基于磁通门传感器的高精度弱磁场便携检测系统

摘要

为了实现对微弱磁场高精度的测量。本课题选用磁通门传感器对微弱磁场进行测量，磁通门传感器是一种利用软磁材料工作在非线性区时对外部微弱磁场进行矢量调制的传感器，其物理结构简单、体积小。弱磁检测在行业中有着广泛的应用，在地面金属矿产资源的探测领域、金属疲劳损伤的检测、地磁场的测量等都属于微弱磁场范围，准确的测量弱磁信息显得尤为重要，因此高精度、高分辨率可移动的便携弱磁测量设备成为这些行业的关键技术环节。
　　现有的弱磁测量设备虽然在精度方面有很大提高，比如美国的FVM系列产品。但存在设备的采样率较低、存储的数据量较少等缺陷。针对上述缺陷本文提出以磁通门传感器为测量前端、微处理器为系统平台，实现系统采样率可调、传感器数据可存储的弱磁检测方法。磁通门传感器能够对弱磁进行高精度的测量，微处理器能灵活的对系统控制、数据处理最终达到整个测量系统的便携性。
　　首先，本文详细的分析了磁通门技术测量矢量磁场的数学模型，并分析磁通门探头自身结构缺陷带来的误差对磁通门传感器输出精度的影响。
　　其次，根据数学模型分析了磁通门开环与闭环系统的区别，并设计以高频变压器为核心的LC谐振激励，较为理想的达到了两路激励信号相位差为π的目的，对磁通门传感器输出信号再次采用LC谐振选频网络进行滤波，使用具有抑制噪声能力的互相关特性的检波积分电路对二次谐波进行平滑滤波获得能够表征矢量磁场的直流分量。
　　再者，为了达到检测系统的便携性，数据处理部分使用以Cortex-M4为内核的单片机，并搭载支持多线程的μC/OS操作系统，最终实现检测系统的便携性。
　　最后，对检测系统前端的磁通门传感器模拟调理电路进行了标定与及噪声水平等性能参数分析，其灵敏度为29510V/T、噪声水平为230nT、非线性误差为0.1246％基本达到了对微弱磁场的高精度测量。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 磁通门传感器国内外研究发展现状

1.3 课题研究目的与基本内容

第二章 三端式磁通门传感器原理分析

2.1 单磁芯磁通门结构与数学模型

2.2 三端式磁通门结构与数学模型

2.3 磁通门传感器探头误差分析

2.4 磁通门测量系统基本环节

2.5 开环与闭环磁通门系统区别

2.6 本章小结

第三章 LC谐振式激励信号设计

3.1 电荷泵原理的电压反转电路简介

3.2 特定频率的激励信号设计

3.3 特定相位的激励信号设计

3.4 本章小结

第四章 磁通门传感器信号检测设计

4.1 LC谐振式滤波器

4.2 检波积分电路设计

4.3 双极性信号转单极性信号设计

4.4 本章小结

第五章 整机便携性设计

5.1 嵌入式数字电路模块设计

5.2 嵌入式软件多线程设计

5.3 本章小结

第六章 系统性能测试

6.1 磁屏蔽筒标定测试设备简介

6.2 磁通门传感器静态特性指标

6.3 磁通门传感器动态特性指标

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 工作总结

7.2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间所取得的研究成果

致谢