论文总字数：31491字

摘 要

磁场测量技术是一门十分重要并且热门的技术。不仅在自然勘测，船舰导航，国防科技等传统项目中有十分重要的应用，在新兴科技领域同样有不可替代的地位，比如医学上对人体微弱磁场的检测。在多种磁场测量仪器当中，磁通门传感器具有明显的优势。在各领域当中都有很普遍的应用。

本文回顾了磁场测量和磁通门传感器的发展历史，分析了磁通门传感器所处的现状，对磁场测量和磁通门传感器的具体原理进行了细致分析。本文采用了双磁芯结构的磁通门传感器并对其输出信号的组成进行了研究，并设计了一整套模拟电路来进行对输出信号的处理工作，将输出信号中的二次谐波提取出来并加入了闭环负反馈系统使电路的稳定性大大增加，并采用AD转换芯片与单片机通信，将所测得的结果保存在单片机中以便完成后续的工作。此设计对开发新型国产磁通门传感器有一定的指导作用。

关键词：磁通门传感器，AD转换，二次谐波，负反馈电路。

Abstract

Magnetic field measurement technology is an important and popular technology. Not only in the traditional project like natural survey, ship navigation, the national defense science and technology has very important application and also has an irreplaceable position in emerging areas of science and technology, such as medical weak magnetic field detection to the human body. Among a variety of magnetic field measuring instrument, flux-gate sensor has obvious advantages.Has a common in every field of application.

This article reviewed the magnetic field measurement and the development history of flux-gate sensor, analyzes the present situation of the flux-gate sensor, measurement of magnetic field and specific principles of flux-gate sensor are analyzed in detail. This paper adopted the two-core structure flux-gate sensor and studied the composition of the output signal. And designed a set of analog circuits for the output signal processing, the second harmonic are extracted from the output signals and joined the closed-loop feedback system to increase the stability of the circuit greatly. And uses the AD conversion chip to communicate MCU, saving the measured results in MCU to complete the follow-up work.This design to develop new domestic flux-gate sensor has a certain guiding role.

Keywords: Flux-gate sensor, AD conversion, second harmonic, negative feedback circuit.

目录

摘 要 I

Abstract I

第一章 绪论 4

1.1 课题研究背景 4

1.2 磁通门传感器国内外发展现状 4

1.3 课题研究目的及主要研究内容 6

第二章 磁通门传感器原理分析 7

2.1 磁场测量技术概述 7

2.2 磁通门传感器的基本原理 8

2.3双磁芯磁通门探头的工作原理及设计 10

2.3.1 双磁芯探头的工作原理 10

2.3.2 双磁芯磁通门探头的结构设计 11

2.4 磁通门传感器的性能分析 13

2.4.1磁通门传感器的矢量响应特性 13

2.4.2极限分辨力和弱磁场 13

2.4.3频带宽度与信号稳定度 13

2.4.4磁通门传感器的测量范围 14

2.5 磁通门传感器的噪声 14

2.5.1磁通门传感器产生噪声的原因 14

2.5.2降噪与抗噪处理 14

2.6 二次谐波法 14

2.6.1传感器信号的频率特性 14

2.6.2传感器信号的频谱分析 15

2.6.3谐波选择法 15

2.7 激励信号的选择 15

第三章 磁通门传感器模拟电路的研究和设计 17

3.1 整体电路设计 17

3.2 各电路模块设计 17

3.2.1激励电路 17

3.2.2 信号处理电路 19

3.2.3 移相电路 22

3.2.2 水平传感器电路 24

3.3反馈电路设计 25

3.3.1 闭环反馈系统分析 25

3.3.2 闭环反馈电路设计 25

3.4 AD转换电路设计 26

3.4.1 主要元器件介绍 26

3.4.2 AD转换各模块电路设计 29

3.4.2 AD转换芯片原理 31

第四章 单片机程序设计 32

4.1 STC15F2K60S2 32

4.2 STC15F2K60S2的SPI结构 33

4.3程序编写 34

4.3.1 程序框图 34

4.3.2 定义寄存器 35

4.3.3 SPI功能初始化 37

4.3.4 SPI数据采集程序设计 37

第五章 总结与展望 40

5.1 全文总结 40

5.2 存在的问题及未来展望 40

附录 41

致谢 43

参考文献 44

第一章 绪论

课题研究背景

在我们身边，一直存在着一种看不见的场，这就是磁场。在2000多年前，人们便对磁场有了一定的认识和了解。东汉时期出现的指南针是最早的磁场测量设备，被广泛用于识别方向。随着法拉第提出电磁感应理论，磁场测量成为了科学研究中不可缺少的一部分。后来，随着物理学，电子技术和材料科学的不断发展，面世了许多磁场测量的新型器件。例如测量交变磁场的感应式磁传感器，基于压磁原理的磁弹性传感器，基于磁阻效应的磁阻传感器，以及光泵磁力仪，超导磁力仪等。其中磁通门传感器是利用被磁化的软磁材料进行磁场的测量。磁通门传感器与其他传感器相比，整体体积小，所消耗功率低，测量范围包含静止磁场、低频磁场和高频磁场，测量精度高，可测量大小的磁场。所以自磁通门技术面世以来，其快速发展为磁场测量领域最为常用的仪器。

磁场测量技术所涉及层面十分广泛，其测量磁场强度范围从T以上，测量的频率包括有直流磁场，低频磁场，高频磁场以及交变磁场。从传感器应用原理来说，磁测技术包含电磁感应，压磁效应，热磁效应，光磁效应等 ^[1]。从处理技术来看，包括模拟技术，数字技术以及计算机技术。目前的磁传感器不下几十种，但与其他仅靠感应测量的磁传感器相比，磁通门传感器不仅可以测量静态磁场，还可以测量方向，相比核磁共振系列传感器，磁通门传感器有很强的稳定性，相对于光纤地磁仪，磁通门传感器更加敏感，且受温度和振动的影响小，而超导磁力仪虽然更加精确，磁通门传感器有十分低廉的成本，所以综合看来，磁通门传感器必然是今后研究的一大热点方向。

磁通门传感器国内外发展现状

磁通门技术实际是通过周期性交变磁场产生周期性过饱和激励，由于软磁磁芯对激励磁场具有调制作用，即可将外界磁场转化成电信号输出。根据对输出的感应电势信号进行时频特性分析，从而确定外界磁场的准确值和方向，达到针对弱磁场进行测量的目的。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：31491字