一種對磁傳感器進行檢測和標定的系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種對磁傳感器進行檢測和標定的系統，包括計算機、主控制板和零磁空間，所述計算機的輸出端口與所述主控制板的輸入端口形成電學連接，其特征在于：所述零磁空間中設有螺線管，所述螺線管內處于同一軸線方向分別設置有標準磁傳感器和待測磁傳感器；所述主控制板上設有可控恒流源，所述可控恒流源的輸出連接至所述螺線管。本發明可以產生大動態范圍電壓信號，并將其轉換為與負載、工作頻率無關的線性電流信號，電流信號可在螺線管中形成大動態范圍、高線性度的均勻磁場或交變磁場，參照標準磁傳感器讀數，實現待測高精度磁傳感器的測試和標定。
【專利說明】一種對磁傳感器進行檢測和標定的系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及磁變量的測量裝置的測試或校準，具體涉及一種對磁傳感器進行檢測和標定的系統。
【背景技術】
[0002]國際上地磁衛星計劃的首要目的就是獲得全球磁場數據，為礦產資源的調查、地磁導航和航空航天安全服務。
[0003]礦產資源直接關系著國家的經濟動脈，而富有磁性的鐵礦和金礦是需求急迫的金屬礦，磁法勘探是礦產資源普查的一種重要手段。地磁導航的原理是通過地磁傳感器測得的實時地磁數據與儲存在計算機中的地磁基準圖進行匹配來定位，由于地磁場為矢量場，理論上只要確定某點的地磁場矢量即可實現定位；因為地磁導航是利用地球本身的物理場，不會受到衛星的失效、天氣狀況和人工電磁干擾等因素的影響，因而是國防急迫需求的導航技術。空間環境的檢測也急需磁測衛星，地球空間主要的災害性空間天氣有:磁暴、電離層暴、熱層暴、磁層亞暴、磁層粒子暴等；災難性的空間天氣過程不僅會極大地影響人類的航天活動，造成衛星和星載儀器的故障，威脅航天員的安全，而且會造成短波通信中斷、電力系統崩潰、輸油管道出現高壓等不良現象。
[0004]為了獲得精確的磁場數據，磁傳感器的測量準確性至關重要。因此，地磁衛星上天前如何標定磁傳感器的測量精度，保證測量儀器正常使用，成為亟待解決的問題。目前解決這個問題方法是:建立零磁空間來實現。但實現完全無磁環境的要求非常苛刻，零磁空間難以屏蔽外界電磁干擾，極易受到周邊磁環境變化的影響。而且進行磁場標定時，很難產生大動態范圍、高線性度的穩定磁場。
【發明內容】
[0005]本發明的發明目的是提供一種對磁傳感器進行檢測和標定的系統，通過產生大動態范圍、高線性度磁場信號，解決高精度磁傳感器的測試和標定問題。
[0006]為達到上述發明目的，本發明采用的技術方案是:一種對磁傳感器進行檢測和標定的系統，包括計算機、主控制板和零磁空間，所述計算機的輸出端口與所述主控制板的輸入端口形成電學連接，所述零磁空間中設有螺線管，所述螺線管內處于同一軸線方向分別設置有標準磁傳感器和待測磁傳感器；所述主控制板上設有可控恒流源，所述可控恒流源的輸出連接至所述螺線管。
[0007]上述技術方案中，計算機構成輸入模塊，可以采用PC機，提供人機交互界面；主控制板構成控制模塊；零磁空間中的螺線管構成執行模塊。上述技術方案一改現有磁傳感器標定系統非絕對零磁空間、線性度差等特點，通過精密控制磁場實現磁傳感器的準確標定。使用時，通過計算機的人機交互界面發送控制命令，經所述主控制板轉換輸出恒定電流，該電流可使所述零磁空間中螺線管軸線方向產生均勻磁場。在計算機界面上選擇不同的控制命令，可在所述零磁空間中螺線管軸線方向產生不同的均勻磁場，且成一定的線性關系。此時，讀取所述標準磁傳感器軸線方向磁場分量，可以標定所述待測磁傳感器軸線方向磁場值。
[0008]進一步的技術方案，所述可控恒流源為壓控恒流源，所述主控制板上設有微處理器和電壓產生電路，微處理器接收計算機的控制信號，控制電壓產生電路產生設定的電壓，電壓產生電路的輸出連接控制所述壓控恒流源。
