CN107884729A - 一种抑制环境共模噪音的磁电复合基磁传感器*** - Google Patents

一种抑制环境共模噪音的磁电复合基磁传感器*** Download PDF

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Abstract

本发明提供一种抑制环境共模噪音的磁电复合基磁传感器***，包括两个单轴磁电复合基磁传感器、数据采集设备、计算机，两个磁电复合基磁传感器同向平行放置，所产生的输出信号接入数据采集设备的输入端，数据采集设备的输出端与计算机相连，数据采集设备将两个单轴磁电复合基磁传感器输入的模拟电压信号转化为数字信号并通过USB接口接入计算机中。本发明可以有效地降低环境中的共模噪音，提高实际测试中的信噪比。

Description

一种抑制环境共模噪音的磁电复合基磁传感器***
技术领域
本发明涉及一种抑制环境共模噪音的磁电复合基磁传感器***，属于磁电复合材料技术领域。
背景技术
磁传感器在工业生产，汽车制造，国防等领域有着广泛的应用。但整体来讲，目前市场上的传感器无法达到非常高的使用要求：超高灵敏度的磁传感器造价高昂，价格低廉的磁传感器的灵敏度又无法满足实际应用的要求。而近些年随着磁电复合材料的发展，一种基于磁电复合材料的高性能磁传感器有望填补已有传感器的不足。
目前磁电复合基磁传感器的低频噪音可以达到<6pT/rtHz(1Hz)的水平，其性能已经优于市场上的磁通门传感器的性能。但该测试结果是在实验室条件下获得，为了屏蔽环境磁噪音以及振动噪音的干扰，需要将传感器放置在磁屏蔽桶内、且将整个磁屏蔽***放置在隔震台上。这样的测试环境在实际应用中是很难保证的，直接制约了磁电磁传感器的户外实际应用。
对于抑制磁传感器的噪声，Mather Phillip等提出通过惠斯通电桥的设计来降低半导体磁畴的巴克豪森噪音(US20080055482)，德国Micronas GmbH公司通过低通滤波和乘法器组合的方法去除动态器件的动态噪音(DE20151014952)。这些方法都是针对传感器本身的噪音降低，而没有考虑到环境噪音的干扰。对于抑制环境噪音，有工作指出可以通过优化从磁电复合材料结构，如差分结构的设计(J.Gao,J.Zhai,Y.Shen,L.Shen,D.Gray,J.Li,P.Finkel and D.Viehland,"Differential-Mode Vibrational Noise CancellationStructure for Metglas Pb(Zr,Ti)O(3)Fiber Magnetoelectric Laminates,"IEEETransactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control,vol.58,p.1541-1544,2011)。而这种差分结构对制作工艺要求严格，需要所制备的样品在几何方面完美对称，否则就会产生相位差严重影响降低振动噪音的效果，因此这种方法的重复性并不十分理想，实际应用中效果不明显。另外，对于抑制环境中其它噪音源如磁场噪音等方面，在结构方面进行改进的技术无法实现降低此类噪音的影响。
发明内容
本发明的目的是针对磁电磁传感器易受外界噪音影响的问题，提出一种有效降低环境共模噪音，提高信噪比的解决方法，即是一种抑制环境共模噪音的磁电复合基磁传感器***，该***简单易操作并且可以抑制环境中的多种噪音源。
本发明的目的是这样实现的：包括两个单轴磁电复合基磁传感器、数据采集设备、计算机，两个磁电复合基磁传感器同向平行放置，所产生的输出信号接入数据采集设备的输入端，数据采集设备的输出端与计算机相连，数据采集设备将两个单轴磁电复合基磁传感器输入的模拟电压信号转化为数字信号并通过USB接口接入计算机中。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.磁电复合基磁传感器包含磁电复合材料以及电荷信号放大器，两个磁电复合基磁传感器所产生的输出信号接入数据采集设备的输入端是指两个磁电复合基磁传感器所产生的输出信号经过电荷信号放大器的电路后接入数据采集设备的输入端。
