畢業(yè)論文三分量磁通門地磁場檢測裝置傳感器設計

1、摘要三分量磁通門地磁場檢測裝置是應用磁通門傳感器對地磁場進行測量的矢量檢測裝置。與其它類型測磁儀器相比，磁通門傳感器具有分辨率高，測量弱磁場范圍寬，體積小、重量輕、功耗低，經(jīng)濟性好，能夠直接測量磁場的失量和適于在高速運動系統(tǒng)中使用等特點，被廣泛應用于各種領域。本文分析了磁通門傳感器的工作原理，詳細論述了如何采用數(shù)字檢波的方法進行信號處理.本文還介紹了三分量地磁場檢測裝置硬件電路的設計和單片機程序。檢測裝置主要由三分量磁通門傳感器、單片機最小系統(tǒng)、A/D數(shù)據(jù)采集電路和串口電路構(gòu)成。三分量磁通門傳感器檢測到磁場的矢量大小，輸出信號經(jīng)過有源濾波器和放大器處理后得到三路幅度與磁場各分量大小成正比的正弦

2、信號。A/D同時對三路信號進行4倍頻采樣，將兩個周期的采樣數(shù)據(jù)傳送到單片機，然后單片機通過串行端口將數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機，最后由計算機完成數(shù)據(jù)的處理和分析。關鍵詞 三分量 地磁場 數(shù)字檢波 數(shù)據(jù)采集 串行端口The Design of Geomagnetic Field Detection Device Based on Three-component Fluxgate SensorsAbstratThe three-component fluxgate geoamagnetic field detection device is a kind of vector detection device

3、 which can measure the geoamagnetic field directly.Compared with other instruments which can measure geomagnetic field,the fluxgate sensor has the virtue of small size,light weight, low power consumption and good economy,is used widely in different fields.This paper introduces the working principle

4、of the fluxgate sensor and the digital demodulation method in detail. The design of hardware circuit of the three-component fluxgate geomagnetic field detection device and progamming of MCU are also introduced in this paper. The detection device consists of three-component fluxgate sensors, MCU syst

5、em, A/D data acquisition circuit and com port communication circuit. The magnetic vector is detected by the three-component fluxgate sensors,signals output from the senors are processed by active filters and amplifiers.Then there are three sinusoidal signals,whose amplitude are proportional to the m

6、agnitude of geomagnetic field component. The A/D convertor produces 4 points sampling signals, and transmits data of two cycles to CPU, then CPU send the data to computer via the com port. Finally,the data is processed and analyzed by computer.Keywords three components geomagnetic field Digital demo

7、dulation Data Acquisition Com Port目錄摘要1ABSTRAT21 緒論11.1 研究三分量磁通門地磁場檢測裝置的目的和意義11.2 各種測磁儀器21.3 磁通門測磁儀器的研究現(xiàn)狀52 檢測裝置的工作原理62.1 磁通門傳感器的工作原理62.2 檢測裝置的工作原理82.3 地磁檢測裝置的主要功能123三分量磁通門地磁場檢測裝置的硬件電路設計123.1 前置檢測電路的設計123.1.1 分頻電路和信號轉(zhuǎn)換電路的設計：133.1.2 驅(qū)動電路的設計：133.1.3 選頻放大電路的設計：143.2 16位A/D轉(zhuǎn)換器4倍頻采樣的硬件設計163.2.1 根據(jù)A/D采集電路

8、的設計要求選擇合適的A/D：16A/D采集電路的設計：173.3 內(nèi)部電源的設計184 三分量磁通門地磁場檢測裝置的的軟件設計194.1 STC89C54RD+單片機介紹194.2A/D的軟件控制204.3程序流程圖214.4示例程序214.5串口發(fā)送的硬件設計235測試結(jié)果及分析245.1分頻器電路測試245.2 功率驅(qū)動電路的測試255.3 信號轉(zhuǎn)換電路測試255.4 帶通濾波器的測試266對三分量測量的通道差異進行校正的方案設計286.1方案1：通過硬件電路的調(diào)試進行校正286.2方案2：通過軟件編程對測量結(jié)果進行校正29總結(jié)30參考文獻及參考資料31致謝33英文翻譯34英文翻譯原文37

9、1 緒論1.1 研究三分量磁通門地磁場檢測裝置的目的和意義在介紹三分量磁通門地磁場檢測裝置之前，首先介紹一下它的研究目的和意義。檢測裝置主要是通過檢測地磁場的大小來尋找鐵磁性物質(zhì)的。鐵磁性物質(zhì)中很重要的一類就是鐵。我國是最早發(fā)現(xiàn)和使用鐵的國家，同時鐵也是世界上發(fā)現(xiàn)并使用最早的一種金屬材料。世界鐵資源豐富，據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查所和礦業(yè)局1996年1月的統(tǒng)計，世界鐵礦石資源量超過8000億噸，折合金屬量超過2300億噸。1995年世界鐵礦石儲量1 500億噸、儲量基礎2300億噸，折合鐵金屬量分別為650億噸、1000億噸。我國鐵金屬儲量73.29億噸，應在俄羅斯、澳大利亞、加拿大、巴西之后居世界第5位

10、。截至1996年底，全國共查明鐵礦產(chǎn)地1834處。累計探明鐵礦石儲量504.78億噸，按全國鐵礦石平均含鐵品位33%計算，鐵金屬量為166.58億噸?？鄢龤v年開采與損失，尚保有鐵礦石儲量463.47億噸，鐵金屬152.95億噸。根據(jù)80年代中期地質(zhì)科研部門對我國鐵礦資源的預測，將全國大陸劃分為17個預測區(qū)，共有有望航磁異常區(qū)1084處，預測資源潛力606億t。其中11個預測區(qū)分布在東經(jīng)105線以東地區(qū)，有望航磁異常區(qū)754處，預測資源潛力為317億t，東部地區(qū)找礦程度較高，預測資源多以隱伏礦或盲礦體分布在已知礦帶的深部和周邊部。東經(jīng)105線以西地區(qū)，包括6個預測區(qū)，有望航磁異常330處，預測資

