CN107462846A - 弱磁场检测装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种弱磁场检测装置，该装置包括印刷电路板，所述印刷电路板上设有弱磁场传感器，其中，所述弱磁场检测装置还包括磁聚焦放大器，所述磁聚焦放大器与所述印刷电路板固定连接，所述磁聚焦放大器包括聚焦端，所述聚焦端呈锥状，所述聚焦端的锥尖与所述弱磁场传感器的磁敏感点相接触。本发明实施例公开的弱磁场检测装置，实现了进一步解决弱磁场传感器本底噪声、设备接收灵敏度的问题，通过磁聚焦放大器和传感器阵列的技术，提高弱小磁信号的采集效果。

Description

弱磁场检测装置及其制备方法

技术领域

本发明涉及弱磁场检测技术领域，尤其涉及一种弱磁场检测装置及其制备方法。

背景技术

在磁场检测技术领域,从磁场强度角度上大体可分为弱磁场、强磁场和甚强磁场三大类,其中关于弱磁场的检测技术在很大程度上代表了国家磁场技术发展水平。在科学研究、国防建设、工业生产、日常生活领域，弱磁场的测量常常起着决定性作用，作为一种测量手段，弱磁测量技术在相关领域起着越来越重要的作用。弱磁场检测技术的发展与应用成为人们密切关切的问题之一。弱磁场的检测和应用的领域十分广泛。比如：弱磁场的检测技术常用于地磁常规和地震预兆检测；航磁地磁测量和宇航工程的磁场测量，使用的都是弱磁场技术；军事上舰艇的消磁、鱼雷的的制导和卫星测距等都需要用到弱磁场技术；高精度的测磁仪器是地面磁法探矿的主要设备，但环境磁场对这些仪器的影响很大，在使用仪器之前，需要对周围环境磁场进行检测；弱磁技术也可应用于地磁卫星、月球磁场以及对金星、水星等外层空间磁场的探测，对天体磁场的研究有很大意义；现代弱磁技术在生物工程和医疗器械方面更是有重要的应用,如：核磁共振CT、肺磁诊断仪、胃磁诊断仪等。弱磁技术是当今高新技术的一个热点,它的发展前景广阔。

在弱磁场检测技术中，传感器是信号采集检测的基础。随着磁传感器技术的发展，磁传感器灵敏度越来越高，本底噪声越来越小。当前用于弱小磁场检测的传感器主要有感应线圈、霍尔元件、各向异性磁敏电阻(Anisotropic Magnetoresistance，AMR)、巨磁电阻(Giant Magnetoresistance，GMR)、磁通门探头以及隧道磁敏电阻(TunnelMagnetoresistance，TMR)等。以下表1为各种传感器的技术参数对比：

表1磁传感器技术参数

感应线圈具有大量程、高精度、制作成本低等特点，在涡流检测、漏磁检测中应用十分普遍，但其测量的是磁感应强度的变化率，必须处在变化的磁场中或在磁场中运动才能工作，不能探测静态和缓慢变化的磁场，对低频交变的检测灵敏度低。霍尔传感器可直接测量磁场强度值的变化；在低频时也具有良好的响应能力，可测量10-7～10T的恒定磁场，也可测量频率10Hz～100MHz、磁感应强度5T的交变磁场，以及脉冲持续时间为几十微秒的脉冲磁场，但其功耗大、线性度差。AMR元件虽然灵敏度比霍尔元件高很多，但其线性范围窄；同时，以AMR为敏感元件的磁传感器需要设置Set/Reset线圈对其进行预设/复位操作，制造工艺较复杂，线圈结构的设置在增加尺寸的同时也增加了功耗。GMR元件较霍尔元件有更高的灵敏度，但其线性范围较小。TMR元件相对于霍尔元件具有更好的温度稳定性、更高的灵敏度、更低的功耗、更好的线性度，不需要额外的聚磁环结构；相对于AMR元件具有更好的温度稳定性、更高的灵敏度、更宽的线性范围，不需要额外的Set/Reset线圈结构；其相对于GMR元件具有更好的温度稳定性，更高的灵敏度，更低的功耗，更宽的线性范围。参见图1，其为TMR传感器本底噪声曲线。可见本底噪音Ni的低频1/f噪音为高频白噪音为灵敏度高达300mV/V/Oe。因此，TMR磁传感器具有超低的功耗、小尺寸、高灵敏度、底噪底、大工作范围、高分辨率和更好地温度稳定性。

