畢業(yè)論文(磁通門傳感器)

1、吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 1 摘要 三分量磁通門地磁場檢測裝置是應(yīng)用磁通門傳感器對地磁場進(jìn)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(jì)性好，能夠直接測量 磁場的失量和適于在高速運(yùn)動系統(tǒng)中使用等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。 本文分析了磁通門傳感器的工作原理，詳細(xì)論述了如何采用數(shù)字檢波 的方法進(jìn)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(shè) 計(jì)和單片機(jī)程序。檢測裝置主要由三分量磁通門傳感器、單片機(jī)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

2、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信號。A/D 同時對三路信號進(jìn)行 4 倍頻采樣，將兩 個周期的采樣數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)，然后單片機(jī)通過串行端口將數(shù)據(jù)發(fā)送到 計(jì)算機(jī)，最后由計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)的處理和分析。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 三分量 地磁場 數(shù)字檢波 數(shù)據(jù)采集 串行端口 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 2 The Design of Geomagnetic Field Detection Device Based on Three-component Fluxgate Sensors AbstratAbstrat The three-component fluxgate geoamagn

3、etic field detection device is a kind of vector detection device 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

4、in different fields. This paper introduces the working principle 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 detect

5、ion device consists of three-component fluxgate sensors, MCU system, 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 t

6、hree sinusoidal signals,whose amplitude are proportional to the magnitude 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

7、computer. Keywords three components geomagnetic field Digital demodulation 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 3 Data Acquisition Com Port 目錄目錄 摘要 .1 ABSTRAT.2 1 緒論 .1 1.1 研究三分量磁通門地磁場檢測裝置的目的和意義 .1 1.2 各種測磁儀器 .2 1.3 磁通門測磁儀器的研究現(xiàn)狀 .5 2 檢測裝置的工作原理 .6 2.1 磁通門傳感器的工作原理 .6 2.2 檢測裝置的工作原理 .8 2.3 地磁檢測裝置的主要功能 .12 3三分量磁通門地磁場檢測裝置的硬件電路

8、設(shè)計(jì) .12 3.1 前置檢測電路的設(shè)計(jì) .12 3.1.1 分頻電路和信號轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)： .13 3.1.2 驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)： .13 3.1.3 選頻放大電路的設(shè)計(jì)： .14 3.2 16 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 4 倍頻采樣的硬件設(shè)計(jì) .16 3.2.1 根據(jù) A/D 采集電路的設(shè)計(jì)要求選擇合適的 A/D：.16 3.2.2A/D 采集電路的設(shè)計(jì)：.17 3.3 內(nèi)部電源的設(shè)計(jì) .18 4 三分量磁通門地磁場檢測裝置的的軟件設(shè)計(jì) .19 4.1 STC89C54RD+單片機(jī)介紹.19 4.2A/D 的軟件控制.20 4.3程序流程圖 .21 4.4示例程序 .21 4.5串口發(fā)送的硬件設(shè)計(jì)

9、 .23 5測試結(jié)果及分析 .24 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 4 5.1分頻器電路測試 .24 5.2 功率驅(qū)動電路的測試 .25 5.3 信號轉(zhuǎn)換電路測試 .25 5.4 帶通濾波器的測試 .26 6對三分量測量的通道差異進(jìn)行校正的方案設(shè)計(jì) .28 6.1方案 1：通過硬件電路的調(diào)試進(jìn)行校正 .28 6.2方案 2：通過軟件編程對測量結(jié)果進(jìn)行校正 .29 總結(jié) .30 參考文獻(xiàn)及參考資料 .31 致謝 .33 英文翻譯 .34 英文翻譯原文 .37 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 1 1 緒論緒論 1.11.1 研究三分量磁通門地磁場檢測裝置的目的和意義研究三分量磁通門地磁場檢測裝置的目的

10、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(jì)， 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(chǔ) 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(yīng)在俄羅斯、澳大利 亞、加拿大、巴西之后居世界第

