本發(fā)明屬于磁場測量或磁強(qiáng)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種三軸去耦自調(diào)零磁通門磁強(qiáng)計(jì)零點(diǎn)測量電路。

背景技術(shù)：

磁通門磁強(qiáng)計(jì)是精密的磁場矢量測量儀器，廣泛用于衛(wèi)星、地磁科學(xué)觀測、資源勘探、弱磁場測量、工業(yè)控制以及軍事應(yīng)用等領(lǐng)域。對(duì)磁通門磁強(qiáng)計(jì)的基本要求精度高、分辨率高、長期工作零點(diǎn)穩(wěn)定性好、線性度好、攻耗低。但是，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的提高需要很高的代價(jià)，有些指標(biāo)互相制約，比如，為保持長期工作零點(diǎn)穩(wěn)定性，目前常用雙鐵芯、環(huán)形或跑道形鐵芯結(jié)構(gòu)，并采用正弦電流過飽和激勵(lì)，典型分辨率為1.0nT，零點(diǎn)長期漂移可以做到10nT以下，但由此帶來了很大的能耗，使功耗達(dá)幾瓦甚至幾十瓦以上，限制了磁通門磁強(qiáng)計(jì)在低功耗領(lǐng)域的應(yīng)用。

在毫瓦量級(jí)低功耗應(yīng)用領(lǐng)域，目前常用的磁通門鐵芯結(jié)構(gòu)有單鐵芯、雙鐵芯、環(huán)形或跑道形鐵芯，通常采用脈沖電壓激勵(lì)方式。為了使磁強(qiáng)計(jì)功耗低至毫瓦量級(jí)，多采用脈沖寬度較窄的激勵(lì)波形；磁強(qiáng)計(jì)探頭鐵芯的工作狀態(tài)不穩(wěn)定，受時(shí)間和溫度影響很大，使得磁強(qiáng)計(jì)的輸出噪聲較大，電路零點(diǎn)的溫漂和時(shí)漂嚴(yán)重，目前毫瓦量級(jí)低功耗磁通門的分辨率為5～10nT，但長期零點(diǎn)漂移在100nT以上，難以應(yīng)用于精密測量領(lǐng)域。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種三軸去耦自調(diào)零磁通門磁強(qiáng)計(jì)零點(diǎn)測量電路，其目的在于在保持磁通門磁強(qiáng)計(jì)高分辨率、高穩(wěn)定性的同時(shí)，降低其檢測功耗。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種三軸去耦自調(diào)零磁通門磁強(qiáng)計(jì)零點(diǎn)測量電路，包括激勵(lì)單元、激勵(lì)線圈、信號(hào)線圈、反饋電路、零點(diǎn)測量控制電路、同步檢波控制電路、放大檢波積分電路和微處理單元；

其中，激勵(lì)線圈纏繞在磁強(qiáng)計(jì)探頭鐵芯的一端，信號(hào)線圈與激勵(lì)線圈匹配，纏繞在磁強(qiáng)計(jì)探頭鐵芯的另一端；

激勵(lì)線圈的一端連接激勵(lì)單元的第一輸出端，另一端接地；零點(diǎn)測量控制電路的第一輸入端和第二輸入端分別與信號(hào)線圈的兩端連接，第三輸入端與微處理單元的輸出端連接，第四輸入端與反饋電路的輸出端連接；放大檢波積分電路的第一輸入端與零點(diǎn)測量控制電路的輸出端連接，第二輸入端與同步檢波控制電路的輸出端連接；同步檢波控制電路的輸入端與激勵(lì)單元的第二輸出端連接；反饋電路的輸入端與放大檢波積分電路的輸出端連接；微處理單元的輸入端也與放大檢波積分電路的輸出端連接。

優(yōu)選的，上述三軸去耦自調(diào)零磁通門磁強(qiáng)計(jì)零點(diǎn)測量電路，其激勵(lì)單元采用頻率穩(wěn)定的雙極性間歇脈沖電壓激勵(lì)電路。

優(yōu)選的，上述三軸去耦自調(diào)零磁通門磁強(qiáng)計(jì)零點(diǎn)測量電路，其激勵(lì)單元包括方波信號(hào)發(fā)生單元、計(jì)數(shù)譯碼電路、第一儲(chǔ)能單元和第二儲(chǔ)能單元；

其中，計(jì)數(shù)譯碼電路的輸入端與方波信號(hào)發(fā)生單元的輸出端連接；第一儲(chǔ)能單元的第一端與計(jì)數(shù)譯碼電路的第一輸出端連接，電源端用于連接外部恒壓源；