11、源潛力為289億t，西部地區(qū)找礦和研究工作程度較低或很低，尚有發(fā)現(xiàn)新礦區(qū)的前景。中國的鐵礦資源很豐富，但鐵礦石進口量卻居世界第一。近年來，中國主要進口鐵礦石的一些來源國不斷調(diào)高鐵礦石的出口價格。面對這種形勢，中國自己開采鐵礦的需求越來越迫切。中國鐵礦資源有兩個特點：一是貧礦多，貧礦出儲量占總儲量的80%；二是多元素共生的復合礦石較多。此外礦體復雜；有些貧鐵礦床上部為赤鐵礦，下部為磁鐵礦。因此，開采鐵礦不能漫無目的，我們需要有效的探測手段確保有價值的開采，所以地磁檢測裝置的研究是非常必要的。本文要介紹的基于三分量磁通門測磁法的地磁檢測裝置就是一種高效的測磁手段。磁通門測磁法問世后不久，在第二次世

12、界大戰(zhàn)中就被應用于探雷、探潛等方面，戰(zhàn)后又被廣泛應用于地面磁場研究、航空磁測、地震預報研究、地下礦床勘探、生物醫(yī)學研究、星際間磁測等領域。幾十年來，盡管測量磁場的新方法不斷涌現(xiàn)，磁通門傳感器仍以其測量靈敏度高、堅固小巧、使用靈活、工作可靠，電路功耗低、結(jié)構(gòu)簡單等顯著優(yōu)點，被普遍應用于弱磁場測量領域。目前地磁測量所使用的測磁儀器多數(shù)是進口產(chǎn)品，價格昂貴，維修比較困難。基于該現(xiàn)狀，本文主要介紹一種新型地磁檢測裝置。該檢測裝置電路簡單，測量數(shù)據(jù)的處理完全數(shù)字化，操作方便，成本較低，設計模塊化，并且易于維修。而且，與大多數(shù)測磁儀器相比，檢測裝置的功耗非常低，采用12V外部電源供電，測量數(shù)據(jù)可以通過串口

13、發(fā)送到計算機進行處理和分析，方便研究。下面先介紹一下各種測磁儀器。1.2 各種測磁儀器 測磁儀器根據(jù)采用磁敏傳感器的種類分為很多種。已經(jīng)被淘汰的是采用機械式磁敏傳感器的機械式磁力儀；目前應用比較廣泛的磁敏傳感器有磁通門式磁敏傳感器、質(zhì)子旋進式磁敏傳感器、光泵式磁敏傳感器、SQUID（超導量子干涉器）磁敏傳感器、光纖式磁敏傳感器、半導體磁敏傳感器；處于研究、試驗階段的測磁儀器有固體電子自旋共振磁力儀、原子磁力儀等。下面就以下幾種測磁儀器做簡單介紹：機械式磁力儀（mechanical magnetometer）又稱作磁秤，利用一個可繞固定軸自由旋轉(zhuǎn)的磁棒，其偏轉(zhuǎn)角的大小與外磁場強度成比例的關系來測

14、量磁場大小。利用磁棒放置位置的不同可以分別測定垂直磁異常和水平磁異常，其相應的儀器為垂直磁秤和水平磁秤。由于是用重力矩來平衡磁力矩，所以只能測垂直（或水平）地磁場相對于一個固定點的改變值。從制造工藝上講，要采用精度很高的設備加工機械零件和光學零件，調(diào)試過程也比較復雜?？傊?，無論是操作使用還是制造工藝，跟電子測磁儀器相比，都很復雜。機械式磁力儀于1991年停產(chǎn)，取而代之的是電子磁力儀。超導磁力儀（superconducting magnetometer, SQUID）是利用約瑟夫遜效應測量磁場的測磁儀器。測量儀器應用了超導量子干涉器。采用超導材料制成的閉合環(huán)對外磁場會產(chǎn)生周期效應，其磁通變化與外

15、磁場變化成正比。超導磁力儀正是利用這個原理來測量磁場的。這種儀器的靈敏度可達10-510-6納特。可制成航空磁力梯度儀，也可用于地面磁場的研究及弱磁性巖石的磁性測定。常用在對測量精度要求高的地方，成本相對稍高一些。質(zhì)子磁力儀（proton precession magnetometer）是應用質(zhì)子旋進式磁敏傳感器制成的測磁儀器。氫原子核的質(zhì)子是一種帶有正電荷的粒子，其本身在不停地自旋，具有一定的磁性。在外磁場的作用下自旋質(zhì)子將按一定方向排列，稱為核子順磁性。但其磁性甚微，只是在一些磁化率很低的逆磁性物質(zhì)中才能反映出來，如某些碳氫氧化合物液體(水、酒精、甘油等)。在這些樣品中質(zhì)子受某強磁場激發(fā)而

16、具有定方向排列，去掉外磁場，則質(zhì)子在地磁場作用下將以同相位繞地磁場T旋進，其旋進頻率f與地磁場T有以下關系：T=2.34872f，單位為納特。當測定出頻率f以后即可計算出總磁場強度T的數(shù)值。利用這種原理制成的儀器稱為質(zhì)子旋進式磁力儀，或稱核子旋進式磁力儀。質(zhì)子旋進磁力儀穩(wěn)定性好。溫度影響小、沒有零點掉格、精度高，可觀測弱磁異常工作時不必準確定向，適于在運動狀態(tài)下觀測。儀器靈敏度一般為0.1納特。但這類儀器的使用要受到磁場梯度范圍的限制，常用于地面、航空和海洋磁測等一些要求準確測量出絕對磁場大小的研究領域。我國生產(chǎn)的這類儀器有302型?？蘸俗有M磁力儀靈敏度可達0.1納特，CHD型地面核子旋進磁