但是，由于磁传感器还是会存在本底噪声、设备接收灵敏度的问题，也会最终影响检测结果。

发明内容

本发明实施例提供弱磁场检测装置及其制备方法，以用于解决现有技术中，由于磁传感器的本底噪声、设备接收灵敏度的原因，而导致检测效果不够好的问题。

一方面，本发明实施例提供一种弱磁场检测装置，包括包括印刷电路板，所述印刷电路板上设有弱磁场传感器，其特征在于，所述弱磁场检测装置还包括磁聚焦放大器，所述磁聚焦放大器与所述印刷电路板固定连接，所述磁聚焦放大器包括聚焦端，所述聚焦端呈锥状，所述聚焦端的锥尖与所述弱磁场传感器的磁敏感点相接触。

在其中一个实施例中，所述磁聚焦放大器与所述印刷电路板通过可调节螺丝固定连接，所述印刷电路板上开设有装配通孔，所述装配通孔的尺寸大于所述可调节螺丝的尺寸，所述磁聚焦放大器设有与所述印刷电路板相贴合的装配面，所述装配面上设有与所述装配通孔相对应的装配沉孔，所述磁聚焦放大器与所述印刷电路板之间设有弹性垫片。

在其中一个实施例中，所述装配通孔的数量为2个，所述装配通孔呈长方形，2个所述装配通孔与所述磁敏感点排列成一直线，所述装配通孔的长边平行于所述直线。

在其中一个实施例中，所述弱磁场传感器为TMR磁传感器，所述磁聚焦放大器的材料为铁镍软磁合金，所述磁聚焦放大器呈棱锥形。

在其中一个实施例中，所述印刷电路板上还包括滤波调理电路、可编程增益放大电路、ADC数据采集模块和数据分析处理模块；

所述滤波调理电路连接于所述弱磁场传感器的输出端，所述滤波调理电路用于对所述弱磁场传感器采集的检测信号进行滤波调理，得到滤波信号；

所述可编程增益放大电路连接于所述滤波调理电路的输出端，所述可编程增益放大电路用于对所述滤波信号的信号幅值进行动态调整，得到调整信号；

所述ADC数据采集模块与所述可编程增益放大电路相连接，所述ADC数据采集模块用于对所述调整信号进行转换，得到转换数据；

所述数据分析处理模块连接于所述ADC数据采集模块的输出端，所述数据分析处理模块用于对所述转换数据进行分析处理，得到检测数据。

另一方面，本发明实施例还提供了一种弱磁场检测装置的制备方法，所述制备方法用于制备上述的弱磁场检测装置，所述制备方法包括：

获取所述磁敏感点在所述印刷电路板上的定点位置；

根据所述定点位置，得到所述装配通孔的通孔开孔位置并制作所述装配通孔；

根据所述定点位置和所述开孔位置，在所述装配面得到所述装配沉孔的沉孔开孔位置并制作所述装配沉孔；

使用所述可调节螺丝固定所述印刷电路板和所述磁聚焦放大器，所述印刷电路板和所述磁聚焦放大器置有所述弹性垫片；

通过所述可调节螺丝调整所述印刷电路板和所述磁聚焦放大器的相对位置，使所述聚焦端的锥尖与所述磁敏感点相接触；

获取所述弱磁场检测装置的校准数据，将所述校准数据写入所述数据分析处理模块，所述校准数据用于对所述转换数据进行数据补偿。

在其中一个实施例中，在所述获取所述磁敏感点在所述印刷电路板上的定点位置的步骤之前，还包括：

开模铸造所述磁聚焦放大器。

本发明实施例提供的弱磁场检测装置，包括印刷电路板，所述印刷电路板上设有弱磁场传感器，其特征在于，所述弱磁场检测装置还包括磁聚焦放大器，所述磁聚焦放大器与所述印刷电路板固定连接，所述磁聚焦放大器包括聚焦端，所述聚焦端呈锥状，所述聚焦端的锥尖与所述弱磁场传感器的磁敏感点相接触。由此，实现了进一步解决弱磁场传感器本底噪声、设备接收灵敏度的问题，通过磁聚焦放大器和传感器阵列的技术，提高弱小磁信号的采集效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例的附图，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是TMR传感器本底噪声曲线；