第二儲(chǔ)能單元的第一端與計(jì)數(shù)譯碼電路的第二輸出端連接，第二端連接第一儲(chǔ)能單元的的第二端、第三端連接第一儲(chǔ)能單元的第三端、第四端接地、第五端連接激勵(lì)線圈；

通過方波信號(hào)發(fā)生單元生成頻率與寬度穩(wěn)定的，正負(fù)對(duì)稱的間歇脈沖電壓波形；在該電壓波形與儲(chǔ)能單元的作用下，接通正負(fù)恒壓源對(duì)鐵芯進(jìn)行直接激勵(lì)；盡可能減小激勵(lì)回路其它部分的壓降損耗，使激勵(lì)電壓壓降絕大部分加在激勵(lì)線圈兩端，由此大幅度提高激勵(lì)單元的能量利用效率，進(jìn)而降低激勵(lì)攻耗，提高磁強(qiáng)計(jì)的零點(diǎn)穩(wěn)定性。

優(yōu)選的，上述三軸去耦自調(diào)零磁通門磁強(qiáng)計(jì)零點(diǎn)測量電路，其方波信號(hào)發(fā)生單元采用溫控晶振，產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的方波信號(hào)，具有低功耗的特點(diǎn)。

優(yōu)選的，上述低功耗三軸去耦自調(diào)零磁通門磁強(qiáng)計(jì)，其第一儲(chǔ)能單元包括第一低阻開關(guān)和第一二極管；其中，第一低阻開關(guān)的第一端作為第一儲(chǔ)能單元的第一端，用于連接計(jì)數(shù)譯碼電路的第一輸出端；第二端與第一二極管的第一端連接，其連接端作為第一儲(chǔ)能單元的電源端，用于連接外部恒壓源；第三端作為第一儲(chǔ)能單元的第二端；第一二極管的第二端則作為第一儲(chǔ)能單元的第三端。

優(yōu)選的，上述三軸去耦自調(diào)零磁通門磁強(qiáng)計(jì)零點(diǎn)測量電路，其第二儲(chǔ)能單元包括第二低阻開關(guān)、第二二極管和電容；

其中，第二低阻開關(guān)的第一端作為第二儲(chǔ)能單元的第一端，用于連接計(jì)數(shù)譯碼電路的第二輸出端，第二端作為第二儲(chǔ)能單元的第二端，第三端接地；第二二極管的第一端與電容的第一端相連，其連接端作為第二儲(chǔ)能單元的第三端，第二二極管的第二端接地；電容的第二端用于連接激勵(lì)線圈；

采用低阻開關(guān)控制恒壓源激勵(lì)鐵芯，使得激勵(lì)電壓絕大部分降落在激勵(lì)線圈兩端，以保證激勵(lì)單元極高的能量利用效率。

優(yōu)選的，上述三軸去耦自調(diào)零磁通門磁強(qiáng)計(jì)零點(diǎn)測量電路，安裝采用三軸探頭弱耦合安裝方式，磁強(qiáng)計(jì)的第一軸探頭與第二軸探頭不共面正交，且與所述第一軸探頭與第二軸探頭鐵芯中點(diǎn)的連線垂直；第三軸探頭安裝在第一軸探頭與第二軸探頭鐵芯中點(diǎn)連線的延長線上；這種結(jié)構(gòu)降低了磁強(qiáng)計(jì)中任一軸的反饋磁場和激勵(lì)磁場對(duì)其它軸的影響，從而降低三軸耦合誤差。

優(yōu)選的，上述三軸去耦自調(diào)零磁通門磁強(qiáng)計(jì)零點(diǎn)測量電路，其零點(diǎn)測量控制電路包括兩組開關(guān)；在微處理單元的控制下，通過兩組開關(guān)切換使信號(hào)線圈的兩各端倒向，測量倒向前、后的輸出電壓值，根據(jù)該輸出電壓值測量電路零點(diǎn)。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：

(1)本發(fā)明提供的三軸去耦自調(diào)零磁通門磁強(qiáng)計(jì)零點(diǎn)測量電路，采用頻率穩(wěn)定的低攻耗雙極性間歇脈沖電壓激勵(lì)單元對(duì)鐵芯進(jìn)行激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)穩(wěn)定和低功耗，解決磁通門磁強(qiáng)計(jì)低功耗與高性能之間的矛盾，在供電電源為+5V、1mA的條件下，典型分辨率為1.0nT,零點(diǎn)長期漂移在30nT以下；并可以通過微處理器編程控制實(shí)現(xiàn)對(duì)電路零點(diǎn)的在線檢測與零點(diǎn)校準(zhǔn)，可長期用于弱磁場測量和磁性目標(biāo)探測領(lǐng)域；