11、5 位。 截至 1996 年底，全國共查明鐵礦產(chǎn)地 1834 處。累計(jì)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(jì)算，鐵金屬量為 166.58 億噸。扣除歷年開采與損失，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(yù)測，將全國大陸 劃分為 17 個預(yù)測區(qū)，共有有望航磁異常區(qū) 1084 處，預(yù)測資源潛力 606 億 t。其中 11 個預(yù)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(yù)測資源潛力為 317 億 t，東部地區(qū)找礦程度較高，預(yù)測資源多以隱 伏礦或盲礦體分布在已知礦帶的深部和

12、周邊部。東經(jīng) 105線以西地區(qū)， 包括 6 個預(yù)測區(qū)，有望航磁異常 330 處，預(yù)測資源潛力為 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(jìn)口量卻居世界第一。近年來，中 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 2 國主要進(jìn)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(diǎn)：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(fù)合礦石較 多。此外礦體復(fù)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，

13、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，在第二次世界大戰(zhàn)中就被應(yīng)用于探雷、探 潛等方面，戰(zhàn)后又被廣泛應(yīng)用于地面磁場研究、航空磁測、地震預(yù)報(bào)研究、 地下礦床勘探、生物醫(yī)學(xué)研究、星際間磁測等領(lǐng)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(jiān)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(diǎn)，被普遍應(yīng)用于 弱磁場測量領(lǐng)域。 目前地磁測量所使用的測磁儀器多數(shù)是進(jìn)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，

14、測量數(shù)據(jù)的處理完全數(shù)字化，操作方便，成本較低，設(shè)計(jì)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)可以通過串口發(fā)送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理 和分析，方便研究。 下面先介紹一下各種測磁儀器。 1.21.2 各種測磁儀器各種測磁儀器 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(jī)械式磁敏傳感器的機(jī)械式磁力儀；目前應(yīng)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(jìn)式磁敏傳感器、光泵式磁敏傳感器、 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 3 SQUID（超導(dǎo)量子干涉器）磁敏傳感器、光纖式磁敏傳感器、半導(dǎo)體磁 敏傳感器；處于研究、試驗(yàn)

15、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(jī)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(qiáng)度成比例的關(guān)系來 測量磁場大小。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(yīng)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(diǎn)的改變值。從 制造工藝上講，要采用精度很高的設(shè)備加工機(jī)械零件和光學(xué)零件，調(diào)試過 程也比較復(fù)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(fù)雜。機(jī)械式磁力

16、儀于 1991 年停產(chǎn)，取而代之的是電子磁力儀。 超導(dǎo)磁力儀（superconducting magnetometer, SQUID）是利用約瑟夫遜 效應(yīng)測量磁場的測磁儀器。測量儀器應(yīng)用了超導(dǎo)量子干涉器。采用超導(dǎo)材 料制成的閉合環(huán)對外磁場會產(chǎn)生周期效應(yīng)，其磁通變化與外磁場變化成正 比。超導(dǎo)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(dá) 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(yīng)用質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏 傳感器制成的

17、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?xì)溲趸衔镆后w(水、酒精、甘油等)。 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 4 在這些樣品中質(zhì)子受某強(qiáng)磁場激發(fā)而具有定方向排列，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(jìn)，其旋進(jìn)頻率 f 與地磁 場 T 有以下關(guān)系：T=2.34872f，單位為納特。當(dāng)測定出頻率 f 以后即可計(jì) 算出總磁場強(qiáng)度 T 的數(shù)值。利用這種原理制成的儀器稱為質(zhì)子旋進(jìn)式磁 力儀，或稱核子旋進(jìn)式磁

18、力儀。質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀穩(wěn)定性好。溫度影響小、 沒有零點(diǎn)掉格、精度高，可觀測弱磁異常工作時不必準(zhǔn)確定向，適于在運(yùn) 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(zhǔn)確測量出 絕對磁場大小的研究領(lǐng)域。我國生產(chǎn)的這類儀器有 302 型?？蘸俗有M(jìn)磁 力儀靈敏度可達(dá) 0.1 納特，CHD 型地面核子旋進(jìn)磁力儀靈敏度可達(dá) 0.15 納特。 光泵磁力儀（optical pumping magnetometer）是應(yīng)用光泵式磁敏傳感 器制成的測磁儀器。因?yàn)橛晒獗米饔门帕泻玫脑哟啪?，在特定頻率的交 變電磁場的作用下，又將產(chǎn)生共振吸收

