毕业论文高精度磁通门磁力仪系统的研制

系统主机
系统主机内部结构主要包括三大部分，供电电源、计算
机系统（包含主板、CPU、内存、硬盘、网卡、显示器等计 算机必备硬件）及磁力仪电子学箱。
适配器
AC220V
线性电源28V
内存
主板
硬盘
显示器
USB RS232
防
辐 射
磁通门电子学箱
隔
数字信 探头 电源
板
号输出 输入 输入
+28V
USB RS232 探头输入
三轴磁通门传感器内部结构
磁通门传感器
❖ 传感器骨架用于固定三个单轴磁传感器，对其材料要求：
▪ 无磁性，骨架不能对外磁场产生任何影响 ▪ 强度高、温度变化小、不易产生形变 ▪ 易加工且加工精度高，三轴骨架需正交固定三个单轴磁通门传感
器，需确保三轴的正交误差较小
❖ 综合考虑选用无磁铝合金 ❖ 保护外壳材料选用无磁铝合金或聚砜材料
±12V、±5V
系统电源结构图
数字板 模拟板
磁测系统
系统功能需求 主机+外部功能组件
磁测系统
嵌入式计算机 3G模块 GPS模块 温湿度计
系统性能需求 磁通门磁力仪
磁传感器 电子学箱
1
课题背景及研究内容
2
系统总体结构
3
磁通门技术及磁力仪的研制
4
磁测系统的组建
35
磁测系统性能标定
46
总结与展望
磁通门原理
❖ 根据系统设计计算可得电压 分辨力为3.85uV，24位A/D 转换器最小分辨力0.596uV ，能满足设计要求。
AD7710芯片
本章小结
磁通门磁力仪研制过程
组装磁力仪 模拟、数字电路调试 传感器结构、材料及制作 磁通门工作原理
磁通门磁力仪实物照片
1
课题背景及研究内容
2
系统总体结构
3
磁通门技术及磁力仪的研制
所需的±5V与±12V电压。
+28V
AC220V
线性 电源
EMI
+15V
DC-DC GND
-15V
FGDS-2A-50V
MGDBI-10-F
电源结构示意图
7805 7905 7812 7912
+5V 数 GND 字
板
-5V
+12V 模 GND 拟 -12V 板
数字采集模块
❖ AD7710是一款适合低频测 量应用的高精度24位A/D转 换器，采用Σ-Δ转换技术， 可直接接受来自模拟板的电 平信号。
从公式可以看出感应电势中的第一项与环境磁场H0无关 ，且是激励频率f0的奇次谐波；而第二项与外界磁场强度 成正比的信号，且是激励频率f0的偶次谐波。其中2次谐波 幅值最大，因此以e的2次谐波作为测量磁场的有效信号。
磁通门磁力仪的研制
磁通门磁力仪
磁通门传感器
磁通门电子学箱
磁通门传感器
❖ 三轴磁通门传感器是由三个单轴传感器及支架底座和保护 外壳三部分组成的。支架底座用于固定单轴传感器并使其 三个传感器正交放置，保护外壳用于保护内部传感器，并 设计留有引线空和压线卡槽固定连接电缆
磁通门电子学箱
❖ 磁通门电子学箱结构分成上下两部分，上半部分用于固定模拟电路 板，下半部分用于固定数字电路板，两部分中间还有一块隔离板， 用于减小数字板与模拟板之间的辐射干扰。
电子学箱结构图
磁通门电子学箱
❖ 磁通门信号处理采集电路总体框图
信号 放大
带通滤波器
移相器
相敏解调器
信号线圈 反馈线圈 激励线圈
系统主机
磁测系统组件
❖ 系统软件介绍
系统软件显示主界面
系统软件
❖ 系统软件介绍
▪ 串口设置 ：为GPS、3G网卡、磁强计数据接口配置串口 ▪ 上传设置 ：设置上传邮箱和接收邮箱，设定上传数据时间等 ▪ 曲线调节 ：可调节4路显示曲线坐标的上下限 ▪ 探针参数 ：设置磁通门传感器标定参数 ▪ 样机设置 ：设置仪器名称，设定数据存储路径 ▪ 软 键 盘 ：用于无外接键盘时输入 ▪ 运行日志 ：记录软件运行过程中出现的错误报警信息 ▪ 上传日志 ：记录数据上传过程中出现的错误报警信息
磁测系统组件
❖ 传感器埋地保护支架结构
1
课题背景及研究内容
2
系统总体结构
3
磁通门技术及磁力仪的研制
8寸液晶显示屏幕，液晶屏像素:800（H）x 600（V）pixel
支持NMEA-0183，传输速率：4800，9600（可选） 跟踪能力：同时最多跟踪32颗卫星 适用接口：usb接口，RS-232，PS2，S端子