(2)本發(fā)明提供的三軸去耦自調(diào)零磁通門磁強(qiáng)計(jì)零點(diǎn)測量電路，其優(yōu)選方案里，采用磁強(qiáng)計(jì)三軸探頭弱耦合安裝方式，降低了三軸耦合誤差；

(3)本發(fā)明提供的三軸去耦自調(diào)零磁通門磁強(qiáng)計(jì)零點(diǎn)測量電路，其優(yōu)選方案采用低功耗溫控晶振產(chǎn)生方波信號(hào)，同時(shí)保證工作頻率穩(wěn)定和振蕩電路低攻耗；采用穩(wěn)定方波信號(hào)對(duì)磁通門鐵芯激勵(lì)，保證激勵(lì)單元低功耗；并且，由于方波是正負(fù)對(duì)稱的，其頻率、寬度、幅度穩(wěn)定，可以提高磁強(qiáng)計(jì)的零點(diǎn)穩(wěn)定性；

(4)通過低阻開關(guān)控制電壓源直接激勵(lì)磁通門鐵芯的方式，控制恒壓源直接激勵(lì)鐵芯，使激勵(lì)電壓壓降絕大部分加在激勵(lì)線圈兩端，激勵(lì)回路其它部分的壓降損耗很小，大幅度提高激勵(lì)單元的能量利用效率，進(jìn)而降低激勵(lì)攻耗。

附圖說明

圖1是實(shí)施例提供的低功耗三軸去耦自調(diào)零磁通門磁強(qiáng)計(jì)的第一軸零點(diǎn)測量電路示意圖；

圖2是實(shí)施例中的激勵(lì)單元的示意圖；

圖3是實(shí)施例中激勵(lì)單元所產(chǎn)生的激勵(lì)波形的示意圖；

圖4是實(shí)施例中的零點(diǎn)測量控制示意圖；

圖5是實(shí)施例中的三軸磁通門弱耦合安裝方式示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

磁通門磁強(qiáng)計(jì)的功耗主要分布在激勵(lì)單元、放大檢波積分電路和反饋電路；降低磁通門磁強(qiáng)計(jì)檢測功耗的關(guān)鍵是降低激勵(lì)單元功耗；本發(fā)明在降低激勵(lì)功耗上的具體措施是采用雙極性間歇脈沖電壓激勵(lì)方式，以寬度窄的矩形脈沖，通過低導(dǎo)通電阻開關(guān)，控制恒壓源對(duì)磁通門鐵芯進(jìn)行激勵(lì)，將鐵芯周期性地激勵(lì)至飽和狀態(tài)，保證磁強(qiáng)計(jì)有足夠的分辨率，同時(shí)極大地提高激勵(lì)單元能量利用效率。

圖1所示，是實(shí)施例提供的低功耗三軸去耦自調(diào)零磁通門磁強(qiáng)計(jì)的第一軸零點(diǎn)測量電路的功能框圖；包括激勵(lì)單元、激勵(lì)線圈、信號(hào)線圈、反饋電路、零點(diǎn)測量控制電路、同步檢波控制電路、放大檢波積分電路和微處理單元；其余兩軸的零點(diǎn)測量電路與此相同。

圖2所示，是實(shí)施例中的激勵(lì)單元示意圖；實(shí)施例中，激勵(lì)單元包括方波信號(hào)發(fā)生單元、計(jì)數(shù)譯碼電路、第一儲(chǔ)能單元和第二儲(chǔ)能單元；

其中，計(jì)數(shù)譯碼電路的輸入端與方波信號(hào)發(fā)生單元的輸出端連接；第一儲(chǔ)能單元的第一端與計(jì)數(shù)譯碼電路的第一輸出端連接，電源端用于連接外部恒壓源；

第二儲(chǔ)能單元的第一端與計(jì)數(shù)譯碼電路的第二輸出端連接，第二端連接第一儲(chǔ)能單元的的第二端、第三端連接第一儲(chǔ)能單元的第三端、第四端接地、第五端連接激勵(lì)線圈。

圖3所示，是實(shí)施例中激勵(lì)單元所產(chǎn)生的激勵(lì)波形的示意圖；在激勵(lì)脈沖Q2為高電平期間，第一儲(chǔ)能單元的開關(guān)K1導(dǎo)通，第二儲(chǔ)能單元的開關(guān)K2斷開，由于導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)小于激勵(lì)線圈阻抗，開關(guān)兩端電壓可以忽略；第二儲(chǔ)能單元的電容C上所充上的反向電壓和電源電壓Vs的絕大部分降落在激勵(lì)線圈兩端，能量利用率很高；激勵(lì)單元以穩(wěn)定的電壓幅度使激勵(lì)電流緩慢增加，將鐵芯激勵(lì)至飽和，保證磁強(qiáng)計(jì)有足夠強(qiáng)的信號(hào)輸出；