19、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(diǎn)的外磁場強(qiáng)度成一比例關(guān)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(diǎn)又可分為跟蹤式及自激式兩大類。這類磁力儀的特點(diǎn)是靈敏度高，可達(dá) 0.001 納特?？梢詼y定總磁場強(qiáng)度的絕對值，沒有零點(diǎn)掉格及溫度影響， 工作時不需準(zhǔn)確定向，適于在運(yùn)動條件下進(jìn)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(dǎo)率的坡

20、莫合金作靈敏元件，在弱磁場 中就能達(dá)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 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 5 敏元件達(dá)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(yīng)電壓輸出。當(dāng)沿元件軸向存在有外磁場， 則兩邊磁芯在正、負(fù)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(yīng)電壓脈沖輸出。其幅度與外磁場大小成正比，據(jù)此即可測定外磁 場的大小?？捎糜诘孛?、航空或井中磁測。 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(shí)際投

21、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。 1.31.3 磁通門測磁儀器的研究現(xiàn)狀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(dǎo)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(shí)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(jì)實(shí)用的特點(diǎn)，早在 20 世紀(jì) 30 年代就開始應(yīng)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(shè)備。 第一臺磁通門磁力儀產(chǎn)生于 20 世紀(jì) 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

22、應(yīng)、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(shí)現(xiàn)數(shù)字化等特點(diǎn)，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(jìn)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(diǎn)。 在我國，早在 20 世紀(jì) 80 年代就開始將磁通門磁力儀應(yīng)用于地磁觀測 吉林大學(xué)本科畢業(yè)

23、論文（設(shè)計(jì)） 6 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(yīng)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(fù)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(jìn)的目標(biāo)。 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(diǎn)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(jìn)行矢量合成，所以測得的數(shù)據(jù)有很高的可靠性。 2

24、 檢測裝置的工作原理檢測裝置的工作原理 2.12.1 磁通門傳感器的工作原理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(dǎo)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(yīng)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(dāng)交變電流流過該變壓器原邊線圈時，磁芯反 復(fù)被交變過飽和勵磁所磁化，當(dāng)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(shí)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

25、幾何形狀分為閉合式和非閉合式兩類： 圓形磁芯 跑道形磁芯 長方形磁芯 閉合式磁芯 長條形雙磁芯 長條形單磁芯 非閉合式磁芯 磁芯 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 7 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(yuǎn)大于短軸尺寸，因此，認(rèn)為跑道型磁芯 僅被延長軸方向的磁場所磁化。在實(shí)際應(yīng)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。 41 2f f 2 L L1 1 L L2 2 L LS S 3 圖 2.1 跑道型磁芯機(jī)構(gòu)示意圖 1 靈敏元件架；2初級線圈 3輸出線

26、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。傳感器的輸出電壓如圖 2.2（d）所示，可以表示成下面的分段函數(shù)的形式： 0 cos102 0 cos102 0 8 8 SH SH E sm sm S 2 2 2 21 11 12 2 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 8 2.1 Es 是屬周期性的重復(fù)脈沖，故可用富氏分解法計(jì)算 Es 的二次諧波分量： 2.2

27、 t e H H H fS s n d E m s S 2sin 8 1016 2 1 H He -Hs Bm (a) （b ） = t H2 H1 H e1 e2 E （d） H = t B1 B2 （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 2.22.2 檢測裝置的工作原理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(yīng)原理實(shí)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

28、通過檢測這種電 信號來判斷地磁信號大小，進(jìn)而判斷檢測地點(diǎn)的狀況。實(shí)現(xiàn)這種判斷主要 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 9 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(yīng)電勢互相抵消，輸 出為零；當(dāng)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(dá)到飽和，造成測量線圈中的感應(yīng)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(yīng)電 勢的幅值與外磁