[0009]上述技術方案中，所述電壓產生電路包括接口邏輯控制電路、數模轉換(DAC)模塊、晶振、多時鐘信號分頻器和低通濾波器，所述晶振經多時鐘信號分頻器給各電路提供時鐘信號，所述接口邏輯控制電路由微處理器控制，輸出端連接至數模轉換模塊，數模轉換模塊的輸出電壓經低通濾波器濾波后連接至壓控恒流源的控制端。
[0010]優選的技術方案，所述數模轉換模塊為三角積分(Λ Σ )調制的數模轉換模塊。由此可產生大動態范圍的電壓信號。
[0011]優選的技術方案，所述壓控恒流源為豪蘭德電流源。可將電壓信號轉換為與負載、工作頻率無關的線性電流信號。
[0012]采用重建濾波器代替普通的低通RC濾波器，對輸出進行平滑濾波，可消除采樣引起的混疊噪聲和數模轉換精度不夠引起的毛刺噪聲。
[0013]具體實現時，所述主控制板包括晶振、多時鐘信號分頻器、微處理器MCU、串口通信模塊、接口邏輯控制電路、DAC、低通濾波器和壓控恒流源。所述晶振為所述多時鐘信號分頻器提供基準時鐘，所述多時鐘信號分頻器分別為所述微處理器MCU、DAC、低通濾波器等提供時鐘信號，所述串口通信模塊接收PC機的控制命令，傳給所述微處理器進行處理，微處理器根據不同的控制命令產生相應的控制信號，控制信號經接口邏輯控制電路后輸入給所述DAC,產生控制電壓，電壓信號經低通濾波后由所述壓控恒流源轉換為電流輸出。
[0014]一種對磁傳感器進行檢測和標定的方法，采用上述系統實現，先控制螺線管的磁場，通過讀取標準磁傳感器軸線方向磁場分量，對所述零磁空間中螺線管軸線方向校零，得到螺線管產生用于抵消外界磁場的實際磁場差值；再控制螺線管軸線方向的等效磁場在-65000nT?65000ηΤ范圍線性變化，對磁傳感器進行精確標定；螺線管的磁場的控制方法是，計算機向主控制板的微處理器發送控制命令，微處理器控制數模轉換模塊的電壓輸出，電壓信號經低通濾波，壓控恒流源轉換成電流信號，經螺線管產生可控均勻磁場。
[0015]由于上述技術方案運用，本發明與現有技術相比具有下列優點:
1、本發明通過在零磁空間中設置螺線管，在主控制板上設置可控恒流源，實現螺線管軸線方向磁場的均勻可控，解決了現有技術中零磁空間不穩定對磁傳感器標定造成的影響。
[0016]2、本發明的主控制板上的可控恒流源采用壓控恒流源時，可通過DAC芯片或FPGA內部邏輯產生的A-SDAC結構產生大動態范圍、高線性度電壓信號，經壓控恒流源轉化，在零磁空間螺線管中產生大動態范圍、高線性度可控均勻靜磁場或交變磁場，參照標準磁傳感器讀數，實現待測高精度磁傳感器的測試和標定。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是本發明實施例的系統原理框圖；
圖2是實施例1中DAC與低通濾波器模塊的電路圖； 圖3是實施例2中DAC與低通濾波器模塊的電路圖；
圖4是實施例中5階Λ-Σ調制器模塊結構圖；
圖5是實施例中壓控恒流源模塊電路圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述:
實施例1:
參見圖1所示，一種對磁傳感器進行檢測和標定的系統，包括PC機100、主控制板200和零磁空間300，所述PC機輸出端口與所述主控制板輸入端口通過串口線形成電學連接，所述主控制板200和所述零磁空間300通過屏蔽同軸電纜連接，所述零磁空間300內設置有螺線管310，螺線管310的內部軸線上放置有標準磁傳感器320和待測磁傳感器330。
[0019]所述PC機100上提供用于控制整個系統的人機交互界面。所述主控制板200包括邏輯功能模塊210、DAC模塊220、晶振230、多時鐘信號分頻器模塊240、低通濾波器模塊250和壓控恒流源模塊260。其中，所述邏輯功能模塊210包括串口通信模塊211、接口邏輯控制模塊212和微處理器MCU模塊213。