當(dāng)磁通門鐵芯被激勵(lì)至飽和時(shí)，激勵(lì)線圈的即時(shí)電感量L很小，激勵(lì)電流迅速增加，電容快速充電，維持一段時(shí)間后，電容充電至接近電源電壓，使激勵(lì)線圈兩端的電壓很小，激勵(lì)電流不再增加，限制鐵芯的飽和深度，降低功耗；

在激勵(lì)脈沖Q2轉(zhuǎn)為低電平時(shí)，第一儲(chǔ)能單元的開關(guān)K1斷開，激勵(lì)線圈回路電流在電感慣性作用下通過二極管D2繼續(xù)對(duì)電容C充電，將激勵(lì)線圈電感上的剩余能量儲(chǔ)存在電容上；

在激勵(lì)周期的后半周，脈沖Q7為高電平期間，第二儲(chǔ)能單元的開關(guān)K2導(dǎo)通，第一儲(chǔ)能單元的開關(guān)K1斷開，儲(chǔ)存在電容C上的電壓加在激勵(lì)線圈兩端，對(duì)磁通門鐵芯進(jìn)行反向激勵(lì)，激勵(lì)電壓的時(shí)間波形與前半周基本對(duì)稱，磁強(qiáng)計(jì)與前半周有相似的信號(hào)輸出；

在激勵(lì)脈沖Q7轉(zhuǎn)為低電平時(shí)，第二儲(chǔ)能單元的開關(guān)K2斷開，激勵(lì)線圈回路電流在電感慣性作用下通過二極管D1繼續(xù)對(duì)電容C反向充電，同樣將激勵(lì)線圈電感上的剩余能量儲(chǔ)存在電容上；

在整個(gè)激勵(lì)周期內(nèi)，只有Q2在高電平時(shí)間，才由電源補(bǔ)充激勵(lì)能量，而Q2脈寬很窄，因此能耗很低；并且，通過二極管儲(chǔ)能，在每一次將將磁通門鐵芯激勵(lì)至飽和后，都將激勵(lì)線圈電感L上的剩余能量轉(zhuǎn)換成電容能量儲(chǔ)存起來，使得每個(gè)激勵(lì)周期所消耗的能量主要為鐵芯磁滯損耗和線圈內(nèi)阻上的熱損耗，因此，實(shí)施例中的這種激勵(lì)單元能量利用率高，電路平均電源電流可方便地控制在0.3mA以下。

為提高三軸磁通門磁強(qiáng)計(jì)的精度和分辨率，以及長期零點(diǎn)穩(wěn)定性；實(shí)施例中采用高穩(wěn)定性低功耗溫控晶振電路產(chǎn)生頻率、寬度穩(wěn)定的間歇脈沖電壓波形，并通過低阻開關(guān)，接通恒壓源對(duì)鐵芯進(jìn)行激勵(lì)，激勵(lì)信號(hào)波形正負(fù)對(duì)稱，頻率、寬度、幅度均有穩(wěn)定措施，從而保證了磁強(qiáng)計(jì)零點(diǎn)穩(wěn)定性；并且，由于激勵(lì)能量利用率高，在低功耗的條件下，仍能將鐵芯激勵(lì)至深度飽和，保證了磁強(qiáng)計(jì)的穩(wěn)定性和高分辨率。

圖4是實(shí)施例中的零點(diǎn)測量控制電路與其他組件的匹配示意圖；其零點(diǎn)測量控制電路包括兩組開關(guān)；在微處理單元的控制下，通過兩組開關(guān)切換使探頭信號(hào)線圈的兩個(gè)輸出端倒向，測量倒向前后的輸出電壓值，根據(jù)該輸出電壓值獲取電路零點(diǎn)；這種零點(diǎn)測量方式可在線精確進(jìn)行，并予于消除，降低了零點(diǎn)漂移對(duì)測量結(jié)果的影響。

圖5是實(shí)施例中的三軸磁通門弱耦合安裝方式示意圖；其中，三軸探頭正交且三軸探頭各有一個(gè)對(duì)稱軸在一條直線上；其中兩軸探頭不共面正交，且與這兩軸探頭鐵芯中點(diǎn)的連線垂直，另一軸探頭安裝在前兩軸探頭鐵芯中點(diǎn)連線的延長線上。這種安裝方式保證了磁強(qiáng)計(jì)中的任一軸的反饋磁場和激勵(lì)磁場對(duì)其它軸的影響小，從而降低了三軸耦合誤差。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。