一種用于距離探測的巨磁阻抗傳感器裝置及信號處理方法
【專利摘要】一種用于距離探測的巨磁阻抗傳感器裝置，該裝置包括激勵電路、敏感組件、前置放大電路、混頻濾波電路、末級放大電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路、反饋電路和微處理器，通過提取信號的基頻和諧波分量，濾除噪聲和干擾，提高了傳感器的測量精度；同時設計方案容易集成，便于實現(xiàn)傳感器的小型化，提高可靠性，降低生產(chǎn)成本。一種基于巨磁阻抗傳感器裝置的信號處理方法，利用信號基頻與諧波分量建立信號處理模型，通過測量任一點目標的信號特征，反演計算得到該目標相對傳感器的距離。利用信號基頻與二次諧波分量及其多特征信息，克服了只利用線性區(qū)的不足，提高測量精度的同時大大拓展了傳感器的測量范圍。
【專利說明】-種用于距離探測的巨磁阻抗傳感器裝置及信號處理方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種巨磁阻抗傳感器裝置及其信號處理方法，特別涉及一種用于距離 探測的巨磁阻抗傳感器裝置及其信號處理方法。

【背景技術】
[0002] 磁性是物體固有的屬性之一，磁傳感器被廣泛用于信號記錄、航空航天、探礦、考 古、智能交通、空間磁場探測、探潛探雷等領域。由于地磁場普遍存在，置于其中的鐵磁性物 體會被地磁場磁化而產(chǎn)生磁場，并且不受氣候變化的影響。各種裝甲車輛、飛機、艦船、潛艇 等大型裝備，也會被地磁場磁化而具有一定的磁性。當這些磁性物體出現(xiàn)在某一區(qū)域時，就 會引起周圍磁場的變化。磁異探測就是基于對這種磁場異常變化的探測，它是探礦、安檢、 地震監(jiān)測等的重要依據(jù)，在軍事領域也有重要應用，例如艦船潛艇裝甲車輛等的探測、智能 地雷和水雷的磁引信、地磁導航等。隨著現(xiàn)代隱身技術、各種攻擊武器技術帶來的挑戰(zhàn)，以 及無源探測技術和磁傳感器技術的不斷發(fā)展，磁探測已經(jīng)成為一種重要的目標探測手段。
[0003] 國內(nèi)目前對于巨磁阻抗傳感器的研究主要有三個方面：一是探究巨磁阻抗效應的 本質(zhì)并建立其理論模型；二是研究非晶材料、尺寸、工藝處理等對巨磁阻抗效應的影響以及 增強巨磁阻抗效應的途徑；三是巨磁阻抗傳感器的設計與應用。已有的研究成果主要集 中在前兩個方面，盡管在巨磁阻抗傳感器設計與應用方面也有一些研究，但本質(zhì)上大都是 基于信號簡單的幅值信息進行研究的，從而導致了傳感器硬件電路設計的單一化和信號處 理算法的簡單化，并且目前的研究大多局限于仿真，與工程實現(xiàn)還有較大差別。早在2006 年日本研制的巨磁阻抗傳感器就已經(jīng)產(chǎn)品化，但到目前我國還沒有成熟的類似產(chǎn)品。根據(jù) 《IEEE Transaction on Magnetics》2013年第49卷第1期，國外美、日研制的巨磁阻抗傳 感器的精度已經(jīng)達到了 InT，然而由于西方對我國的技術封鎖等原因，國內(nèi)對GMI傳感器的 研究還處于起步階段，其精度僅有IOOOnT左右。
[0004] 一般而言，GMI傳感器的硬件部分包括激勵電路、敏感元件和信號處理電路三大部 分。實際的傳感器設計中，由于采用的激勵方法和信號處理方法的差異，使得傳感器的實際 電路不盡相同，甚至有很大的差異?！禔pplied Physics》2008年第90卷"One-dimensional AGMI sensor with Co66Fe4Si15B15 ribbon as sensing element，'、《傳感技術學報》2011 年 第2期"基于非晶合金非對稱巨磁阻抗效應的磁傳感器設計"給出的設計方案中，信號處 理電路由放大電路、檢波電路、濾波電路、基準電路和反饋電路組成，其中用檢波電路提取 輸出信號的幅值信息，用基準電路以調(diào)整傳感器的測量范圍，用反饋電路以改善傳感器輸 出的線性度。這樣的設計方案簡單易行，并且成本低，在一定程度上有利于傳感器的微型 化?！