17、力儀靈敏度可達0.15納特。光泵磁力儀（optical pumping magnetometer）是應用光泵式磁敏傳感器制成的測磁儀器。因為由光泵作用排列好的原子磁矩，在特定頻率的交變電磁場的作用下，又將產(chǎn)生共振吸收作用，打亂原子的排列情況。發(fā)生共振吸收現(xiàn)象的電磁場的頻率與樣品所在點的外磁場強度成一比例關系，故測定這一頻率就可以測出外磁場的值。常用的工作元素有；銣(Rb87，Rb85)；銫(Cs133)；氦(He4，He3)等。光泵磁力儀按線路結(jié)構(gòu)特點又可分為跟蹤式及自激式兩大類。這類磁力儀的特點是靈敏度高，可達0.001納特?？梢詼y定總磁場強度的絕對值，沒有零點掉格及溫度影響，工作時不需準確

18、定向，適于在運動條件下進行高精度快速連續(xù)測量，如航空磁測和海洋磁測等。 磁通門磁力儀（fluxgate magnetometer，F(xiàn)GM），又稱飽和式磁力儀。它是一種電子磁力儀。它利用高磁導率的坡莫合金作靈敏元件，在弱磁場中就能達到磁飽和。靈敏元件的磁芯為閉合磁路，在其兩邊繞以匝數(shù)相同、繞向相反的激勵繞組，外側(cè)是輸出繞組。對激勵繞組給以交變電壓，使靈敏元件達到近于飽和，若無外磁場存在，則兩邊磁芯產(chǎn)生的磁通波形對稱而反向，這時訊號繞組將沒有感應電壓輸出。當沿元件軸向存在有外磁場，則兩邊磁芯在正、負半周內(nèi)飽和程度不一，產(chǎn)生的磁通量不能互相抵消，將有感應電壓脈沖輸出。其幅度與外磁場大小成正比，據(jù)此即

19、可測定外磁場的大小?？捎糜诘孛妗⒑娇栈蚓写艤y。由上面的介紹可以看出磁通門測磁儀器有它自身的優(yōu)勢，是其他測磁儀器無法替代的。磁通門是第一種實際投入使用的電子式磁力儀?，F(xiàn)在的磁通門測磁儀器做得非常小型化，攜帶方便，儀器使用簡單，成本相對比較低，因此在一般測量中使用的較多。1.3 磁通門測磁儀器的研究現(xiàn)狀磁通門測磁儀器是利用磁芯在交變磁場激勵下發(fā)生導磁特性變化從而調(diào)制被測磁場，通過對調(diào)制信號的檢測實現(xiàn)對外磁場的測量。磁通門測磁法以其測量范圍寬、分辨率高、頻帶寬及經(jīng)濟實用的特點，早在20世紀30年代就開始應用于地磁測量，經(jīng)過后來的不斷完善與發(fā)展，目前已成為國際地磁相對記錄的主流設備。第一臺磁通門磁力

20、儀產(chǎn)生于20世紀30年代，迄今己有多種不同類型的磁通門磁力儀。因其分辨率、頻率響應、動態(tài)范圍和線性特性都能滿足記錄地磁場各分量變化的要求，具有輕便、價格低廉、安裝調(diào)試簡單和容易實現(xiàn)數(shù)字化等特點，所以世界大多數(shù)地磁臺站都使用磁通門測磁儀器作為變化磁場的記錄儀器，代替了傳統(tǒng)的磁變儀。國際上比較有代表性的磁通門磁力儀有加拿大的FM20型和CANMOS型磁通門磁力儀、奧地利的CH IMAG型磁通門磁力儀、英國的FLARE磁通門磁力儀、美國的SMALL磁通門磁力儀。這些磁通門磁力儀代表了該儀器技術(shù)的先進水平，它們都具有低噪聲、采樣率高、溫度性能良好、數(shù)字化等特點。在我國，早在20世紀80年代就開始將磁通

21、門磁力儀應用于地磁觀測的技術(shù)研究。在2002年時中國地震局地球物理研究所己經(jīng)研制成功了GM-1型、GM-2型單向模擬記錄磁通門磁力儀和GM3型三分量數(shù)字記錄磁通門磁力儀。但由于儀器的長期穩(wěn)定性、溫度特性等還不能滿足地磁臺站日常觀測的基本要求，所以未能得到廣泛應用。因此降低儀器的溫度系數(shù)、提高儀器的穩(wěn)定性，降低安裝的復雜程度、減小儀器的體積、提高儀器的自動化程度一直是儀器研制者持續(xù)開發(fā)與改進的目標。本文討論的這種三分量磁通門地磁場將測裝置具有的主要特點是體積小、安裝簡單、穩(wěn)定性高，由于它可以同時測量磁場在三個方向的分量，然后進行矢量合成，所以測得的數(shù)據(jù)有很高的可靠性。2 檢測裝置的工作原理2.1

22、 磁通門傳感器的工作原理磁通門傳感器就是利用某些高磁導率的軟磁材料（如坡莫合金）作磁芯，以其一起在交流磁場作用下的次飽和特性及法拉第電磁感應原理研制成的測磁裝置。其結(jié)構(gòu)可以看成一個特殊的變壓器，磁通門測磁法正是利用這種特殊變壓器的磁芯，當交變電流流過該變壓器原邊線圈時，磁芯反復被交變過飽和勵磁所磁化，當有外磁場存在時，勵磁變得不對稱，變壓器的輸出信號受到外磁場的調(diào)制。通過檢測輸出的調(diào)制信號就可以實現(xiàn)對外磁場的測量。磁通門探頭的輸出主要是激勵信號的二次諧波，需要經(jīng)過處理得到測量數(shù)據(jù)。根據(jù)磁通門傳感器的磁芯幾何形狀分為閉合式和非閉合式兩類：從這幾種磁芯的性能來說，以圓形較好，跑道形次之。在磁場的分