2.磁电复合材料包含磁致伸缩材料层和压电材料层。
3.两个磁电复合基磁传感器之间的距离是10厘米。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用环境共模噪音使得传感器阵列产生具有相关性的输出信号，此信号具有相近的相位和幅度特性，从而可以通过相关性计算分离并去除该部分噪音源进而得到传感器的本底噪音，成为进一步提高信噪比的基础。(1)可以显著降低工作频率范围内的所有环境共模噪音，达到实验室条件下测试所得噪音水平；(2)适用于任何磁电复合基磁传感器，无需复杂结构设计，具有更高的效率和可重复性；(3)极大提高磁电磁传感器在自然环境中工作的信噪比，感知到更微小的信号，提高实际探测能力。
附图说明
图1为本发明的***方框示意图。
图2为***信号测试的数据处理过程示意图。通过对采集信号的***分析，得到共模噪音部分和本底噪音部分。
图3为磁电磁传感器在工作频率域的传递函数和相位。
图4为通过MATLAB信号处理程序分析所得两个磁传感器输出信号的相关性，幅度比和相位差。
图5为通过计算所得的两个磁传感器在实际测试环境下的噪音频谱，差分信号噪音频谱和本底噪音频谱，并将计算所得的本底噪音频谱和在实验室屏蔽条件下测得的本底噪音频谱做对比。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
为了更加清楚地介绍本发明的目的、技术方案和显著优势，特别地结合本实施例中的附图，对本发明中降低环境共模噪音的磁电复合磁传感器梯度阵列***的技术方案进行清楚完整的描述。
参见图1，本发明实施例中设有两个单轴磁电复合基磁传感器(一维的磁电复合敏感元件)1和2，电荷放大电路3，数据采集设备4和计算机5；***中，两个磁电复合基磁传感器同向平行放置，其基准线距离为10厘米，所产生的输出信号接入数据采集设备的输入端，数据采集设备的输出端与计算机相连，所采集信号经过MATLAB信号处理程序进行处理。
测试时，两个单轴磁电复合基磁传感器1和2相距10cm平行放置，其输出端接电荷放大器电路3的输入端。电荷放大器电路3可将单轴磁电复合基磁传感器1和2的电荷信号转化为电压信号，并且输出端接入数据采集设备4的输入端，数据采集设备4将电荷放大器电路3输入的模拟电压信号转化为数字信号并通过USB接口接入计算机5。
单轴磁电复合基磁传感器(磁电异质敏感元件)1和2采用磁致伸缩层-压电层-磁致伸缩层三明治复合结构，其具有相近的磁电耦合系数并封装在非铁磁性材料制成的载体中，其中由小磁铁提供直流偏置磁场。电荷放大电路3是自主设计并制作的低噪音模拟电路，其工作频率在0.6到10Hz。数据采集设备4为Campbell Scientific CR1000，计算机5为普通笔记本电脑装有配套数据采集程序。
两个磁电磁传感器的传递函数和相位如图2所示，通过对比可以看出两个传感器的传递函数(灵敏度)和相位在工作频率范围内基本相同，在数据处理过程中可以尽量减少因为器件个体差异所带来的误差。本发明可以分析出传感器输出噪音中环境共模噪音所占比重，并将该部分噪音去除从而得到差分噪音并通过计算得到本底噪音，可以极大降低环境噪音的影响，信号处理过程如图3所示。户外测试时，环境中的共模噪音以及传感器的本底噪音混合在一起，经过传感器感知、电路放大之后被数据采集设备收集。根据噪音理论，共模的环境噪音会在两个传感器上造成极强相关性的噪音影响。如图3所示，经过信号处理手段，可以将共模噪音部分去除，计算得到传感器的本底噪音。数据采集以后将通过MATLAB程序分析两个传感器噪音的相关性。根据经典噪音理论模型，两个传感器的相关性C12可以表示为：
式中P11和P22分别是传感器1和2输出信号的噪音能量密度，P12是两个信号的交叉噪音能量密度。根据图2所示的信号流程图可以看出传感器的噪音包含本底噪音和环境共模噪音，所以其噪音密度可以表示为：