29、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 改寫成如下形式： 2.3）（t e AHES2sin 傳統(tǒng)的處理方法是采用模擬電路進(jìn)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(shè)分別為和）（t2sin ，這時 ES與參考信號相比有一個相移，表達(dá)為示成式 2.4 的）（t2cos 形式： ）（t e AHES2sin 2.4 ES分別乘以參考信號，得到如下結(jié)果： 2.5 )4cos(cos2/12)2cos( 2)2cos(2/1)sin(2 ttt tt e AHtES 2.6 sin)4sin(2/12)2si

30、n( 2)2sin2/1)(2c ttt tt e AHtosES（ 對式 2.5 和式 2.6 表示的信號進(jìn)行積分處理（實(shí)質(zhì)上就是對信號進(jìn)行 低通濾波）之后得到以下結(jié)果： 2.7 2 0 cos2/1)2()2sin( 1 e AHtdtER S 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 10 2.8 sin2/1)2()2cos( 1 2 0e AHtdtEX S 2.9 22 2XRAHe 傳統(tǒng)的方法要通過硬件電路實(shí)現(xiàn)模擬信號的乘法運(yùn)算和積分運(yùn)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

31、中易受干擾，所以設(shè)計(jì)采用數(shù)字檢波的方法。 下面詳細(xì)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： 1 S 2 S 2.10 0 1 S1 ) 12(2 22 kk kk 2.11 0 1 S2 2/322/2 /2k2/2-2k kk 我們對信號進(jìn)行 4 倍頻采樣，采樣點(diǎn)設(shè)為，。在 1S E 2S E 3S E 4S E 這里，我們假設(shè)為初始采樣點(diǎn)的相位。那么，原信號可以表示為： 2.12）（t e AHES2sin 2.13sin 1 eS AHE 2.14cos 2 eS AHE 2.15sin 3 eS AHE 2.16

32、cos 4 eS AHE 現(xiàn)用式 2.10 和式 2.11 表示的方波對上述信號進(jìn)行調(diào)制，得到的采樣 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 11 信號表示如下： 其一， 2.17 1 SEE SS 采樣信號為 2.18 cos sin cos sin 4 3 2 1 eS eS eS eS AHE AHE AHE AHE 其二， 2.19 2 SEE SS 采樣信號為 2.20 cos sin cos sin 4 3 2 1 eS eS eS eS AHE AHE AHE AHE 對這兩種信號分別進(jìn)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： )cos(sin2/1)(4/14/1

33、4 3 2 1 3 0i SSSSSi EEEEEI 2.21 )cos(sin2/1)(4/14/1 4 3 2 1 3 0i SSSSSi EEEEEQ 2.22 對采樣信號進(jìn)行求和去均值運(yùn)算，相當(dāng)于對原信號進(jìn)行以下處理： 2.23 dtitI i 3 0 S )/(E4/1 2.24 dtitQ i 3 0 S )/(E4/1 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 12 式中為采樣周期，即。/2 經(jīng)過上述分析，我們可以通過下面的計(jì)算得到最終的結(jié)果： 2.25 22 QIQIAHe 2.32.3 地磁檢測裝置的主要功能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

34、垂直 的方向上的分量來測量地磁場總場強(qiáng)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(jìn)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(jī)，單片機(jī)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(jìn)行電平轉(zhuǎn)換通過串口發(fā)送的方式將數(shù)據(jù)送到計(jì)算機(jī)，有計(jì)算機(jī)完成最終 的數(shù)據(jù)處理和分析。 3 三分量磁通門地磁場檢測裝置的硬件電路設(shè)計(jì)三分量磁通門地磁場檢測裝置的硬件電路設(shè)計(jì) 3.13.1 前置檢測電路的設(shè)計(jì)前置檢測電路的設(shè)計(jì) 前置檢測

35、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 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 13 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： 3.1.1 分頻電路和信號轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)： 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(jìn)行 4000 倍（約 212=409

36、6 倍）分頻。同時，A/D 進(jìn)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(jìn)制計(jì)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。 74HC4060 O12 2 O13 3 RTC 10 O3 7 MR 12 RS 11 O4 5 O5 4 O6 6 O7 14 O8 13 O9 15 O11 1 CTC