禝EEE Sensors Journal》2011 年第 11 卷第 10 期"Differential-Type GMI Magnetic Sensor Based on Longitudinal Excitation，'，〈〈IEEE Transactions on Magnetics)) 2012 年第 48 卷第 4 期"Dependence of Giant Magnetoimpedance on the Electron Irradiation for Sensor Design"提出了另一種設計方案，與前一種方案最大的不同在于 信號處理電路采用的是相干解調(diào)，雖然其性能優(yōu)于包絡檢波，但本質(zhì)上提取的仍然是信號 的幅度信息，采用的信號處理模型仍然僅僅利用的是傳感器輸出信號的幅值變化率，并基 于該曲線的近似線性區(qū)域?qū)鞲衅鬟M行標定，使得傳感器的量程范圍很小。無論這兩種方 案的哪一種，都不利于傳感器性能的提高，特別是在目標探測領域，這是因為：第一，利用巨 磁阻抗傳感器特性曲線建模時，傳感器的探測范圍被限制在了線性區(qū)域，特征曲線的非線 性部分沒有充分利用，不利于傳感器量程的拓展；第二，大多利用最小二乘的方法建立特性 曲線線性區(qū)域的模型，傳感器的測量精度還有待提高。因此，盡可能拓展傳感器的測量范 圍，同時提高目標探測的精度，是目標探測巨磁阻抗傳感器設計的基本要求。
[0005] 另外，在巨磁阻抗傳感器信號處理方面的研究還很少，尤其是在巨磁阻抗傳感器 輸出信號的多特征提取及變化規(guī)律的深入分析方面更少?！秶揽萍即髮W學報》2012年第4 期的論文"非晶絲GMI磁傳感器信號的小波分析"和2013年第1期的論文"自適應LMS和 相關算法在GMI磁傳感器信號檢測中的應用"中直接對傳感器的輸出信號進行放大、低通濾 波和采樣處理，進而進行小波分析，文中以信號小波分解后的第三層尺度系數(shù)作為后續(xù)處 理的依據(jù)，但文中給出的仿真結(jié)果并沒有達到理想的精度，說明文中提出的信號處理方法 還有待改進。實際上，其主要問題在于低通濾波器的應用不合理，一方面低通濾波在濾除噪 聲的同時也濾除了信號本身的各次諧波信息，另一方面濾波器也會影響信號的相位，由于 通過低通濾波器后的信號頻率成分比較單一，因此即便通過小波分析也難以提取除了幅度 之外的更多的有用信息。
[0006] 目前，以磁場測量為手段的目標探測方面的研究已經(jīng)有了一些理論成果，例如海 軍工程大學包中華研究了基于水下電磁場的艦船目標遠程探測方法，龐學亮等研究了遠距 離飛機目標的探測方法，對磁性目標探測進行了理論研究；裝甲兵工程學院的費?？　㈥愓?宏等對坦克的外部磁場建模進行了相關研究。但有關巨磁阻抗傳感器在目標探測領域尤其 是軍事目標探測領域的工程應用研究還未見諸報道。
[0007] 綜上所述，目前巨磁阻抗傳感器的設計方案主要有以下不足：
[0008] (1)通過硬件電路直接提取傳感器輸出信號的基頻分量幅度信息，忽略了信號諧 波分量以及其他信號特征，不利于測量精度的提高和測量范圍的拓展；
[0009] (2)設計方案的重點是硬件處理電路，軟件算法比較簡單，限制了其在某些精度要 求高、動態(tài)范圍大等場合的應用。
[0010] 上述的不足限制了巨磁阻抗傳感器在目標探測中的應用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 為了克服前述巨磁阻抗傳感器的設計方面存在的不足，本發(fā)明提供一種用于距離 探測的巨磁阻抗傳感器裝置，該裝置包括激勵電路、敏感組件、前置放大電路、混頻濾波電 路、末級放大電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路、反饋電路和微處理器。其中：
[0012] 激勵電路：用于產(chǎn)生高頻交流激勵信號和混頻濾波模塊所需的基準信號；
[0013] 敏感組件：包括非晶絲、激勵線圈和信號線圈，激勵線圈輸入端與激勵電路的激勵 信號輸出端電連接，激勵信號通過激勵線圈施加到非晶絲上，非晶絲產(chǎn)生巨磁阻抗效應，信 號線圈用于拾取巨磁阻抗效應產(chǎn)生的信號并輸出，信號線圈的輸出端與前置放大器的輸入 端電連接；