23、量測量中，用跑道形磁芯（如圖2.1）較多。跑道型磁芯的長軸場邊尺寸遠大于短軸尺寸，因此，認為跑道型磁芯僅被延長軸方向的磁場所磁化。在實際應用中，也僅用它來測量延長軸方向的磁場分量。圖2.1所示為跑道型磁芯的二次諧波法測磁原理。412ff2L1L2LS3圖2.1 跑道型磁芯機構(gòu)示意圖1 靈敏元件架；2初級線圈3輸出線圈； 4坡莫合金環(huán)若在跑道形磁芯的彼此平行的兩長邊上，分別繞一組匝數(shù)相同的線圈L1、L2，同向串聯(lián)作為激勵線圈；在L1、L2外側(cè)繞一公用的測量線圈Ls。在激勵線圈中輸入正弦交變電流I=Imsint，假定L1中磁場H1=2Hmsint，L2中磁場H2=-2Hmsint。傳感器的輸出電壓

24、如圖2.2（d）所示，可以表示成下面的分段函數(shù)的形式： 2.1Es是屬周期性的重復脈沖，故可用富氏分解法計算Es的二次諧波分量： 2.221HHe-HsBm(a)（b） = tH2H1He1e2E（d）H=tB1B2（c）B-1-2圖2.2 磁通門式磁敏傳感器測磁原理（a）軟磁材料動態(tài)磁回滯曲線的理想化模型（b）外加磁場時，兩線圈中的磁場不再對稱（c）外加磁場時，兩線圈中磁場出現(xiàn)飽和段（d）傳感器在正弦波激勵時的理論輸出波形2.2 檢測裝置的工作原理三分量磁通門地磁場檢測裝置主要利用法拉第電磁感應原理實現(xiàn)對地磁場的檢測。傳感器將地磁信號轉(zhuǎn)化為電信號，檢測裝置通過檢測這種電信號來判斷地磁信號大小

25、，進而判斷檢測地點的狀況。實現(xiàn)這種判斷主要依靠三分量磁通門傳感器，它的每個傳感器都采用雙鐵芯結(jié)構(gòu)，在兩根鐵芯上纏繞的激勵線圈反向串聯(lián)（如圖2.1所示），勵磁電流通過激勵線圈時，在兩鐵芯中產(chǎn)生的激勵磁場方向相反，若兩鐵芯形狀尺寸和電磁場參數(shù)完全對稱，兩鐵芯中的磁通在測量線圈中產(chǎn)生的感應電勢互相抵消，輸出為零；當沿鐵芯長軸方向施加外部磁場時，其中一個鐵芯的磁場先于另一個達到飽和，造成測量線圈中的感應電勢不能互相抵消，輸出非對稱的波形，波形的主要成分是激勵信號的二次諧波。由于外磁場產(chǎn)生的感應電勢的幅值與外磁場大小成正比，可通過測量輸出信號的二次諧波分量來測量外磁場。為便于研究，將式2.2改寫成如下形

26、式： 2.3傳統(tǒng)的處理方法是采用模擬電路進行相敏檢波，具體做法是：用兩路頻率與ES相同的參考信號，兩者相位相差90度，假設分別為和，這時ES與參考信號相比有一個相移，表達為示成式2.4的形式： 2.4ES分別乘以參考信號，得到如下結(jié)果： 2.5 2.6 對式2.5和式2.6表示的信號進行積分處理（實質(zhì)上就是對信號進行低通濾波）之后得到以下結(jié)果： 2.7 2.8 2.9傳統(tǒng)的方法要通過硬件電路實現(xiàn)模擬信號的乘法運算和積分運算，這對乘法器和積分電路的精度等參數(shù)要求很高，而且要求參考信號的幅度穩(wěn)定，兩參考信號的相位差必須保證是90度。這種處理方法數(shù)字化程度低,信號處理過程中易受干擾，所以設計采用數(shù)字

27、檢波的方法。下面詳細論述如何采用數(shù)字檢波的方法得到測量數(shù)據(jù)：首先，我們不用正弦波作參考信號，換作與正弦波參考信號相位相同的方波和： 2.10 2.11我們對信號進行4倍頻采樣，采樣點設為，。在這里，我們假設為初始采樣點的相位。那么，原信號可以表示為： 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16現(xiàn)用式2.10和式2.11表示的方波對上述信號進行調(diào)制，得到的采樣信號表示如下：其一， 2.17采樣信號為 2.18其二， 2.19采樣信號為 2.20對這兩種信號分別進行采樣求和后取平均值（與模擬信號的積分類似），得到以下結(jié)果： 2.21 2.22對采樣信號進行求和去均值運算，相當于對原信號進行以

28、下處理： 2.23 2.24式中為采樣周期，即。經(jīng)過上述分析，我們可以通過下面的計算得到最終的結(jié)果： 2.252.3 地磁檢測裝置的主要功能三分量磁通門地磁場檢測裝置主要是通過檢測地磁場在三個互相垂直的方向上的分量來測量地磁場總場強度的。三分量磁通門式磁敏傳感器能檢測到地磁場的各個分量被調(diào)制后的信號，經(jīng)選頻放大電路得到幅值與分量大小成正比的二次諧波，用16位A/D對這些信號進行4倍頻采樣，通過外部中斷的方式將采樣數(shù)據(jù)分別送入單片機，單片機在讀夠兩個周期的采樣數(shù)據(jù)（共三組，每組16個字節(jié)即8個16位數(shù)據(jù)）后，經(jīng)MAX232進行電平轉(zhuǎn)換通過串口發(fā)送的方式將數(shù)據(jù)送到計算機，有計算機完成最終的數(shù)據(jù)處理

