磁通门信号检测电路、磁场检测系统的制作方法

1.本实用新型涉及磁场检测技术领域，尤其涉及一种磁通门信号检测电路、磁场检测系统。


背景技术：

2.磁通门传感器是利用高磁导率、低矫顽力软磁材料的磁饱和特性制造的磁强计。基于磁调制原理，在交变磁场激励下，磁芯处于周期性过饱和状态，利用软磁材料磁芯对激励磁场的调制作用将外磁场转化为电压信号，最终经输出感应电压信号时域、频域解析确定外磁场大小。该方法可测量恒定或缓慢变化的磁场，适用于不同空间弱磁场的矢量检测，在导航、地质勘探、石油钻探等领域均有应用。
3.但是，相关技术中的磁通门传感器，受制于复杂的外围电路，对工作环境温度的要求较为苛刻，无法在极端环境下进行磁场检测。


技术实现要素：

4.本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型的第一个目的在于提出一种磁通门信号检测电路，以支持磁通门传感器在极端环境下进行磁场检测。
5.本实用新型的第二个目的在于提出一种磁场检测系统。
6.为达到上述目的，本实用新型第一方面提出了一种磁通门信号检测电路，所述电路包括：相敏检波子电路，所述相敏检波子电路包括开关管，所述相敏检波子电路用于通过所述开关管在相敏检波参考信号的控制下实现对磁通门传感器输出的磁通门信号的相敏检波，其中，所述相敏检波参考信号的频率根据所述磁通门传感器的激励信号的频率确定；积分子电路，所述积分子电路与所述相敏检波子电路连接，并用以连接外部处理电路，所述积分子电路用于对相敏检波后的磁通门信号进行积分处理得到磁信号，并将所述磁信号输出至所述处理电路进行处理。
7.根据本实用新型的磁通门信号检测电路，设置相敏检波子电路和开关子电路，相敏检波子电路包括开关管，通过在相敏检波参考信号的控制下进行开关管的通断实现对相敏检波子电路接收到的磁通门信号的相敏检波，积分子电路对相敏检波后的磁通门信号进行积分处理得到磁信号，并将磁信号输出至处理电路进行处理。由此，通过使用开关管进行相敏检波，使得相敏检波子电路在极端环境下依然可以正常工作，可以支持磁通门传感器在极端环境下也可进行磁场检测。
8.为达到上述目的，本实用新型第二方面提出了一种磁场检测系统，所述系统包括：信号源，用于输出激励信号和相敏检测参考信号，其中，所述相敏检测参考信号的频率根据所述激励信号的频率确定；磁通门传感器，与所述信号源连接，用以在激励信号的作用下产生磁通门信号；上述的磁通门信号检测电路，分别与所述磁通门传感器和所述信号源连接；处理电路，与所述磁通门信号检测电路中的积分子电路的输出端连接。
9.根据本实用新型的磁场检测系统，通过采用上述的磁通门信号检测电路对磁通门传感器输出的磁通门信号进行检测，使得磁通门传感器进行磁场检测时不会受制于外围电路，可以在极端环境下进行磁场检测。
10.本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
11.图1是一种磁场检测系统的结构示意图；
12.图2是本实用新型一个实施例的磁通门信号检测电路的结构框图；
13.图3是本实用新型一个示例的磁通门信号检测电路的工作示意图；
14.图4是本实用新型一个示例的磁通门信号检测电路的电路图；
15.图5是本实用新型实施例的磁场检测系统的结构框图。
具体实施方式
16.下面参考附图描述本实用新型实施例的磁通门信号检测电路、磁场检测系统，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。参考附图描述的实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制。
17.首先对图1所示的磁场检测系统进行说明。
18.如图1所示，磁场检测系统包括：晶振、反相器、2n分频、n分频、pa功率放大 隔离电路、磁通门探头、lc谐振匹配、前置放大、选频带通滤波、移相电路、相敏检波、低通平滑滤波、积分器、反馈网络、scale电路、adc（analog to digital converter，模数转换器）驱动电路。其中，scale电路的输出通过预设anlog_out口输入adc驱动电路。
19.明显的，在图1所示的磁场检测系统中，磁通门激励信号由晶振分频产生，再经过pa功率放大 隔离电路去激励磁通门传感器。常见的磁通门激励和检测方法一般为二次谐波法，该方法是通过相敏检波的相位和幅值检波特性对地磁的幅值和方向进行检测，并且传感器检测到的地磁矢量与检测电路输出存在特定的线性关系，且该二次谐波法要求激励信号频率是相敏检波参考信号频率的1/2，即是相敏检波信号的频率为激励基波信号的二次谐波频率。磁通门传感器输出信号经过前级预置放大和选频滤波后进入相敏检波电路，该相敏检波电路一般通过模拟开关或乘法器实现。经过相敏检波解调后的信号再经过低通滤波和积分电路产生相应的磁信号给模数转换器转换成数字信号进行相应的处理。