[0014] 前置放大電路：用于對信號線圈的輸出信號進行放大并抑制噪聲，其輸入、輸出分 別與信號線圈輸出端、混頻濾波電路輸入端電連接；
[0015] 混頻濾波電路，用于對前置放大電路的輸出信號進行降低頻率、提取信號中的基 頻和諧波分量，并濾波帶外噪聲，其信號輸入、輸出分別與前置放大電路輸出端、末級放大 電路輸入端電連接，其混頻基準信號輸入端與激勵電路相應信號輸出端電連接；
[0016] 末級放大電路：用于將信號放大到適合模/數(shù)轉(zhuǎn)換的范圍，從而降低信號的量化 噪聲，其輸入、輸出分別與混頻濾波電路輸出端、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸入端電連接；
[0017] 模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路：用于將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，其輸入、輸出分別與末級放大 電路輸出端、微處理器輸入端電連接；
[0018] 微處理器：用于接收模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸出的數(shù)字信號，根據(jù)預先建立的信號處理 模型進行信號處理和傳輸；
[0019] 反饋電路：用于將末級放大電路的輸出信號反饋至激勵電路，以改善傳感器的線 性度和溫度穩(wěn)定性，其輸入、輸出分別與末級放大電路輸出端、激勵電路輸入端電連接。
[0020] 所述混頻電路最好包括兩級混頻電路和兩級濾波器電路，所述前置放大電路的輸 出與第一級混頻電路的輸入電連接，經(jīng)第一級混頻電路輸出的差頻與和頻信號通過第一級 濾波電路得到差頻信號，然后輸入到第二級混頻電路，經(jīng)第二級混頻電路混頻再通過第二 級濾波電路得到差頻信號，最后送到末級放大電路。所述激勵電路產(chǎn)生的激勵信號頻率為 f〇,第一級混頻電路中采用1. 54作為基準信號，通過低通濾波器，同時提取出傳感器輸出 信號的基頻與二次諧波信息；第二級混頻中采用〇. 5&-10KHZ作為基準信號，再經(jīng)過低通濾 波器，從而得到中心頻率為IOKHz的輸出信號，便于直接進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。采集的巨磁阻抗 傳感器信號通過上述混頻電路調(diào)理后，信號進行了放大，同時僅保留了感興趣的信號成分， 并且通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成了數(shù)字信號，這就為利用不同的軟件算法進行特征提取和 計算提供了方便。
[0021] 本發(fā)明還提供了一種基于上述巨磁阻抗傳感器裝置的信號處理方法，利用信號基 頻與二次諧波分量建立信號處理模型，通過測量任一點目標的信號特征，反演計算得到該 目標相對傳感器的距離。
[0022] 本發(fā)明提供的巨磁阻抗傳感器裝置，通過提取信號的基頻和諧波分量，濾除噪聲 和干擾，提高了測量精度。
[0023] 本發(fā)明提供的信號處理方法，利用信號基頻與二次諧波分量及其多特征信息，克 服了只利用線性區(qū)的不足，大大拓展了傳感器的測量范圍。
[0024] 本發(fā)明提供的巨磁阻抗傳感器裝置采用微處理器有利于實現(xiàn)傳感器組網(wǎng)，通過多 傳感器數(shù)據(jù)融合進一步提高測量精度和拓展測量范圍。
[0025] 本發(fā)明提供的巨磁阻抗傳感器裝置設計方案容易集成，實現(xiàn)傳感器的小型化，提 高可靠性，降低生產(chǎn)成本。
[0026] 本發(fā)明提供的巨磁阻抗傳感器裝置也能夠用于探礦、智能交通和磁引信等技術領 域。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027] 為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖作進一步的說明。
