3/032
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李佑宏

技術領域

本發明涉及一種磁場測量方法，特別是一種利用磁通門傳感器測量磁場的方法。

背景技術

磁場探測在國防建設、科學研究、工業生產以及日常生活等領域都有廣泛應用。在眾多的磁測技術中，應用磁通門對弱磁場進行測量是現有眾多弱磁測量方法中重要的一種方法。該方法的基本原理是利用法拉第電磁感應現象和磁芯材料的飽和現象，在足以使磁芯材料達到飽和的大驅動電信號作用下產生感生電動勢輸出，當待測磁場存在時，感生電動勢輸出的某些特征會發生變化，通過對感生電動勢的有關特征變化的監測實現待測磁場的傳感與測量。磁通門磁場測量方法的價值在于兩點，一是要有足夠高的靈敏度，能對微小磁場做高分辨率檢測；二是檢測方案要足夠簡單、和低的功耗，能夠微型化以至于可以在衛星、導彈等關鍵設備上運行。影響磁通門傳感器精度的關鍵因素在于噪聲，它們主要來自環境背景噪聲、傳感器探頭本身的噪聲以及后續檢測電路產生的噪聲。當待測磁場的變化較小時，這種微小變化就會被噪聲淹沒而檢測不到。如何處理好噪聲問題，同時又能在技術上簡單方便的實現，是實現磁通門磁場測量的應用所面臨的待解決的關鍵問題。

目前，磁通門磁場測量方法主要有兩種：

一種是采用周期性信號（如正弦波或者方波）作為激勵信號，利用相關分析的手段對存在于輸出信號當中的偶次諧波幅度進行檢測，從而從噪聲中提取待檢測信號來計算被測磁場的大小（中國專利文獻200720117622.8）。這種方法實際上是在利用激勵信號的周期性和相關計算提高輸出信號的幅度，但并不能削弱噪聲。為實現精確測量，這種方法還必須設法消除磁通門自身探頭中含有的奇次諧波噪聲，但由于偶次諧波磁通門傳感器基于諧波幅度對磁信號進行測量，其對應的檢測電路較為復雜，包括諧振、選頻放大、積分濾波和相敏解調器等環節都會產生噪聲，這就使得現有采用調制方法在進一步提高磁通門傳感器精度上無法見效。

另一種方法則是采用周期驅動，不用復雜的信號處理，而用簡單的時差測量獲得磁場測量。這種方法也采用周期性驅動信號激勵，使磁通門工作在上下飽和區。在沒有磁場時，磁通門在上下兩個飽和區的駐留時間相等，在有待測磁場時，磁通門在上下兩個飽和區的駐留時間存在差值，這個差值隨待測磁場強度變化，對這個時間差的測量，可以實現磁場強度測量。這種測量方法省卻了前一種方法中的濾波-相敏解調-平滑濾波處理的復雜電路設計，結構簡單，但卻缺少前一種方法增強信號對付噪聲的效果，不能有效地解決環境的背景噪聲、驅動信號噪聲和傳感器探頭本身的噪聲對其精度的負面影響，無法實現高精度精密磁場測量。

目前出現了一種運用噪聲非線性效應的低頻信號精密傳感測量方法（中國專利文獻201110007361.5），其利用噪聲而不是消除噪聲來實現高靈敏傳感測量。這種方法可以在有些特定場合使用，但在磁通門磁場測量中卻因如下兩個問題而不能使用。一是此方法是對有噪聲驅動的傳感器輸出信號進行時間長度積分作為測量輸出，計算仍然繁重，運算量較大，降低了數據結果的可靠性。另一個是磁通門傳感器實際的輸出信號是感應線圈輸出的電壓信號，并非上述方法所需用作積分的傳感器輸出信號--磁感應強度，該方法所需的傳感輸出積分運算并不可行。

發明內容

本發明的目的是提出一種利用噪聲驅動的磁通門傳感器精密測量磁場的方法，運用噪聲作為輸入源在磁通門傳感器中的非線性效應實現對磁場的高靈敏度傳感檢測，從而解決了磁通門傳感器在測量磁場過程中因噪聲的存在難以提高測量精度的問題。

一種利用噪聲驅動的磁通門傳感器精密測量磁場的方法，包括如下步驟：

（1）在磁通門的激勵線圈中加入噪聲η(t)，獲取有噪聲驅動和待測磁場H_x的磁通門感生電動勢輸出v(t)。

（2）通過感生電動勢輸出v(t)測得一段時間T內磁芯材料處于上飽和狀態B＝B₊＝a的累計時間處于下飽和狀態B＝B_-＝-a的累計時間

（3）將處于上飽和狀態的累計時間與處于下飽和狀態的累計時間相減，得累計駐留時間差

（4）優化并標定累計駐留時間差ΔT與待測磁場的關系，實現待測磁場的精密測量。

（4.1）優化

以待測磁場H_x作為輸入，以累計駐留時間差作為輸出，計算磁通門傳感器的信息輸出I(H_x,ΔT)：