29、和分析。3 三分量磁通門地磁場檢測裝置的硬件電路設計3.1 前置檢測電路的設計前置檢測電路的原理方框圖如下：212傳感器驅(qū)動電路16位A/D 四倍頻采樣振蕩 分頻器29信號 轉(zhuǎn)換選頻 放大器圖3.1 前置檢測電路原理框圖分頻電路采用20MHz晶振，分頻輸出用212倍分頻作為驅(qū)動電路的輸入信號，經(jīng)功率放大用作傳感器激勵信號；29倍分頻經(jīng)信號轉(zhuǎn)換電路整形，用作A/D轉(zhuǎn)換的時鐘信號。下面具體介紹一下各部分電路： 分頻電路和信號轉(zhuǎn)換電路的設計：磁通門傳感器需要5kHz激勵信號，需要有振蕩電路為其提供頻率源。石英晶振振蕩器產(chǎn)生的信號頻率為20MHz，需要進行4000倍（約212=4096倍）分頻。同時，

30、A/D進行4倍頻采樣，需要40kHz的時鐘信號，并且要求占空比接近100%（詳見AD7656工作時序），所以分頻器的29倍分頻輸出需要接信號轉(zhuǎn)換電路。分頻器采用14位二進制計數(shù)分頻器74HC4060，電路原理圖如圖3.2。圖中13腳為29倍分頻輸出，1nF電容和1.6k電阻形成微分電路，和與非門整形電路構(gòu)成信號轉(zhuǎn)換電路，為A/D轉(zhuǎn)換電路提供啟動信號。圖3.2 分頻電路及信號轉(zhuǎn)換電路 驅(qū)動電路的設計：分頻器輸出帶載能力較弱，不能直接用作激勵因此需要驅(qū)動電路進行功率放大。理想的激勵信號應該是頻率為5kHz、幅度為3V的正弦波，要求正弦波的幅度非常穩(wěn)定，所以實際激勵信號采用5kHz的方波，幅度為3v

31、。分頻器的輸出幅度約為6V，經(jīng)5.6k緩沖電阻減壓，功放電路輸出幅度約為4V，需要進行變壓處理，電路設計如圖3.3：圖中的隔離線圈是手工繞制成的，其中，初級線圈的計算匝數(shù)為：29匝（式中為線圈兩端交流電壓的幅度，取4V；為信號頻率，取4.88103Hz；B為磁環(huán)磁通量，一般取0.3Wb，A為磁環(huán)截面積，取2.410-5），實際繞了50匝，次級為40匝。圖3.3 驅(qū)動電路 選頻放大電路的設計：測量需要傳感器輸出的二次諧波成分，因此，傳感器的輸出信號不能直接進行放大、采樣，必須經(jīng)過帶通濾波器濾出二次諧波，放大后在進行采樣處理。濾波器的設計采用壓控電壓源型二階帶通濾波器，其特點是輸入阻抗高，輸出阻抗

32、低，而且電路結(jié)構(gòu)簡單。濾波器要求的設計參數(shù)為：中心頻率為10kHz，Q值為10，對中心頻率的放大倍數(shù)為30倍。實際電路形式如圖3.4所示。傳感器的輸出信號經(jīng)濾波處理后其幅度不足以進行采樣，故加一級放大。圖3.4 選頻放大電路仿真結(jié)果如下圖所示：圖3.5 帶通濾波器伯德圖仿真結(jié)果從上圖可以看到，濾波器設計合理，而且仿真結(jié)果接近設計目標，實際仿真參數(shù)如下：中心頻率為9.573kHz，Q值為9.4，中心頻率出放大倍數(shù)為28.548dB（26.75倍），對二次諧波（實際頻率為9.76kHz）的放大倍數(shù)為27.645dB（24.15倍），符合設計要求。3.2 16位A/D轉(zhuǎn)換器4倍頻采樣的硬件設計 根據(jù)

33、A/D采集電路的設計要求選擇合適的A/D：由于課題設計要求A/D實現(xiàn)對二次諧波的四倍頻采樣，所以，所選A/D的轉(zhuǎn)換速率必須在40kHz以上；分辨率課題要求16位以上；由于采樣頻率必須精確為四倍頻，因此A/D采樣率應該可變；由于是對交流信號采樣，故A/D應能進行正負采樣；課題要實現(xiàn)三分量測量，有三路信號輸入，要求同時對三路信號采樣，故要求A/D能實現(xiàn)三路以上同時采樣。根據(jù)以上要求，最終選擇逐次逼近型16位A/D數(shù)據(jù)采集電路AD7656。AD7656的最高采樣頻率可達到250kHz，屬于逐次逼近型，采樣頻率可變，通過轉(zhuǎn)換使能腳輸入啟動信號，控制六個通道同時進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，這里我們只用其中三個通道。各

34、通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果在每次轉(zhuǎn)換結(jié)束后可通過16位并行數(shù)據(jù)線依次傳送到單片機。圖3.6是AD7656的工作時序圖：圖3.6 AD7656的時序圖3.2.2 A/D采集電路的設計：圖3.7 AD7656內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖從AD7656的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和時序圖可以看出，AD7656既可以用硬件電路控制，也可以通過軟件編程來操作，使用起來方便靈活。使用軟件操作時，數(shù)據(jù)的傳輸可以以字節(jié)的形式，即進行8位數(shù)據(jù)的并行傳輸（詳見AD7656資料翻譯中的管腳說明），此時的工作時序如圖3.8所示?？紤]到數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩覀冃枰?6位數(shù)據(jù)并行傳輸，采用硬件電路控制即可,數(shù)據(jù)的讀取采用硬件中斷的方法。具體的電路形式如圖3.9所示。在