[0028] 圖1巨磁阻抗傳感器裝置硬件原理圖；
[0029] 圖2巨磁阻抗傳感器裝置混頻濾波電路原理及信號連接圖；
[0030] 圖3敏感組件結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031] 圖4僅提取基頻幅值與同時提取基頻、二次諧波幅值的變化率曲線；
[0032] 圖5幅值變化率曲線擬合結(jié)果（右半部分）。

【具體實施方式】
[0033] 下面通過實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0034] 巨磁阻抗傳感器裝置硬件原理圖如圖1所示。
[0035] 激勵電路，用于產(chǎn)生高頻交流激勵信號和混頻濾波模塊所需的基準信號，可采用 多諧振蕩器或晶振電路。傳統(tǒng)的單一頻率激勵方式可以用于本發(fā)明的裝置中，或者其他形 式的多頻激勵電路、可程控激勵電路等也可用于本發(fā)明的裝置中。
[0036] 敏感組件結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括非晶絲1、激勵線圈2和信號線圈3,激勵線圈2輸 入端與激勵電路的激勵信號輸出端電連接，激勵信號通過激勵線圈2施加到非晶絲1上，非 晶絲1產(chǎn)生巨磁阻抗效應，信號線圈3用于拾取巨磁阻抗效應產(chǎn)生的信號并輸出，信號線圈 3的輸出端與前置放大器的輸入端電連接；非晶絲1、激勵線圈2和信號線圈3,激勵信號通 過激勵線圈2施加到非晶絲1上，產(chǎn)生巨磁阻抗效應，信號線圈3用于感應巨磁阻抗效應產(chǎn) 生的輸出信號；
[0037] 所述前置放大電路包放大器和外接電阻，信號線圈感應的輸出信號送到放大器輸 入端，放大器的增益通過外接電阻來調(diào)節(jié)。其主要是為了抑制噪聲，并使攜帶有用信息的信 號通過，因此對帶寬和噪聲抑制有較高的要求。非晶絲信號線圈直接輸出的信號比較小，同 時為了減少噪聲影響，需要經(jīng)過前置放大器放大后再進行后續(xù)處理；基于多頻激勵條件下， 非晶絲輸出信號的帶寬比較寬，同時還要保留必要的諧波分量，因此需要該前置放大器不 僅具有足夠的帶寬和對噪聲具有良好的抑制能力，增益還要盡可能地高。
[0038] 因此，可以選擇性能優(yōu)異的儀用放大器。例如，可以選用高速、低噪聲的THS4021

【權利要求】
1. 一種巨磁阻抗傳感器裝置，包括激勵電路、敏感組件、前置放大電路、混頻濾波電路、 末級放大電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路、反饋電路和微處理器； 激勵電路：用于產(chǎn)生高頻交流激勵信號和混頻濾波模塊所需的基準信號； 敏感組件：包括非晶絲（1)、激勵線圈（2)和信號線圈（3)，激勵線圈（2)輸入端與激 勵電路的激勵信號輸出端電連接，激勵信號通過激勵線圈（2)施加到非晶絲（1)上，非晶絲 (1)產(chǎn)生巨磁阻抗效應，信號線圈（3)用于拾取巨磁阻抗效應產(chǎn)生的信號并輸出，信號線圈 (3)的輸出端與前置放大器的輸入端電連接； 前置放大電路：用于對信號線圈（3)的輸出信號進行放大并抑制噪聲，其輸入、輸出分 別與信號線圈（3)輸出端、混頻濾波電路輸入端電連接； 末級放大電路：用于將信號放大到適合模/數(shù)轉(zhuǎn)換的范圍，從而降低信號的量化噪聲， 其輸入、輸出分別與混頻濾波電路輸出端、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸入端電連接； 模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路：用于將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，其輸入、輸出分別與末級放大電路 輸出端、微處理器輸入端電連接； 