其中k＝1,2，是传感器的本底噪音能量密度，是环境噪音的能量密度，Sk是传感器k的傅里叶变化函数。在此***中，由于传感器1和2具有十分相近的传递函数以及相位，因此P11和P22可以认为近似相等。同时两个传感器的本底噪音是完全随机的，因此不具有任何相关性，所以两个信号的交叉噪音完全来自于环境共模噪音源，所以P12可以表示为：
其中G2为传感器2的传递函数，为传感器1的传递函数G1的共轭复数。基于公式可以得出两个信号的相关性可以表示为：
而当两个信号具有非常高的相关性时，基于C12可以得出传感器的本底噪音为：
从式中可以看出当两个信号由于环境噪音而造成高度相关性的情况下，可以通过信号处理将其中的相关部分去除，从而得到其中的本底噪音。
为了验证此分析，通过如图1所示***对两个磁传感器进行了250秒的数据采集测试，采样频率为100赫兹，可以完全覆盖传感器的工作频率(0.6至10赫兹)。通过计算发现，在自然环境测试条件下两个传感器之间呈现了非常高的相关性，在整个工作频率范围内都十分接近于1，如图4所示。同时，通过分析可以得出在此种情况下两个传感器的噪音幅值十分相似并且几乎没有任何相位差，几个结果都显示出环境共模噪音对两个传感器造成了几乎一致的影响，因此可以通过数据处理去除此部分共模噪音。
图5为通过MATLAB对时间域的信号进行噪音能量密度谱计算，可以看出未经任何信号处理直接测得的两个传感器噪音相近，其噪音密度高达500pT/rtHz。2赫兹附件的峰是由建筑体的震动噪音造成的。而由于它们具有高相关性的噪音，当直接在时间域将两个信号相减时已经可以大幅度地降低环境共模噪音的影响，这体现了实际测试中多采用梯度阵列的理论基础以及技术优势。进一步地，当通过上述公式计算出本底噪音时可以噪音能量密度在整个工作频率内被降低了将近20倍，为25pT/rtHz。
为了进一步验证本发明的技术优势，特将实验中所用到的磁传感器放置在屏蔽条件下进行测试，实验中将传感器置于磁屏蔽桶内，并且将其置于隔震台上，可以极大屏蔽环境噪音的影响。图5中将测试结果与计算所得的本底噪音进行对比，可以看出本发明基本上去除了所有环境噪音影响。
综上，本发明公开了一种降低环境共模噪音的磁电复合基磁传感器***，包括两个单轴磁电复合基磁传感器，数据采集设备，计算机以及MATLAB信号处理程序。其中磁电复合基磁传感器包含磁电复合材料以及电荷信号放大器。***中，两个磁电复合基磁传感器相距10厘米同向平行放置，所产生的输出信号接入数据采集设备的输入端，数据采集设备的输出端与计算机相连，所采集信号经过MATLAB信号处理程序进行处理。磁电复合基磁传感器包含磁电复合材料以及电荷信号放大器。所述磁电复合材料包含磁致伸缩材料层和压电材料层。此***可以有效地降低环境中的共模噪音，提高实际测试中的信噪比。

Claims (4)

1.一种抑制环境共模噪音的磁电复合基磁传感器***，其特征在于：包括两个单轴磁电复合基磁传感器、数据采集设备、计算机，两个磁电复合基磁传感器同向平行放置，两个磁电复合基磁传感器所产生的输出信号接入数据采集设备的输入端，数据采集设备的输出端与计算机相连，数据采集设备将两个单轴磁电复合基磁传感器输入的模拟电压信号转化为数字信号并通过USB接口接入计算机中。
2.根据权利要求1所述的一种抑制环境共模噪音的磁电复合基磁传感器***，其特征在于：磁电复合基磁传感器包含磁电复合材料以及电荷信号放大器，两个磁电复合基磁传感器所产生的输出信号接入数据采集设备的输入端是指两个磁电复合基磁传感器所产生的输出信号经过电荷信号放大器的电路后接入数据采集设备的输入端。
3.根据权利要求2所述的一种抑制环境共模噪音的磁电复合基磁传感器***，其特征在于：磁电复合材料包含磁致伸缩材料层和压电材料层。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种抑制环境共模噪音的磁电复合基磁传感器***，其特征在于：两个磁电复合基磁传感器之间的距离是10厘米。
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