35、圖中，為保證電路看起來清楚、方便，電路中所有AD7656的電源引腳都沒有連接。在此加以說明：AVCC和DVCC均接+5V電源，AGND和DGND分別接數(shù)字地和模擬地（實際電路對模擬和數(shù)字接地并沒有加以區(qū)分），VSS接-9V電源，VDD接+9V電源，其余管腳做懸空處理。圖3.8 AD7656采用字節(jié)傳送方式的工作時序圖3.9 AD采集電路另外，圖中單片機型號為STC89C54RD+，內(nèi)部集成了MAX810專用復位電路，所以RESET管教直接接地。單片機采用外部時鐘源，時鐘由40MHz有源晶振提供。AD7656的BUSY腳在轉(zhuǎn)換時為高電平，當轉(zhuǎn)換結(jié)束后轉(zhuǎn)為低電平，可用作中斷信號。3.3 內(nèi)部電源的

36、設計整體電路采用12V外部電源供電，因前置電路需要9V電源，而A/D和單片機電路需要+5V電源，所以電源電路需要用到三端穩(wěn)壓管7809、7909和7805，具體電路如圖3.10所示：圖3.10 內(nèi)部電源電路4 三分量磁通門地磁場檢測裝置的的軟件設計4.1 STC89C54RD+單片機介紹設計采用STC89C54RD+單片機，該單片機具有以下顯著特點：l 超強抗干擾1 、高抗靜電（ESD保護）；2 、輕松過4KV 快速脈沖干擾(EFT測試）；3 、寬電壓，不怕電源抖動；4 、寬溫度范圍, -4085；5 、I/O口經(jīng)過特殊處理；6 、單片機內(nèi)部的電源供電系統(tǒng)經(jīng)過特殊處理；7 、單片機內(nèi)部的時鐘電

37、路經(jīng)過特殊處理；8 、單片機內(nèi)部的復位電路經(jīng)過特殊處理；9 、單片機內(nèi)部的看門狗電路經(jīng)過特殊處理。l 1個時鐘/機器周期，可用低頻晶振，大幅降低EMI（電磁干擾，英文Electromagnetic Interference的簡稱）1 、禁止ALE輸出；2 、如選6時鐘/機器周期，外部時鐘頻率可降一半；3 、單片機時鐘振蕩器增益可設為1/2gain。l 超低功耗1 、掉電模式： 典型功耗 0.1A；2 、空閑模式： 典型功耗 1.3mA；3 、正常工作模式： 典型功耗 2.7mA-7mA；4 、掉電模式可由外部中斷喚醒，適用于電池供電系統(tǒng)，如水表、氣表、便攜設備等。l 可在線編程, 無需編程器,

38、 可遠程升級；l 內(nèi)部集成MAX810專用復位電路，原復位電路可以不用，RESET腳直接短到地。4.2 A/D的軟件控制AD7656軟件控制的引腳連接（如圖3.9所示）如下：CS P2.7RD P2.6RESET P2.5DB07 P0.00.7DB815 P1.01.7BUSY INT0根據(jù)圖3.6所示AD7656的工作時序，轉(zhuǎn)換結(jié)束后A/D向CPU發(fā)送中斷請求，CPU響應后送片選信號給A/D進行讀數(shù)據(jù)操作，每次讀一個通道，執(zhí)行三次讀數(shù)操作后一次中斷完成。4.3 程序流程圖程序流程圖如圖4.1所示。開機后經(jīng)過1S延時啟動A/D轉(zhuǎn)換器工作，等待A/D轉(zhuǎn)換。A/D在轉(zhuǎn)換結(jié)束后向單片機發(fā)送中斷請求

39、，單片機相應響應中斷，通過16位并口從A/D讀數(shù)。當單片機執(zhí)行8次中斷（讀到兩周器的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)）后，關中斷，同時讓A/D停止轉(zhuǎn)換，單片機工作在查詢方式，通過串口將所有數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機，由計算機進行數(shù)據(jù)的處理。NYYN初始化開始轉(zhuǎn)換結(jié)束？進入中斷中斷8次？串口發(fā)送結(jié)束圖4.1 程序流程圖4.4 示例程序系統(tǒng)在開機后需要一個1s的延時來啟動AD，下面以延時程序為例給出一段示例程序：#include startup.h. /包含頭文件等#define uint8 unsigned char /關鍵字的簡化及AD的控制連接void delay1ms(unsigned int K); /函數(shù)及變量聲明ma

40、in()RS=1; /將AD7656復位 delay1ms(1000);RS=0; /開機1s延時后，啟動ADwhile(1)void delay1ms(unsigned int K) unsigned int i,j; for(i=0;iK;i+) /多少個1ms for(j=0;j=240;j+) /延時約為1ms 4.5 串口發(fā)送的硬件設計串口通信用到的主要芯片是MAX232，它的低功耗關斷模式適合電池供電系統(tǒng)。外接電路簡單，很適合應用于面積有限的印刷電路板。它有雙路電荷泵DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器，RS232驅(qū)動器、RS232接收器，以及接收器與發(fā)送器使能控制輸入。MAX232內(nèi)部有兩個電荷

41、泵，將5V轉(zhuǎn)換為10V(空載)，為RS-232驅(qū)動器提供工作電壓，第一個轉(zhuǎn)換器利用電容C1將5V輸入加倍，得到V輸出端C3上的10V，第二個轉(zhuǎn)換器利用電容C2將10V轉(zhuǎn)換為V輸出端C4上的10V?？梢詮?0V（V）和10V（V）輸出端獲取少量的電源功率，為外部電路供電。串口連接電路如圖4.2所示：圖4.2 串口連接電路如圖13，當外部中斷執(zhí)行8次（A/D采樣兩個周期）后，關外部中斷，這時CPU內(nèi)部存儲器中存放有3個字符數(shù)組，每個數(shù)組中有16個字節(jié)的字符數(shù)據(jù)，CPU工作在查詢方式下，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機。5 測試結(jié)果及分析5.1 分頻器電路測試用DF4321（20MHz）型示波器測試，20