37、9 20MHz 2M 30pF 30pF 1nF 1.6k 5.6k 74HC00（ A（ 圖 3.2 分頻電路及信號轉(zhuǎn)換電路 3.1.2 驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)： 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(jìn)行 功率放大。理想的激勵信號應(yīng)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(shí)際激勵信號采用 5kHz 的方波，幅度 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 14 為 3v。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(jìn)行變壓處理，電路設(shè)計(jì)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(jì)算匝數(shù)為：

38、fBAVNi4/ 29 匝（式中 iV 為線圈兩端交流電壓的幅度，取 4V； f 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 2 m ） ，實(shí)際繞了 50 匝，次級為 40 匝。 V1 9 V V2 9 V 8050 8550 1.6k 1.6k 100nF 100nF 100nF 47uF 圖 3.3 驅(qū)動電路 3.1.3 選頻放大電路的設(shè)計(jì)： 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(jìn)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(jìn)行 采樣處理。 濾波器的設(shè)計(jì)采用壓控電壓源型二階帶通濾

39、波器，其特點(diǎn)是輸入阻抗 高，輸出阻抗低，而且電路結(jié)構(gòu)簡單。濾波器要求的設(shè)計(jì)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(shí)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(jìn)行采樣， 故加一級放大。 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 15 LM258 1nF 16k 9V -9V XBP1 INOUT XFG1 1nF 33k 16k 5.6k 3k LM258 16k 100k 9V -9V 16k 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(shè)計(jì)合理，而且仿真結(jié)果接近設(shè)計(jì)

40、目標(biāo)，實(shí) 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 16 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(shí)際頻率為 9.76kHz）的放大 倍數(shù)為 27.645dB（24.15 倍） ，符合設(shè)計(jì)要求。 3.23.2 1616 位位 A/DA/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 4 4 倍頻采樣的硬件設(shè)計(jì)倍頻采樣的硬件設(shè)計(jì) 3.2.1 根據(jù) A/D 采集電路的設(shè)計(jì)要求選擇合適的 A/D： 由于課題設(shè)計(jì)要求 A/D 實(shí)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

41、樣頻率必須精確為四倍頻，因此 A/D 采樣率應(yīng)該可變；由于是對交流信 號采樣，故 A/D 應(yīng)能進(jìn)行正負(fù)采樣；課題要實(shí)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(shí)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(dá)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(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換， 這里我們只用其中三個通道。各通道的轉(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(jī)。圖 3.6 是 AD7656 的工作時序圖： 圖 3.6 A

42、D7656 的時序圖 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 17 3.2.2A/D 采集電路的設(shè)計(jì)： 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(jìn)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?，我們需?16 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。在圖中， 為保證電路看起來清楚、方便

43、，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(shí)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。 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 18 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(jī)型號為 STC89C54RD+，內(nèi)部集成了 MAX810 專用 復(fù)位電路，所以 RESET 管教直接接地。單片機(jī)采用外部時鐘源，時鐘由 40MHz 有源晶振提供。 AD7656 的 BUSY 腳

44、在轉(zhuǎn)換時為高電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后轉(zhuǎn)為低電平， 可用作中斷信號。 3.33.3 內(nèi)部電源的設(shè)計(jì)內(nèi)部電源的設(shè)計(jì) 整體電路采用12V 外部電源供電，因前置電路需要9V 電源，而 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 19 A/D 和單片機(jī)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(shè)計(jì)三分量磁通門地磁場檢測裝置的的軟件設(shè)計(jì) 4.14.1 STC89C54RD+STC89C54RD+單片機(jī)介紹單片機(jī)介紹 設(shè)計(jì)采用 STC89C54RD+單片機(jī)，該單片機(jī)具有以下顯著特點(diǎn)：

45、超強(qiáng)抗干擾 1 、高抗靜電（ESD 保護(hù)） ； 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(jī)內(nèi)部的電源供電系統(tǒng)經(jīng)過特殊處理； 7 、單片機(jī)內(nèi)部的時鐘電路經(jīng)過特殊處理； 8 、單片機(jī)內(nèi)部的復(fù)位電路經(jīng)過特殊處理； 9 、單片機(jī)內(nèi)部的看門狗電路經(jīng)過特殊處理。 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 20 1 個時鐘/機(jī)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/