[0020]所述晶振230用于為所述多時鐘信號分頻器提供基準時鐘。
[0021]所述多時鐘信號分頻器模塊240分別為所述微處理器MCU、DAC、低通濾波器等提供時鐘信號，可以使用PLL鎖相環實現。
[0022]所述微處理器MCU模塊213可以選擇51核8位單片機AT89C51、低功耗16位MSP430系列單片機或32位ARM系列單片機,或者采用Altera公司的cyclone系列、XiIinx公司的Spartan系列FPGA芯片。
[0023]所述串口通信模塊221用于接收PC機發送的數據，并傳送給所述微處理器MCU處理，它包括FPGA內部的串口邏輯及外圍的串口驅動芯片。
[0024]所述接口邏輯控制電路222可以是AT89C51單片機、MSP430系列單片機和ARM系列單片機的GPIO 口，也可以是FPGA內部形成的輸入、輸出邏輯。
[0025]參見附圖2所示，所述DAC模塊220選用單獨的DAC芯片，比如倒T型電阻網絡轉換器芯片、權電流型DA轉換器芯片。此時，為所述DAC芯片提供電源VDD、地GND、基準電壓Vref和時鐘信號CLOCK，當所述接口邏輯電路發送數據DATA給所述DAC，數據伴隨著時鐘信號放置到DAC內部的移位寄存器，接收完并轉化成模擬信號后，輸出相應的模擬電壓。如圖2，所述DAC后接運放的連接方式只可以產生-2.5V?OV的電壓，為了產生±2.5V的對稱可控電壓，需要Rp R2電阻進行合理取值。所述低通濾波器模塊250可以選擇最簡單的RC低通濾波器，也可以選擇此處使用的有源低通濾波器，電容C3可以有效地濾除高頻成分，而電阻R3與前面的RpR2配合可以將可控電壓增加到±4V，故使用所述結構模塊可以有效地提高整個系統的精度和動態范圍。
[0026]所述壓控恒流源模塊260完成將電壓信號轉換為電流信號的任務，它有多種選擇，可以選擇恒流源芯片，也可以是經典的豪蘭德電流源電路。此處為了輸出電流
-可控，實施方案選擇如圖5所示的豪蘭德電流源電路。當滿足條件| = |時，輸出電阻
IqK
趨于》，此時電壓信號轉換為線性電流信號與負載、工作頻率無關，即輸出為可控恒流。[0027]由上述實施例可以看出，在本發明中，利用主控制板產生大動態范圍、高線性度的電流信號，驅動零磁空間中的螺線管產生軸線方向的大動態范圍、高線性度可控精密磁場，從而實現螺線管中待測磁傳感器的測試和標定。
[0028]實施例2:
參見圖1所示，一種對磁傳感器進行檢測和標定的系統，主體部分與實施例1 一致，DAC模塊220和低通濾波器模塊250如圖3所示。
[0029]在有相應資源的情況下，DAC模塊220使用FPGA內部邏輯產生。所述DAC模塊220包括分頻器模塊221、RAM模塊222、高階Λ Σ調制器模塊223、反相器模塊224和緩沖器模塊 225。
[0030]所述分頻器模塊221可以使用硬件描述語言形成的分頻模塊，也可以是FPGA內部邏輯形成鎖相環對時鐘信號進行分頻。
[0031]所述RAM模塊222可以使用外部的存儲器芯片，如Flash、SDRAM等，也可以使用FPGA內部邏輯形成的片上存儲器。所述RAM模塊用于存儲正弦波ΛΣ比特數據流，此數據流將輸出給所述高階△ Σ調制器。可以自定義所需的數據流值，其前提是數據值兩端連續，即點對點數據集可以產生一條平滑的曲線，而設置數據點的個數取決于所需的測試信號頻率、輸出速率和有效插值因子。此處，根據所述微處理器MCU模塊213提供的不同地址，TBS發生器讀RAM模塊中相應的地址數據，可產生24比特、1024數據點正弦波測試信號。