20.然而，在某些特殊的应用领域，比如石油钻探随钻定向测量系统内，针对6000米以上深度的油气井，对磁通门传感器的外围电路的要求为在25℃~185℃整个温度范围内均能正常工作，且要实现整个温度范围内的高精度测量。由于模拟开关或乘法器的工作温度很难做到工作温度范围超过125℃的产品，所以完全不能实现上述特殊要求。
21.因而，本实用新型提出一种磁通门信号检测电路、磁场检测系统，以使磁通门传感器在极端环境下也可进行磁场检测。
22.图2是本实用新型一个实施例的磁通门信号检测电路的结构框图。
23.如图2所示，磁通门信号检测电路100，包括：相敏检波子电路101、积分子电路102。
24.具体地，相敏检波子电路101包括开关管，相敏检波子电路101用于通过开关管在
相敏检波参考信号的控制下实现对磁通门传感器输出的磁通门信号的相敏检波，其中，相敏检波参考信号的频率根据磁通门传感器的激励信号的频率确定；积分子电路102与相敏检波子电路101连接，并用以连接外部处理电路，积分子电路102用于对相敏检波后的磁通门信号进行积分处理得到磁信号，并将磁信号输出至处理电路进行处理。上述开关管可以选择为三极管或mos管。
25.在磁通门传感器输出磁通门信号后，相敏检波子电路101中的开关管在相敏检波参考信号的控制下通断，以将磁通门信号中与相敏检波参考信号同频的第一信号筛选出，并将第一信号传输至积分子电路102，从而使得积分子电路102对第一信号进行处理得到磁信号，从而可利用处理电路对磁信号进行处理。由此，通过使用开关管进行相敏检波，使得相敏检波子电路101在极端环境下依然可以正常工作，使得磁通门传感器在极端环境下也可进行磁场检测。
26.在本实用新型的一个实施例中，上述磁通门信号检测电路100还包括：放大子电路，放大子电路的输入端用以连接磁通门传感器，放大子电路的输出端与相敏检波子电路101连接，放大子电路用于对磁通门传感器输出的磁通门信号进行放大处理。
27.由此，在磁通门传感器输出磁通门信号后，放大子电路对磁通门信号进行放大，并将放大后的磁通门信号传输至相敏检波子电路101，以使相敏检波子电路101通过开关管在相敏检波参考信号的控制下实现对放大处理后的磁通门信号的相敏检波。
28.在本实用新型的一个实施例中，上述磁通门信号检测电路100还包括：反馈子电路，反馈子电路的输入端与积分子电路102的输出端连接，反馈子电路的输出端用以连接磁通门传感器。由此，积分子电路102输出的磁信号经反馈子电路反馈至磁通门传感器的内部反馈绕组。
29.下面结合图3所示的示例对本实用新型实施例的磁通门信号检测电路100进行详细说明。
30.具体地，信号源输出两路信号，一路是频率为f的初始信号，一路是频率为2f的相敏检测参考信号。初始信号在经过pa处理后得到激励信号，将激励信号输入至磁通门传感器，得到磁通门信号。磁通门信号输入至前置的放大子电路，得到放大后的磁通门信号。放大后的磁通门信号输入至相敏检波子电路101，相敏检波子电路101对放大后的磁通门信号进行相敏检波。积分子电路102对相敏检波后的磁通门信号进行处理得到磁信号，将磁信号输入至adc驱动电路，转换成数字信号进行相应处理，还将磁信号通过反馈子电路反馈至磁通门传感器。
31.下面结合图4所示的具体示例对本实用新型实施例的磁通门信号检测电路100进行详细说明。该具体示例中采用二次谐波法。
32.在该具体示例中，上述磁通门信号检测还包括：第一电容c1，第一电容c1的一端和磁通门传感器bm连接，第一电容c1的另一端和放大子电路的输入端连接。
33.放大子电路包括：第一运算放大器1031，第一运算放大器1031的输入端用以连接磁通门传感器，第一运算放大器1031的输出端与相敏检波子电路101连接。
34.相敏检波子电路101包括：第一开关管q1和第二开关管q2，第一开关管q1的第一端与放大子电路的输出端连接，第一开关管q1的第二端与第二开关管q2的第一端连接，第二开关管q2的第二端接地，第一开关管q1和第二开关管q2的控制端均用以输入相敏检波参考
信号。
35.其中，相敏检波参考信号的频率为激励信号的频率的二倍。
36.积分子电路102包括：第一电阻r1，第一电阻r1的一端分别与放大子电路的输出端和第一开关管q1的第一端连接；第二运算放大器1021，第二运算放大器1021的输入端与第一电阻r1的另一端连接，第二运算放大器1021的输出端用以连接外部处理电路；第二电容c2，第二电容c2的一端分别与第一电阻r1的另一端和第二运算放大器1021的输入端连接，第二电容c2的另一端与第二运算放大器1021的输出端连接。
37.反馈子电路包括：第二电阻rf，第二电阻rf的一端与积分子电路102的输出端连接，第二电阻rf的另一端用以连接磁通门传感器bm。
