三轴磁通门传感器数字化技术研究

发布时间：2020-06-02 09:14

【摘要】：磁通门传感器是一种具有较高灵敏度和测量精度以及体积小、重量轻等特点的弱磁矢量测量传感器。尤其是近些年,随着弱磁测量技术的广泛应用,消费级市场需要大量性能优异且成本低的磁测量设备。但是传统的模拟磁通门传感器,其信号处理电路的性能易受温度、电磁干扰的影响,且难于集成,使得具有抗干扰能力强、集成度高、成本低等优点的数字化磁通门传感器已成为一种技术发展趋势。本论文在分析传统模拟磁通门传感器理论的基础上,深入研究双磁芯结构的磁通门探头在余弦波和方波电压源提供激励信号的前提下,磁通门探头的信号特性,研究发现,激励信号的波形不影响磁通门探头的理论空载灵敏度。通过对比分析时间差法、峰值法和二次谐波法这三种常见的有效信号检测方法,确定采用二次谐波法来提取有效信号。通过对检测信号直接数字化的可行性和ADC的量化误差对系统误差影响的研究,提出了本论文数字化的关键技术之一:检测信号的直接数字化。通过研究在数字域进行相敏检波和滤波的具体实现方法、反馈环节对系统特性的影响、PID闭环控制理论、以及目前常用的磁补偿驱动原理,提出了本论文数字化的另外一个关键技术:采用△-E和PWM级联调制的全数字闭环反馈技术。建立了基于Simulink仿真软件的闭环全数字磁通门系统仿真模型,进而验证了数字化理论的合理性。基于前面的数字化理论研究,采用工业级dsPIC单片机设计了一种三轴全数字化磁通门传感器样机。最后,对样机进行调试,主要包括激励频率和激励信号占空比的确定、PID环节参数的设置,并且验证了用△-∑和PWM级联调制实现等效DAC的性能,结果发现该方法实现的等效DAC的非线性为0.001%,约等于DAC8812B的非线性误差,证明了本论文实现等效DAC的方法有效。通过对样机性能测试发现,该样机的测量范围±50000nT、线性度10-2、噪声低于0.1nT、分辨率78nT、带宽DC-80Hz,符合本论文的设计指标,验证了本论文数字化技术的可行性与合理性,并且样机性能满足大需求量消费级市场的测磁仪器对磁通门传感器的性能需求。
【图文】：

第 4 章 数字化磁通门传感器系统分析。该部分结合电磁场理论基础，，借助常用的数值分析软件 Matlab ulink 软件包，建立整个系统的动态模型，以此来分析信号处理各个环节征，理论上验证全数字化信号处理技术的合理性及观测预期效果。首先是利用 Simulink 来拟合磁通门检测线圈的信号，已知当 t1=T/8 时波分量的灵敏度 G2最大，假设二次谐波信号的幅值为 0.1V，将 t1=T/（2-16）即可得到各次谐波信号的幅值，采用 Simulink 的 SineWave 法器、加法器等模块拟合出的感应信号如图 4-6 所示，其中激励信号的1.5kHz。数字化转换环节选用 10 位双极性 ADC，其有效输入电压范围 至 +5V，则检测信号经过 ADC 后的信号波形如图 4-7 所示，经过 AD号波形未发生明显失真。

检测信号经过ADC前后的信号波形
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212

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本文编号：2692936