微處理器：用于接收模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸出的數(shù)字信號，根據(jù)預先建立的信號處理模型 進行信號處理和傳輸； 反饋電路：用于將末級放大電路的輸出信號反饋至激勵電路，以改善傳感器的線性度 和溫度穩(wěn)定性，其輸入、輸出分別與末級放大電路輸出端、激勵電路輸入端電連接； 其特征在于：所述的混頻濾波電路，用于對前置放大電路的輸出信號進行降低頻率、提 取信號中的基頻和諧波分量，并濾除帶外噪聲，其信號輸入、輸出分別與前置放大電路輸出 端、末級放大電路輸入端電連接，其混頻基準信號輸入端與激勵電路相應信號輸出端電連 接。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種巨磁阻抗傳感器裝置，其特征在于：所述混頻濾波電路 包括第一級混頻電路、第一級濾波電路、第二級混頻電路和第二級濾波電路，所述前置放大 電路的輸出與第一級混頻電路的輸入電連接，經(jīng)第一級混頻電路輸出的信號通過第一級濾 波電路得到差頻信號，然后輸入到第二級混頻電路，經(jīng)第二級混頻電路混頻再通過第二級 濾波電路得到差頻信號，第二級濾波電路的輸出與所述的末級放大電路的輸入端電連接。
3. 根據(jù)權利要求2所述的一種巨磁阻抗傳感器裝置，其特征在于：所述第一級混頻電 路和第二級混頻電路均采用模擬乘法器芯片MC1596實現(xiàn)。
4. 根據(jù)權利要求2所述的一種巨磁阻抗傳感器裝置，其特征在于：所述激勵電路產(chǎn)生 的激勵信號頻率為f〇,第一級混頻電路基準信號頻率為1. ，第二級混頻電路基準信號頻 率為0. SfflOKHz ;第一級濾波電路是截止頻率為0. < fn < 2. 的低通濾波電路，通 過第一級混頻電路和第一級濾波電路，同時提取出信號的基頻與二次諧波分量；第二級濾 波電路是截止頻率為15KHz的低通濾波電路，通過第二級混頻電路和第二級濾波電路，得 到中心頻率為lOKHz的輸出信號，便于直接進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。
5. 根據(jù)權利要求4所述的一種巨磁阻抗傳感器裝置，其特征在于：所述激勵信號的頻 率4為10MHz，第一級混頻電路的基準信號頻率為15MHz，第二級混頻電路的基準信號頻率 為 4. 99MHz。
6. 根據(jù)權利要求1-5任一項所述的一種巨磁阻抗傳感器裝置，其特征在于：所述激勵 電路可采用多諧振蕩器或晶振電路。
7. 根據(jù)權利要求1-5任一項所述的一種巨磁阻抗傳感器裝置，其特征在于：所述前置 放大電路包括運算放大器和外圍器件，運算放大器芯片采用THS4021，放大器的增益通過外 接電阻來調(diào)節(jié)。
8. 根據(jù)權利要求1-5任一項所述的一種巨磁阻抗傳感器裝置，其特征在于：所述末級 放大器采用兩級級聯(lián)方式，第一級為電壓反饋高速放大器，采用的芯片為0PA820,第二級為 電流反饋運算放大器，采用的芯片為THS3091。
9. 根據(jù)權利要求1-5任一項所述的一種巨磁阻抗傳感器裝置，其特征在于：所述的模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用專門的模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片或采用集成模/數(shù)轉(zhuǎn)換功能的嵌入式微處理器。
10. 根據(jù)權利要求1-5任一項所述的一種巨磁阻抗傳感器信號處理方法，利用信號基 頻與二次諧波分量建立信號處理模型，通過測量任一點目標的信號特征，反演計算得到該 目標相對傳感器的距離。
【文檔編號】G01V3/10GK104391331SQ201410718209
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年12月2日 優(yōu)先權日:2014年12月2日
【發(fā)明者】段修生, 單甘霖, 楊青, 肖晶 申請人:中國人民解放軍軍械工程學院