38.具体地，磁通门传感器bm输出磁通门信号，第一电容c1滤除磁通门信号中的直流信号分量，滤波后的磁通门信号由第一运算放大器1031进行放大。放大后的磁通门信号包括基波和二次谐波、三次谐波等谐波信号和高频干扰信号。
39.采用cpu或分频和移相器产生相敏检波参考信号，该信号与激励信号的相位一致，且频率是激励信号频率的2倍，且该同步信号一般为方波，方波的时序稳态性最好。将相敏检波参考信号输入第一开关管q1与第二开关管q2的控制端，以控制q1和q2同时导通和关闭，对放大后的磁通门信号中的2fo信号进行选择，滤除基波和高次谐波信号及高频干扰信号，同相位的信号会被直通，非同相的信号会被截止。
40.通过积分子电路102对相敏检波后的磁通门信号进行积分后输出给adc，同时积分后的信号需通过反馈电阻rf反馈到磁通门传感器bm的内部反馈绕组。
41.可见，图4所示的磁通门信号检测电路100中并不包括集成电路元器件，主要为电阻和电容、运放、晶体管、变压器等器件，使得图4所示的磁通门信号检测电路100可以有很高的耐温性能和可靠性。而且，通过该设计，还可以显著降低磁通门信号检测电路100的成本。
42.可选地，在对上述第一开关管q1和第二开关管q2进行选择时，可以以以下标准进行：f
t
频率带宽要足够，反向击穿电压v
ceo
电压足够大，低反向饱和电流i
cbo
，低饱和压降v
ce(sat)
。
43.而且，还可以通过常温和高温标定，保证电路在整个工作温度范围内的线性度。其中，常温标定主要是通过无磁转台和无磁环境进行标定，高温标定主要通过高温箱和无磁转台标定。
44.综上，本实用新型实施例的磁通门信号检测电路，设置相敏检波子电路和开关子电路，相敏检波子电路包括开关管，通过在相敏检波参考信号的控制下进行开关管的通断实现对相敏检波子电路接收到的磁通门信号的相敏检波，积分子电路对相敏检波后的磁通门信号进行积分处理得到磁信号，并将磁信号输出至处理电路进行处理。由此，通过使用开关管进行相敏检波，使得相敏检波子电路在极端环境下依然可以正常工作，可以支持磁通门传感器在极端环境下也可进行磁场检测。
45.进一步地，本实用新型提出一种磁场检测系统。
46.图5是本实用新型实施例的磁场检测系统的结构框图。
47.如图5所示，磁场检测系统10，包括：信号源200、磁通门传感器300、磁通门信号检测电路100、处理电路400。
48.具体地，信号源200，用于输出激励信号和相敏检测参考信号，其中，相敏检测参考信号的频率根据激励信号的频率确定；磁通门传感器300，与信号源连接，用以在激励信号的作用下产生磁通门信号；上述的磁通门信号检测电路100，分别与磁通门传感器300和信号源200连接；处理电路400，与磁通门信号检测电路100中的积分子电路的输出端连接。
49.本实用新型实施例的磁场检测系统，通过采用上述的磁通门信号检测电路对磁通门传感器输出的磁通门信号进行检测，使得磁通门传感器进行磁场检测时不会受制于外围电路，可以在极端环境下进行磁场检测。
50.需要说明的是，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理电路的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或多个布线的电连接部（电子装置），便携式计算机盘盒（磁装置），随机存取存储器（ram），只读存储器（rom），可擦除可编辑只读存储器（eprom或闪速存储器），光纤装置，以及便携式光盘只读存储器（cdrom）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
51.应当理解，本实用新型的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（pga），现场可编程门阵列（fpga）等。
52.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
53.在本说明书的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，不能理解为对本实用新型的限制。
54.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两
个，三个等，除非另有明确具体的限定。
55.在本说明书的描述中，除非另有说明，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
56.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
57.尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。