42、MHz晶振振蕩產(chǎn)生波形如下圖所示（掃描時間為0.2S）：圖5.1 晶振振蕩波形圖5.2 212倍分頻輸出波形對晶振頻率212倍分頻得到5kHZ（掃描時間為100S）激勵信號如圖5.2，其幅度約為5V（電壓檔位在2V檔）。5.2 功率驅(qū)動電路的測試功率放大后經(jīng)變壓器輸出波形，如圖5.3所示，電壓檔位在1V檔，其幅度為2.5V。圖中掃描時間為100s。圖5.3 驅(qū)動電路輸出信號5.3 信號轉(zhuǎn)換電路測試將分頻器的29倍分頻輸出進行微分得到信號如圖5.4所示（掃描時間為10s，電壓檔位在2V檔）。對該信號進行整形后得到A/D轉(zhuǎn)換器的啟動信號，如圖5.5所示，頻率約40kHz(掃描時間10s)，電壓檔位

43、在2V檔。圖5.4 微分后的波形圖5.5 整形后的信號5.4 帶通濾波器的測試在其中一個傳感器的輸出如圖5.6所示，峰峰值的最大值約為90mV（電壓檔位在20mV檔），頻率約為10kHz（圖中掃描時間的檔位在50s檔）。圖5.6 傳感器輸出波形圖5.7 濾波器輸出將傳感器輸出接到濾波器，在濾波器的輸出端得到二次諧波，波形如圖5.7所示，頻率約為10kHz（掃描時間的檔位在50s檔），峰峰值約180mV（電壓檔位在50mV）。6 對三分量測量的通道差異進行校正的方案設計三分量磁通門地磁場檢測裝置在設計制作中的難點是進行三分量測量時，對各分量進行前置處理的各個通道，其增益不可能完全一致，這會導致測

44、量誤差，影響測量結(jié)果的準確性和可靠性。下面對此問題提出兩種解決方案：6.1 方案1：通過硬件電路的調(diào)試進行校正硬件校正的原理是：三分量信號的通道增益差異是在前置電路傳感器輸出和信號處理過程中產(chǎn)生的，也就是說各通道的選頻放大環(huán)節(jié)的差異和傳感器之間的差異是產(chǎn)生這種差異的主要原因，這些都可以通過調(diào)節(jié)放大器的放大倍數(shù)來糾正。具體的調(diào)節(jié)方法，將圖3.4所示的選頻放大電路的后級放大電路改成圖6.1所示增益可調(diào)的放大器。在校正時，將三分量磁通門傳感器固定好之后，用其中一個傳感器分別對用三個通道進行測試，通過調(diào)節(jié)圖中的變阻器來調(diào)節(jié)通道增益，使各通道的測量結(jié)果相符合。圖6.1 增益可微調(diào)的后級放大利用調(diào)節(jié)放大器

45、增益的方法進行校正，這種方案的特點是：調(diào)試方便，但需要對原來設計的硬件電路做修改。6.2 方案2：通過軟件編程對測量結(jié)果進行校正采用硬件電路調(diào)試的方法，是對測量信號進行幅度的校正，從而達到準確測量的目的。實際上，我們可以用編程的方法引入校正系數(shù)直接對測量結(jié)果進行校正。下面詳細介紹一下軟件校正的具體方法：首先為方便敘述，我們對傳感器和各信號通道進行標記，將三分量傳感器固定好之后，將三個傳感器分別標記為A、B、C，同樣將三個信號通道分別標記為X、Y、Z。接下來進行三次測量：第一次，用X通道測量傳感器A輸出，Y通道測量傳感器B輸出，Z通道測量傳感器C輸出，記錄測量數(shù)據(jù)、；第二次，用X通道測量傳感器B

46、輸出，Y通道測量傳感器C輸出，Z通道測量傳感器A輸出，記錄測量數(shù)據(jù)、；第三次，用X通道測量傳感器C輸出，Y通道測量傳感器A輸出，Z通道測量傳感器B輸出，記錄測量數(shù)據(jù)、。進行以下計算： 6.1計算出了和，就可以得到各通道的校正系數(shù)： 6.2計算機在完成數(shù)據(jù)處理后，只要對相應的通道數(shù)據(jù)乘以校正系數(shù)就可以得到準確可靠的測量數(shù)據(jù)?？偨Y(jié)設計的檢測裝置能夠檢測到地磁場三個分量的磁場信號，信號經(jīng)前置電路濾波放大后得到測量需要的二次諧波，AD7656對該二次諧波進行四倍頻采樣，每次采樣的16位數(shù)據(jù)在中斷工作方式下16位并行傳輸?shù)絾纹瑱C，當單片機接收到兩個周期的數(shù)據(jù)后，關中斷，單片機工作在查詢方式將讀到的數(shù)據(jù)經(jīng)

47、串口電路發(fā)送到計算機。設計中用到了高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)和單片機的中斷服務及串口通信。16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用SAR型A/D轉(zhuǎn)換器AD7656，采用+5V和9V電源供電，輸出數(shù)據(jù)為16位二進制數(shù)。單片機采用廣東宏晶公司生產(chǎn)的STC89C54RD+單片機，用KEIL C51編程軟件應用C語言編程。設計主要利用單片機的外部中斷和串口通信。設計給出了計算機數(shù)據(jù)處理的具體方法，測量數(shù)據(jù)可以發(fā)送到計算機進行處理和分析。參考文獻及參考資料1 王君，凌振寶. 傳感器原理及檢測技術(shù)M（55頁至64頁）. 吉林大學出版社. 2003.9 2 何橋，段清明，邱春玲. 單片機原理及應用. 中國鐵道出版社. 2005.93