图2是本发明弱磁场检测装置的第一实施例的结构示意图；

图3是本发明弱磁场检测装置的第一实施例的装配前的实物示意图；

图4是本发明弱磁场检测装置的第一实施例的装配后的实物示意图；

图5是本发明弱磁场检测装置的第一实施例的磁聚焦放大器的结构示意图；

图6是本发明弱磁场检测装置的第二实施例的结构示意图；

图7是本发明弱磁场检测装置制备方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

第一实施例

如图2所示，是本发明弱磁场检测装置的第一实施例的结构示意图。该弱磁场检测装置包括印刷电路板1，所述印刷电路板1上设有弱磁场传感器11，其中，所述弱磁场检测装置还包括磁聚焦放大器2，所述磁聚焦放大器2与所述印刷电路板1固定连接，所述磁聚焦放大器2包括聚焦端21，所述聚焦端21呈锥状，所述聚焦端21的锥尖与所述弱磁场传感器11的磁敏感点相接触。

已知地，弱磁场传感器11具有磁敏感点，可以根据传感器的说明书或经检测获得。在本发明实施例中，将磁聚焦放大器2的聚焦端21的锥尖指向磁敏感点，可以达到利用具有聚焦端21的磁聚焦放大器2为弱磁场传感器11放大信号的效果。

进一步地，所述磁聚焦放大器2与所述印刷电路板1通过可调节螺丝固定连接，所述印刷电路板1上开设有装配通孔12，所述装配通孔12的尺寸大于所述可调节螺丝的尺寸，所述磁聚焦放大器2设有与所述印刷电路板1相贴合的装配面22，所述装配面22上设有与所述装配通孔12相对应的装配沉孔23，所述磁聚焦放大器2与所述印刷电路板1之间设有弹性垫片3。

在本发明实施例中，一方面，由于装配通孔12的尺寸大于可调节螺丝的尺寸，因此可以左右、前后调整磁聚焦放大器2与印刷电路板1的相对位置，另一方面，由于磁聚焦放大器2与印刷电路板1之间设有弹性垫片3，该弹性垫片3可以选用硅胶片，在可调节螺丝的两侧各放置一张硅胶片，可以上下调整磁聚焦放大器2与印刷电路板1的相对位置。因此，根据本发明实施例的装置，可以实现磁聚焦放大器2与印刷电路板1左右、前后、上下几个方向的微调，用于保证聚焦端21的锥尖与弱磁场传感器11的磁敏感点相接触。此外，装配沉孔23为螺纹孔，与可调整螺丝适配，在装配面22设置装配沉孔23而不是通孔，可以避免破坏磁聚焦放大器2的磁聚焦效果。

进一步地，所述装配通孔12的数量为2个，所述装配通孔12呈长方形，2个所述装配通孔12与所述磁敏感点排列成一直线，所述装配通孔12的长边平行于所述直线。

在本发明实施例中，参见图3和图4，图3是本发明弱磁场检测装置的第一实施例的装配前的实物示意图，图4是本发明弱磁场检测装置的第一实施例的装配后的实物示意图。将装配通孔12的数量设为2个，可以较好地固定磁聚焦放大器2，而长方形的装配通孔12，一方面降低了装配难度和磁聚焦放大器2的装配沉孔23的加工精度，另一方面可以进一步保证聚焦端21的锥尖与弱磁场传感器11的磁敏感点相接触。

进一步地，所述弱磁场传感器11为TMR磁传感器，所述磁聚焦放大器2的材料为铁镍软磁合金，所述磁聚焦放大器2呈棱锥形。

在本发明实施例中，TMR磁传感器具有超低的功耗、小尺寸、高灵敏度、底噪底、大工作范围、高分辨率和更好地温度稳定性。因此本发明采用TMR磁传感器对弱磁场信号进行采集和检测。另外，铁镍软磁合金可以实现磁聚焦的效果，将周围磁感线聚焦在一起，实现磁场无源放大的效果。

经仿真和理论分析可知，除了软磁的体积和重量外，影响软磁磁聚焦效果的主要是软磁的形态，参见图5，为本发明弱磁场检测装置的第一实施例的磁聚焦放大器2的结构示意图，将软磁加工成图5所示的5种模型进行试验测试，将软磁聚焦点对准磁传感器，交变正弦磁场环境下，用示波器测试增加软磁后的磁传感器转换的电信号大小。实验证明，磁聚焦技术可以将弱小磁场放大数十倍，也就是说理论上可以将磁探测的距离扩大1倍以上，未使用磁聚焦放大器2的磁传感器采集的交变磁场信号，幅度约20mV，而增加磁聚焦放大器2后采集的交变磁场信号，幅度约200mV。