46、機(jī)器周期，外部時鐘頻率可降一半； 3 、單片機(jī)時鐘振蕩器增益可設(shè)為 1/2gain。 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(shè)備等。 可在線編程, 無需編程器, 可遠(yuǎn)程升級； 內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路，原復(fù)位電路可以不用，RESET 腳直接短到地。 4.24.2 A/DA/D 的軟件控制的軟件控制 AD7656 軟件控制的引腳連接（如圖 3.9 所示）如下： CS P2.7 RD P2.6 RESET P

47、2.5 DB07 P0.00.7 DB815 P1.01.7 BUSY 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 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 21 斷請求，CPU 響應(yīng)后送片選信號給 A/D 進(jìn)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。 4.34.3程序流程圖程序流程圖 程序流程圖如圖 4.1 所示。開機(jī)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(jī)發(fā)送中斷請求，單片機(jī)相應(yīng) 響應(yīng)中斷，通過 16 位并口從 A/D 讀數(shù)。當(dāng)單片機(jī)執(zhí)行 8 次中斷（讀到兩 周器的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)

48、）后，關(guān)中斷，同時讓 A/D 停止轉(zhuǎn)換，單片機(jī)工作在查 詢方式，通過串口將所有數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。 N N 初始化 開始 轉(zhuǎn)換結(jié)束？ 進(jìn)入中斷 中斷 8 次？ 串口發(fā)送 結(jié)束 圖 4.1 程序流程圖 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 22 4.44.4 示例程序示例程序 系統(tǒng)在開機(jī)后需要一個 1s 的延時來啟動 AD，下面以延時程序?yàn)槔o 出一段示例程序： #include startup.h . /包含頭文件等 #define uint8 unsigned char /關(guān)鍵字的簡化及 AD 的控制連接 void delay1ms(unsigned int K); /函數(shù)及變

49、量聲明 main() RS=1; /將 AD7656 復(fù)位 delay1ms(1000); RS=0; /開機(jī) 1s 延時后，啟動 AD while(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 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 23 4.54.5 串口發(fā)送的硬件設(shè)計(jì)串口發(fā)送的硬件設(shè)計(jì) 串口通信用到的主要芯片是 MAX232，它的低功耗關(guān)斷模式適合電池 供電系統(tǒng)。外接電路簡單，很適合應(yīng)用于面積有限的印刷電路板。它有雙 路電荷泵 DC-DC

50、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?10V（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 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 24 如圖 13，當(dāng)外部中斷執(zhí)行 8 次（A/D 采樣兩個周期）后，關(guān)外部中 斷，這時

51、 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(jì)算機(jī)。 5 測試結(jié)果及分析測試結(jié)果及分析 5.15.1 分頻器電路測試分頻器電路測試 用 DF4321（20MHz）型示波器測試，20MHz 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 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 25 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） 。 5.25.2 功率驅(qū)動電路的測試功率驅(qū)動電

52、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。 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 26 圖 5.3 驅(qū)動電路輸出信號 5.35.3 信號轉(zhuǎn)換電路測試信號轉(zhuǎn)換電路測試 將分頻器的 29倍分頻輸出進(jìn)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(jìn)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)，電壓檔位在 2V 檔。 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 27 圖 5.4 微分后的波形 圖 5.5 整形后的信號 5.45.4 帶通濾波

53、器的測試帶通濾波器的測試 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） 。 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 28 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） 。 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 29 6 對三分量測量的通道差異進(jìn)行校正的方案設(shè)計(jì)對三分量測量的通道差異進(jìn)行校正的方案設(shè)計(jì) 三分量磁通門

54、地磁場檢測裝置在設(shè)計(jì)制作中的難點(diǎn)是進(jìn)行三分量測量 時，對各分量進(jìn)行前置處理的各個通道，其增益不可能完全一致，這會導(dǎo) 致測量誤差，影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。下面對此問題提出兩種解 決方案： 6.16.1 方案方案 1 1：通過硬件電路的調(diào)試進(jìn)行校正：通過硬件電路的調(diào)試進(jìn)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