48、戴佳，戴衛(wèi)恒. 51單片機C語言應用程序設計實例精講. 電子工業(yè)出版社. 2006.44 劉希芳，王君. 地學傳感器原理及應用. 地質(zhì)出版社. 1993.85 李念強，張煥春，禹艾芹. 數(shù)字相敏檢波器的設計與實現(xiàn). 電測與儀表. 2001.56 黨瑞榮，楊灝，高國旺，石浩亮. 基于Nios 系統(tǒng)的數(shù)字相敏檢波系統(tǒng)設計. 測井與射孔. 2007.17 路長厚，劉文信，艾興. 數(shù)字相敏檢波技術(shù)及其應用. 制造技術(shù)與機床. 1997.78 洪小麗，黃登紅. 精密電感測微儀中的數(shù)字相敏檢波技術(shù)研究. 測量與設備. 2007.59 楊健弟. 李嬌蔓. 楊國華. 宋安定. 一種數(shù)字高分辨率感應測井儀. 測

49、井技術(shù). 2007.810 劉升虎，邢亞敏，胡啟. 數(shù)字相敏檢波在隨鉆電阻率測井儀中的應用. 國外測井技術(shù). 2007.811 張述杰，韓華超，張芝賢，劉東波. 利用數(shù)字相敏檢波器消除電容式傳感器漏電產(chǎn)生的測量誤差. 儀表技術(shù)與傳感器. 2007.812 朱虹，林君，吳忠杰，王智宏，占細雄. 近紅外光譜儀中的數(shù)字鎖相技術(shù)研究. 儀器儀表學報. 2006.1013 宋浩然，趙鐵龍. AD7656的原理及在繼電保護產(chǎn)品中的應用. 電子技術(shù)應用. 2007.414 劉越，劉富，逸松. 參考信號頻率自調(diào)整的數(shù)字相敏檢波器算法的研究. 1998.415 劉宏祥. AD7656在測量中的應用. 2007.

50、716 14位二進制分頻/計數(shù)器資料. 74HC4060.pdf . 2009.317 TTL電平轉(zhuǎn)換電路資料. MAX232.pdf . 2009.318 16位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器資料. AD7656.pdf . 2009.319 單片機資料STC89C54RD+.pdf www.MCU-M. 宏晶公司. 深圳. 2009.5致謝這篇論文是在段清明老師的悉心指導下完成的。論文從開題、內(nèi)容研究到最后的審閱定稿都凝聚了段老師大量的心血。借此機會，我衷心地感謝段老師對我的指導。段老師學術(shù)不僅學識淵博，治學嚴謹，而且有著執(zhí)著的敬業(yè)精神和誨人不倦的育人態(tài)度，這些值得我們尊敬，更加值得我們學習。在段老師的指

51、導下，我不止在學習得到了很大進步，學到了更多的專業(yè)知識，更為值得的是在精神上獲得了一次洗禮。在此，謹向段老師致以崇高的謝意。由衷地感謝儀器科學與電氣工程學院的全體老師，感謝你們在學習和生活上給予我的幫助和指導。你們在教學和科研中忘我的工作精神感染了我，循循善誘的悉心教導，陪伴我走過了四年的大學生活，同時你們也將是我今后工作中學習的榜樣。感謝尚新磊學長和吳海燕學姐對我的幫助和建議，他們在緊張忙碌的學習研究過程中仍不厭其煩的給我提供技術(shù)上的支持。感謝650505班的所有同學在過去四年的學習生活中對我的幫助與支持，感謝你們給我創(chuàng)造了一個輕松、愉悅的學習環(huán)境。尤其是王煜琦和宗發(fā)保同學，感謝兩位多次為我

52、提供幫助。此刻，請允許我向多年來教誨和支持我的父母及兄長表達我的感謝，我的成長過程凝聚著你們對我的無私的愛和殷切的期望。最后向文中引用到的學術(shù)論著及研究成果的作者們，向眾多學者前輩致以誠摯的感謝，也感謝將為本文審稿的所有老師，您的寶貴意見將使我受益匪淺。英文翻譯性能：片內(nèi)集成6通道模數(shù)轉(zhuǎn)換真正的雙極性模擬輸入10V，5V輸入電壓范圍可用引腳/軟件選擇高吞吐率：可達到250kSPS電源4.5V至5.5V可選低功耗：5V電源下，250kSPS 160mW寬輸入帶寬：50kHz輸入時，SNR為85dB片內(nèi)提供2.5V基準電壓和基準緩沖器支持并行和串行接口高速串行接口兼容SPI、QSPI、Wire、D

53、SP待機模式下最大電流5A采用iCOMS加工工藝64腳LQFP封裝應用：電力線檢測系統(tǒng)儀表和控制系統(tǒng)多軸定位系統(tǒng)簡單描述：AD7656片內(nèi)集成了6通道、16位、高速、低功耗、逐次逼近型ADC。正常工作在4.5V-5.5V電源，吞吐速率可達250kSPS。片內(nèi)包含低噪聲、高帶寬采樣保持器，可處理輸入頻率高達8MHz。轉(zhuǎn)換處理和數(shù)據(jù)采集由CONVST信號和內(nèi)部時鐘控制。三位CONVST允許三對ADC同時獨立采樣。AD7656具有高速的并行和串行接口，允許其與微處理器和數(shù)字信號處理器進行接口。當使用串行接口模式時，AD7656具有的菊花鏈特性允許多個ADC和一個串行接口連接。AD7656可提供10V、5V的雙極性模擬信號輸入范圍。片內(nèi)集成了2.5V基準電壓源，也可外接基準電壓。若外接基準電壓為3V，則模數(shù)轉(zhuǎn)換器的最大允許輸入電壓范圍為12V，相應地，VDD和VSS電源引腳要求分別接+12V和-12V。引腳說明：REFCAPA, REFCAPB,REFCAPC：參考電壓引腳，這幾個引腳應該通過10