经过试验发现，图5左二形状的软磁磁聚焦效果最好，可以更好的将空间磁力线聚焦到磁传感器，实现磁场的放大，最终产品图4所示。

本发明实施例提供的弱磁场检测装置，包括包括印刷电路板1，所述印刷电路板1上设有弱磁场传感器11，其特征在于，所述弱磁场检测装置还包括磁聚焦放大器2，所述磁聚焦放大器2与所述印刷电路板1固定连接，所述磁聚焦放大器2包括聚焦端21，所述聚焦端21呈锥状，所述聚焦端21的锥尖与所述弱磁场传感器11的磁敏感点相接触。由此，实现了进一步解决弱磁场传感器11本底噪声、设备接收灵敏度的问题，通过磁聚焦放大器2和传感器阵列的技术，提高弱小磁信号的采集效果。

第二实施例

如图6所示，是本发明弱磁场检测装置的第二实施例的结构示意图。本实施例的弱磁场检测装置是基于第一实施例的进一步改进，其印刷电路板1上还包括滤波调理电路13、可编程增益放大电路14、ADC数据采集模块15和数据分析处理模块16：

所述滤波调理电路13连接于所述弱磁场传感器11的输出端，所述滤波调理电路13用于对所述弱磁场传感器11采集的检测信号进行滤波调理，得到滤波信号；

所述可编程增益放大电路14连接于所述滤波调理电路13的输出端，所述可编程增益放大电路14用于对所述滤波信号的信号幅值进行动态调整，得到调整信号；

所述ADC数据采集模块15与所述可编程增益放大电路14相连接，所述ADC数据采集模块15用于对所述调整信号进行转换，得到转换数据；

所述数据分析处理模块16连接于所述ADC数据采集模块15的输出端，所述数据分析处理模块16用于对所述转换数据进行分析处理，得到检测数据。

弱磁场磁场信号采集检测***采用模拟电路实现高频噪声的滤出和80dB以上增益的放大，磁信号采集装置本身就是一种静默、被动采集，不发射任何信号。滤波调理电路使用了三级运放对信号进行滤波调理；使用可编程增益放大电路对信号幅值进行动态调整；使用16位ADC对数据进行采集；ADC采集的数据量比较大，数据分析部分采用DSP进行处理。

为了解决磁信号小、环境噪声复杂等问题，采用磁聚焦技术，同时借鉴阵列采集的优势，大大降低了磁传感器本底噪声的影响，提高了磁信号采集的灵敏度。本发明研发的磁聚焦技术，通过铁镍软磁合金将弱小磁感线聚焦在一起，将空间磁感应强度无源放大10倍，大大提高单个采集传感器的灵敏度，提高了次探测距离，降低本底噪声的影响。

采用铁镍软磁合金磁聚焦技术弱小磁感线聚焦在一起，将空间磁感应强度无源放大10倍，大大提高单个采集传感器的灵敏度，提高了磁探测距离，降低本底噪声的影响，大大改进了弱磁场检测技术的灵敏度。

上文对本发明的弱磁场检测装置的实施例作了详细介绍。下面将相应于上述弱磁场检测装置的制备方法作进一步阐述。

第三实施例

如图7所示，为本发明弱磁场检测装置制备方法的流程示意图，该制备方法用于制备上述实施例的弱磁场检测装置，所述制备方法包括：

步骤101，获取所述磁敏感点在所述印刷电路板上的定点位置。

在本步骤中，为了实现产品化，需解决软磁加工、固定、产品一致性等问题，由于磁传感器本身有一个磁敏感点，将导磁尖角，即磁聚焦放大器的聚焦端的锥尖对准磁敏感点即可。首先保证软磁加工工艺的一致性，其次保证安装固定工艺的一致性，最后将软磁、磁传感器、采集***作为整体进行参数校准测试，写入***校准参数。