华为3G网卡，最快可达7.2Mbps下载速度及2.1Mbps上传速度 测量的温度范围：-40℃～120℃ 测量的湿度范围：0～100%RH 测量精度：温度±0.5℃ 湿度±2%RH
按傅里叶级数展开可得：
t f t n f t ( ) 0 m 2 mc 4 o 0 s n mc 2 o 0 s
磁通门原理
❖将H和μ(t) 公式带入公式1，化简可得：
e(H0)2f0WSm[H(0 122m)si2nf0t32(2m 4m)si6nf0t 52(4m 64m)si1n0f0t] 2f0WS0(H22msi4nf0t44msi8nf0t)
磁通门传感器
❖ 磁通门传感器的线圈系统是测量磁场的最小单元，包括三 个绕组：
▪ 激励线圈 绕制于环形磁芯上，放置于激励线圈骨架内 ▪ 信号线圈 绕制于方形上 ▪ 反馈线圈 绕制于信号线圈外
❖信号、反馈线圈骨架材料，选用聚酰亚胺材料
磁通门传感器
❖ 激励线圈结构是将高导磁率材料均匀放在磁芯骨架内，在骨架外绕制 漆包线。对高导磁率材料的选择要求：
磁通门感应信号
磁通门感应信号
相位基准
相位基准
相敏解调
相敏解调
磁通门感应信号相移后与相位基准信号相位完全一致
磁通门感应信号相移后与相位基准信号相位不一致
❖ 相敏解调作用是将有效信号的半周期进行翻转，再送往积分器积分， 由于积分器不可避免存在漏电流，因此在反馈平衡状态必存在偏置电
压。如上图分析，当有效信号相位与参考信号相位达到一致时，将得
磁通门磁力仪主机内部结构示意图
电源系统
系统供电使用220V交流市电，进入系统主机后一分为二， 一路通过电源适配器给主机的计算机系统供电，另一路经过 线性电源为磁通门磁力仪单独供电。
AC 220v
电源适配器
计算机系统
主板、液晶 屏、温湿度 计、GPS、3G
线性电源 +28V
电子学箱
+28V
DC-DC模块
整个系统主要由三个外接探头、一个3G网络通讯模块和一个 主机所组成。三个探头分别是测量磁场的磁通门磁传感器、测量 工作环境温湿度的温湿度计传感器和用于定位校准时间的GPS探 头。
温湿
GPS
AC220V
度计
GFGM001
显示屏
电源口
USB 串口 串口 USB 3G模块
·
传感器
磁通门磁力仪系统总体结构示意图
LOGO
毕业论文高精度磁通门磁力仪系统的研制
答辩提纲
1
课题背景及研究内容
2
系统总体结构
3
磁通门技术及磁力仪的研制
4
磁测系统的组建
35
磁测系统性能标定
46
总结与展望
背景
起源
上世纪三十年代磁 通门技术被提出， 并引起广泛关注， 1936年德国物理学 家首次利用环芯探 头的二次谐波测量 大地磁场。
发展
磁通门技术不断的 快速发展，目前在 世界范围代表该领 域先进水平的，主 要是一些欧美发达 国家，如美国 SMALL、加拿大 MF200、英国 FLARE以及丹麦 FGE等。
我国地磁监测系统
在我国， “十一五 ”中期投资建设了 一个大型空间环境 观测网络——“子 午工程”，其中地 磁（电）分系统在 15个台站部署了地 磁仪，用于连续监 测地球表面磁场。
X
地球物理所 GM-4
±62500nT 2500nT ＜0.1nT 1Hz 0.1nT
X
本课题系统 GFGM001 ±65000nT
全量程 ＜0.1nT
20Hz 0.1nT
0.02%
1
课题背景及研究内容2系统总体结构3磁通门技术及磁力仪的研制
4
磁测系统的组建
35
磁测系统性能标定
46
总结与展望
系统总体设计
反馈 电流 放大
激励 电流 放大
积分器
模拟信号 数字采集电路
外部通讯
供电电路
黄色为模拟电路板电路，蓝色部分为数字电路板电路
模拟电路板
信号调 理电路
激励电路 前置放大电路
相敏解调电路 积分反馈电路 信号输出电路
激励电路
MOSFET驱动器
激励线圈
❖ 方波激励可以通过晶振生成方波信号，再利用MOSFET开关进行功率 的放大，后续的阻抗匹配采用二级谐振网络。用这种方案实现的激励 波形平滑对称，尖峰突出，一次谐波大，而二次谐波小，为较理想的 激励信号。
到最大的输出有效值。
积分反馈电路
❖ 积分器电路实时快速响应输入的信号，当输入信号偏移零点时，积分 器输出电压将迅速趋向于新的稳定状态变化；