55、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(jìn)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 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 30 利用調(diào)節(jié)放大器增益的方法進(jìn)行校正，這種方案的特點(diǎn)是：調(diào)試方 便，但需要對原來設(shè)計(jì)的硬件電路做修改。 6.26.2 方案方案 2 2：通過軟件編程對測量結(jié)果進(jìn)行校正：通過軟件編程對測量結(jié)果進(jìn)行校正 采用硬件電路調(diào)試的方法，是對測量信號進(jìn)行幅度的校正，從而達(dá) 到準(zhǔn)確測量的目的。實(shí)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(jìn)行校正。下面詳細(xì)介紹一下軟件校正的具體方法： 首先

56、為方便敘述，我們對傳感器和各信號通道進(jìn)行標(biāo)記，將三分量 傳感器固定好之后，將三個傳感器分別標(biāo)記為 A、B、C，同樣將三個信 號通道分別標(biāo)記為 X、Y、Z。 接下來進(jìn)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)、 a x 、；第二次，用 X 通道測量傳感器 B 輸出，Y 通道測量傳感器 b y c z C 輸出，Z 通道測量傳感器 A 輸出，記錄測量數(shù)據(jù)、； b x c y a z 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(jìn)行以下計(jì)算

57、： c x a y b z 6.1 3/13/13/1 3/13/13/1 3/13/13/1 3/13/13/1 zyxr zzzz yyyy xxxx cba cba cba 計(jì)算出了和，就可以得到各通道的校正系數(shù)：xyzr 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 31 6.2 / / / zrJz yrJy xrJx 計(jì)算機(jī)在完成數(shù)據(jù)處理后，只要對相應(yīng)的通道數(shù)據(jù)乘以校正系數(shù)就 可以得到準(zhǔn)確可靠的測量數(shù)據(jù)。 總結(jié)總結(jié) 設(shè)計(jì)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(jìn)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

58、 16 位并行傳輸?shù)絾纹?機(jī)，當(dāng)單片機(jī)接收到兩個周期的數(shù)據(jù)后，關(guān)中斷，單片機(jī)工作在查詢方式 將讀到的數(shù)據(jù)經(jīng)串口電路發(fā)送到計(jì)算機(jī)。 設(shè)計(jì)中用到了高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)和單片機(jī)的中斷服務(wù)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(jìn)制數(shù)。單片機(jī)采用廣東宏晶公司生產(chǎn)的 STC89C54RD+單片機(jī)，用 KEIL C51 編程軟件應(yīng)用 C 語言編程。設(shè)計(jì)主 要利用單片機(jī)的外部中斷和串口通信。 設(shè)計(jì)給出了計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理的具體方法，測量數(shù)據(jù)可以發(fā)送到計(jì)算機(jī) 進(jìn)行處理和分析。 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 32 參考文獻(xiàn)及

59、參考資料參考文獻(xiàn)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(xué)出版社. 2003.9 2 何橋，段清明，邱春玲. 單片機(jī)原理及應(yīng)用. 中國鐵道出版社. 2005.9 3 戴佳，戴衛(wèi)恒. 51 單片機(jī) C 語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)實(shí)例精講. 電子工業(yè)出 版社. 2006.4 4 劉希芳，王君. 地學(xué)傳感器原理及應(yīng)用. 地質(zhì)出版社. 1993.8 5 李念強(qiáng)，張煥春，禹艾芹. 數(shù)字相敏檢波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn). 電測與儀 表. 2001.5 6 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(shè)計(jì). 測井與射孔. 2007.1 7 路長厚，劉

60、文信，艾興. 數(shù)字相敏檢波技術(shù)及其應(yīng)用. 制造技術(shù)與機(jī) 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 33 床. 1997.7 8 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(shè)備. 2007.5 9 楊健弟. 李嬌蔓. 楊國華. 宋安定. 一種數(shù)字高分辨率感應(yīng)測井儀. 測 井技術(shù). 2007.8 10 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(yīng)用. 國外測井技術(shù). 2007.8 11 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. 2007.8 12 朱虹，林君，吳忠杰，王智宏，占細(xì)雄. 近紅外光譜儀中