在本发明实施例中，在所述获取所述磁敏感点在所述印刷电路板上的定点位置的步骤之前，还包括：

开模铸造所述磁聚焦放大器。

其中，软磁加工由切割工艺改为开模铸造工艺，尽可能减小加工工艺带来的不确定性。

步骤102，根据所述定点位置，得到所述装配通孔的通孔开孔位置并制作所述装配通孔。

在本步骤中，参见图2，在印刷电路板上开设2个狭长的装配通孔，软磁由此可以实现位置前后调整。

步骤103，根据所述定点位置和所述开孔位置，在所述装配面得到所述装配沉孔的沉孔开孔位置并制作所述装配沉孔。

在本步骤中，在磁聚焦放大器的底部开螺丝孔，即装配沉孔，其尺寸与可调节螺丝相匹配，而其孔径比装配通孔的尺寸小，可以实现软磁位置左右调整。

步骤104，使用所述可调节螺丝固定所述印刷电路板和所述磁聚焦放大器，所述印刷电路板和所述磁聚焦放大器置有所述弹性垫片。

在本步骤中，PCB板和软磁中间增加一定硬度的硅胶垫片，通过螺丝松紧度进行软磁上下调整。

步骤105，通过所述可调节螺丝调整所述印刷电路板和所述磁聚焦放大器的相对位置，使所述聚焦端的锥尖与所述磁敏感点相接触。

步骤106，获取所述弱磁场检测装置的校准数据，将所述校准数据写入所述数据分析处理模块，所述校准数据用于对所述转换数据进行数据补偿。

当印刷电路板和磁聚焦放大器固定好以后，将整个采集模块作为整体进行校准，将校准结果写入***校准参数，实际工作中每个采集模块根据校准参数进行数据补偿。

以上所说实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应该认为是本说明书记载的范围。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种弱磁场检测装置，包括印刷电路板，所述印刷电路板上设有弱磁场传感器，其特征在于，所述弱磁场检测装置还包括磁聚焦放大器，所述磁聚焦放大器与所述印刷电路板固定连接，所述磁聚焦放大器包括聚焦端，所述聚焦端呈锥状，所述聚焦端的锥尖与所述弱磁场传感器的磁敏感点相接触。

2.根据权利要求1所述的弱磁场检测装置，其特征在于，所述磁聚焦放大器与所述印刷电路板通过可调节螺丝固定连接，所述印刷电路板上开设有装配通孔，所述装配通孔的尺寸大于所述可调节螺丝的尺寸，所述磁聚焦放大器设有与所述印刷电路板相贴合的装配面，所述装配面上设有与所述装配通孔相对应的装配沉孔，所述磁聚焦放大器与所述印刷电路板之间设有弹性垫片。

3.根据权利要求2所述的弱磁场检测装置，其特征在于，所述装配通孔的数量为2个，所述装配通孔呈长方形，2个所述装配通孔与所述磁敏感点排列成一直线，所述装配通孔的长边平行于所述直线。

4.根据权利要求1所述的弱磁场检测装置，其特征在于，所述弱磁场传感器为TMR磁传感器，所述磁聚焦放大器的材料为铁镍软磁合金，所述磁聚焦放大器呈棱锥形。

5.根据权利要求1-4任一项所述的弱磁场检测装置，其特征在于，所述印刷电路板上还包括滤波调理电路、可编程增益放大电路、ADC数据采集模块和数据分析处理模块；

所述滤波调理电路连接于所述弱磁场传感器的输出端，所述滤波调理电路用于对所述弱磁场传感器采集的检测信号进行滤波调理，得到滤波信号；

所述可编程增益放大电路连接于所述滤波调理电路的输出端，所述可编程增益放大电路用于对所述滤波信号的信号幅值进行动态调整，得到调整信号；

所述ADC数据采集模块与所述可编程增益放大电路相连接，所述ADC数据采集模块用于对所述调整信号进行转换，得到转换数据；

所述数据分析处理模块连接于所述ADC数据采集模块的输出端，所述数据分析处理模块用于对所述转换数据进行分析处理，得到检测数据。

6.一种弱磁场检测装置的制备方法，其特征在于，所述制备方法用于制备权利要求1-5任一项所述的弱磁场检测装置，所述制备方法包括：

获取所述磁敏感点在所述印刷电路板上的定点位置；

根据所述定点位置，得到所述装配通孔的通孔开孔位置并制作所述装配通孔；

根据所述定点位置和所述开孔位置，在所述装配面得到所述装配沉孔的沉孔开孔位置并制作所述装配沉孔；

使用所述可调节螺丝固定所述印刷电路板和所述磁聚焦放大器，所述印刷电路板和所述磁聚焦放大器置有所述弹性垫片；

通过所述可调节螺丝调整所述印刷电路板和所述磁聚焦放大器的相对位置，使所述聚焦端的锥尖与所述磁敏感点相接触；

获取所述弱磁场检测装置的校准数据，将所述校准数据写入所述数据分析处理模块，所述校准数据用于对所述转换数据进行数据补偿。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在所述获取所述磁敏感点在所述印刷电路板上的定点位置的步骤之前，还包括：

开模铸造所述磁聚焦放大器。