❖ 反馈模块则是一个标准的电压电流转换电路，将积分器输出电压变成 电流信号输入到反馈线圈中。
❖ 达到平衡时，积分器电压值对应的电流在反馈线圈上产生的磁场大小 与外部磁场相等时，传感器工作在零场状态，这时输入信号为0，即 积分器输入信号为0，则积分器输出处于稳定状态。
4
磁测系统的组建
35
磁测系统性能标定
46
总结与展望
❖ 系统主机
磁测系统组建
内存&硬盘
系统主机机箱
主板&CPU
磁通门磁力 RS232 仪电子学箱
USB
液晶显示屏
RS232
温湿度计
GPS模块
3G模块
系统主机
主板 CPU 内存 硬盘 显示器
GPS
3G模块
温湿度计
采用基于Intel ICH8M 板载N450处理器 DDR2 1G内存 64G 固态硬盘
信号输出电路
❖ 信号输出电路（跟随器）作用：
▪ 采用低通滤波器对输出信号进行处理，减小激励信号叠加干扰 ▪ 同时增加跟随器减小输出阻抗：
OP27
数字电路板
❖ 数字电路板主要由两大部分组装成，电源模块和数字采集电路。
▪ 电源模块为数字板和模拟板电路提供工作电压； ▪ 数字采集电路主要由单片机、逻辑单元、存储单元、AD采集芯片及通信
磁测系统组件
❖ 传感器埋地保护支架
▪ 保护磁通门传感器，由于传感器要长时间 放置于室外环境工作，风吹日晒雨淋在所 难免，设计保护罩可以有效避免传感器被 雨水侵蚀
▪ 固定传感器，磁通门传感器本身较小，容 易受外界震动而改变位置方向，而长时间 地磁监测要求传感器应保持位置不动，因 此将固定传感器的保护支架埋入土中可保 证传感器长时间位置不变
模块组成，主要芯片单片机选用89C53，AD数字采集芯片选用24位 AD7710。
电源模块
❖ 数字电路板电源模块主要为数字板和模拟板工作供电，整个系统由外
接市电220V供电，首先通过线性电源将交流220V转化成直流28V，
然后通过EMI滤波器，再由DC-DC模块将28V电压转换成±15V，最
后通过LM78xx系列稳压电源芯片，将±15V电压转换成电路芯片工作
▪ 有很高的导磁率和极小的矫顽力
▪ 噪声低稳定性高
▪ 有很好的加工性能
▪ 有较好的防锈性能
激励线圈示意图
❖ 国际上制作磁通门传感器磁芯常用的铁镍合金是含钼6%、镍81.3%的
坡莫合金，我国国产1J86坡莫合金和上述的坡莫合金成分接近。
❖ 磁芯骨架材料选择与1J86坡莫合金具有相近温度膨胀系数的高温合金 钢，两者分别为15.19ppm/℃和15.14ppm/℃，相差很小。
研究内容
国内外磁通门磁力仪
三轴数字补偿式磁通门磁力仪 丹麦科技大学
GM-4型自动补偿式磁通门磁力仪 地球物理所
研究目标
型号 量程 动态范围 噪声 采样率 分辨力
线性度
丹麦科技大学 FGM-FGE ±64000nT 150nT ＜0.1nT 1Hz或20Hz
0.25nT @20Hz 0.125nT @1Hz
❖ 磁通门传感器工作原理是利用具有高导磁率的软磁磁芯在 饱和磁场激励作用下的电磁感应现象测定外磁场的。不论
磁芯结构形式如何，磁通门工作原理均服从于法拉第 电磁感应定律。
磁通门传感器结构图
磁通门原理
❖根据电磁感应定律，信号线圈上产生的感 应电势为：
e ddt(HS)....公 ..式 1)(
ω ——信号线圈匝数 μ ——磁芯的磁导率 H ——传感器轴向磁场强度 S ——线圈横截面积
前置放大电路
❖ 磁通门传感器产生感应信号的二次 谐波有效信号一般比较微弱，必须 经前置放大器放大后再进行调理。 信号输入采用交流差分网络作为输 入耦合，其作用是可以有效消除线 路噪声的干扰以及共模噪声。用仪 表放大器AD620作为第一级放大器 ，经计算其噪声水平远小于传感器 噪声。
AD620
相敏解调电路
磁滞回线
磁通门原理
❖ 对激励线圈施加一个余弦激励电流信号，则会产生一个余
弦磁H场JH J：Hm co2sf0t
HH 0 HJH0 Hmc2 o f0 ts
HJ ——激励磁场
H0 ——环境磁场
Hm ——激励磁场幅值 f0 ——激励频率
❖ 当激励磁场强度足够大时，使铁芯工作于过饱和状态，从
而使铁芯磁导率μ值周期性从最大值变化到最小值，将μ(t)