[0032]所述高階Λ Σ調制器模塊223可以使用CIFB偶數階、CIFB奇數階、CIFF偶數階、CIFF奇數階、CRFB偶數階、CRFB奇數階、CRFF偶數階和CRFR奇數階8種結構中的任何一種。Λ Σ調制器結構是DAC芯片的主流結構，是設計DAC的核心部分。Λ Σ調制器又稱為總和增量調制器，是使用最廣泛的一種過采樣技術，它通過對噪聲進行整形來得到高精度，所謂階數是指△ Σ調制器中所包含的積分器個數。△ Σ調制器主要由積分器和量化器構成。積分器將輸入和量化信號的差累加，使量化器輸出保持在零附近，環路反饋強迫量化器輸出的局部平均值跟蹤輸入信號的局部平均值。調制器輸出的局部平均值，由采樣數字濾波器處理，獲得高精度數字信號。也就`是說，Δ Σ調制器將信號無失真的傳到輸出端，而對噪聲則產生了變形。為了進一步提高△ Σ調制器的量化信噪比，可在量化器之前加入更多的積分器構成高階的△ Σ調制器。對于高階△ Σ調制器設計來說，重點就是噪聲傳遞函數的設計，通過調制器之后低頻段的噪聲被調制到高頻段，因此可以把噪聲傳遞函數看成一個高通濾波器來設計。本實例實施方案使用的就是圖4所示的5階CIFB結構Λ Σ調制器。高位數據信號經所述高階△ Σ調制器模塊后可最終得到高采樣率的I位數據流。
[0033]所述反相器模塊224和緩沖器模塊225可以是片外芯片實現，也可以在資源允許的情況下通過FPGA內部邏輯實現。所述反向器模塊224使用非門，而所述緩沖器模塊225則由兩個非門級聯形成。兩個模塊的作用是將所述高階△Σ調制器模塊I位數據流輸出
轉換為兩個反向信號Q、5。
[0034]所述低通濾波器模塊250實施方案如圖3，選用的是連續時間雙運放結構的重建濾波器。前面所述DAC模塊，需要經過所述重建濾波器對輸出進行平滑濾波，以消除采樣引
起的混疊噪聲和數模轉換精度不夠引起的毛刺噪聲。所述高階Λ Σ調制器模塊輸出Q、Q
分別控制所述低通濾波器模塊開關Κ1、Κ2的通斷。
【權利要求】
1.一種對磁傳感器進行檢測和標定的系統，包括計算機、主控制板和零磁空間，所述計算機的輸出端口與所述主控制板的輸入端口形成電學連接，其特征在于:所述零磁空間中設有螺線管，所述螺線管內處于同一軸線方向分別設置有標準磁傳感器和待測磁傳感器；所述主控制板上設有可控恒流源，所述可控恒流源的輸出連接至所述螺線管。
2.根據權利要求1所述的對磁傳感器進行檢測和標定的系統，其特征在于:所述可控恒流源為壓控恒流源，所述主控制板上設有微處理器和電壓產生電路，微處理器接收計算機的控制信號，控制電壓產生電路產生設定的電壓，電壓產生電路的輸出連接控制所述壓控恒流源。
3.根據權利要求2所述的對磁傳感器進行檢測和標定的系統，其特征在于:所述電壓產生電路包括接口邏輯控制電路、數模轉換模塊、晶振、多時鐘信號分頻器和低通濾波器，所述晶振經多時鐘信號分頻器給各電路提供時鐘信號，所述接口邏輯控制電路由微處理器控制，輸出端連接至數模轉換模塊，數模轉換模塊的輸出電壓經低通濾波器濾波后連接至壓控恒流源的控制端。
4.根據權利要求3所述的對磁傳感器進行檢測和標定的系統，其特征在于:所述數模轉換模塊為三角積分調制的數模轉換模塊。
5.根據權利要求2所述的對磁傳感器進行檢測和標定的系統，其特征在于:所述壓控恒流源為豪蘭德電流源。
6.一種對磁傳感器進行檢測和標定的方法，其特征在于:采用權利要求1所述系統實現，先控制螺線管的磁場，通過讀取標準磁傳感器軸線方向磁場分量，對所述零磁空間中螺線管軸線方向校零，得到螺線管產生用于抵消外界磁場的實際磁場差值；再控制螺線管軸線方向的等效磁場在_65000ηΤ?65000ηΤ范圍線性變化，對磁傳感器進行精確標定；螺線管的磁場的控制方法是，計算機向主控制板的微處理器發送控制命令，微處理器控制數模轉換模塊的電壓輸出，電壓信號經低通濾波，壓控恒流源轉換成電流信號，經螺線管產生可控均勻磁場。
【文檔編號】G01R35/00GK103576118SQ201310246399
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年6月20日 優先權日:2013年6月20日
【發明者】喬東海, 支萌輝, 秦華峰 申請人:蘇州大學