用于数字化三轴GMI传感器的激励系统及方法

本发明涉及磁传感器领域，更具体地说，涉及一种用于数字化三轴gmi传感器的激励系统及方法。

背景技术：

1、微弱磁场检测技术一直以来都是国内外学者密切关注的研究课题。随着科技水平的不断提升，微弱磁场检测技术在生物医学、军事科学、无损检测和工业应用等多个领域得到了广泛应用。巨磁阻抗(giant magneto-impedance，gmi)传感器即基于巨磁阻抗效应设计的磁传感器。gmi传感器的传感元件一般为软磁材料制成的薄带、细丝或薄膜，当给敏感材料通入高频交变电流时，敏感材料的阻抗会随外部磁场变化而明显变化，通过检测该阻抗变化(通常为敏感元件两端的电压变化)可以反应出外部磁场强度的变化，以此达到传感的目的。gmi传感器因其高灵敏度、高分辨率和快速响应等优点，成为弱磁场探测的理想选择。目前，国内外对gmi传感器的研究大多集中在单轴检测，主要关注如何提升磁传感器的检测性能和优化其噪声水平。然而，设计三轴gmi传感器以实现对空间磁场三分量的精确测量，能帮助研究人员更全面和准确地获取空间磁场信息，从而为科学研究提供更加精确的数据支持。因此，三轴gmi传感器的设计具有重要的研究价值。

2、在三轴gmi传感器的设计中，激励电路是至关重要的一环。激励电路不仅需要保证敏感材料的稳定工作，对于三轴gmi传感器而言，还需确保三轴输出的一致性。这对激励电路的设计提出了更高的要求，必须在保证每个敏感元件正常工作的同时，确保各轴之间的协调性和同步性。因此，设计高性能的激励电路是实现三轴gmi传感器功能的关键，直接影响传感器的整体性能和测量精度。

3、根据巨磁阻抗效应原理可知，gmi传感器敏感材料需要在高频电流激励下工作。用于激励敏感材料工作的频率和幅值恒定的交变电流信号由模拟电压信号经vi转换电流产生得到，通常模拟电压信号的产生会采用晶体振荡器和谐振电路的方式，该方式具有较好的选频性能，但是该方式需要搭建相关的外围器件电路，增加了电路的复杂度。

4、gmi传感器中v-i转换电路是设计的关键，高频激励电压经v-i转换电路后转变为高频激励电流输入敏感材料，激发敏感材料的巨磁阻抗效应，但是敏感材料在高频激励下阻抗的变化常常会引起激励电流的不稳定，进而造成输出电压的不稳定。尤其在三轴磁传感器的设计中，输出电压的不稳定将严重影响三轴输出一致性。传统的v-i转换电路是由电阻电容串联的方式进行v-i转换，电阻用于将电压转换成电流，电容用于滤除直流分量，提高信号质量，该方案的优势是电路设计简单、易于实现，但是激励电流大小会随敏感材料的阻抗变化而变化，导致输出信号的不稳定。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种用于数字化三轴gmi传感器的激励系统及方法，能提高高频激励电流输出的稳定性。

2、本发明提供一种用于数字化三轴gmi传感器的激励系统，该激励系统包括：信号发生模块、数模转换模块和v-i转换模块；信号发生模块，用于产生数字激励信号；数模转换模块，用于将数字激励信号转换成高频激励电压信号；v-i转换模块，用于将高频激励电压信号转换成高频激励电流信号；信号发生模块的输出端与数模转换模块的输入端连接，数模转换模块的输出端与v-i转换模块的输入端连接，v-i转换模块的输出端作为激励系统的输出端。

3、进一步地，上述用于数字化三轴gmi传感器的激励系统的v-i转换模块，包括howland电流泵和分压电路，分压电路包括第一分压电阻r4和第二分压电阻r5；howland电流泵用于提供恒定电流源，分压电路用于减小howland电流泵的运放电路输入端口对源端的发射。

4、进一步地，上述用于数字化三轴gmi传感器的激励系统的howland电流泵，包括运第一运算放大器u1、第一电阻r1、第二电阻r2和第三电阻r3；第一运算放大器u1的反相输入端与第一电阻r1和第二电阻r2的一端连接，第一电阻r1的另一端作为howland电流泵的反相输入端，第二电阻r2的另一端与第一运算放大器u1的输出端和第二分压电阻r5的一端连接，第一运算放大器u1的同相输入端与第三电阻r3和第一分压电阻r4的一端连接，第三电阻r3的另一端作为howland电流泵的同相输入端；第一分压电阻r4的另一端和第二分压电阻r5的另一端连接作为howland电流泵的输出端。

5、进一步地，上述用于数字化三轴gmi传感器的激励系统的第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3和第一分压电阻r4的电阻值相等。

6、进一步地，上述用于数字化三轴gmi传感器的激励系统的v-i转换模块，还包括第二运算放大器u2，第二运算放大器u2用于提高输入阻抗和隔离干扰；howland电流泵，包括运第一运算放大器u1、第一电阻r1、第二电阻r2和第三电阻r3；第一运算放大器u1的反相输入端与第一电阻r1和第二电阻r2的一端连接，第一电阻r1的另一端接地，第二电阻r2的另一端与第一运算放大器u1的输出端和第二分压电阻r5的一端连接，第一运算放大器u1的同相输入端与第三电阻r3和第一分压电阻r4的一端连接，第三电阻r3的另一端作为howland电流泵的输入端；第一分压电阻r4的另一端与第二运算放大器u2的反相输入端和第二运算放大器u2的输出端连接；第二分压电阻r5的另一端与第二运算放大器u2的反相输入端连接作为howland电流泵的输出端。

7、进一步地，上述用于数字化三轴gmi传感器的激励系统的v-i转换模块，还包括限流电阻r6，限流电阻r6的一端与howland电流泵的输出端连接，限流电阻r6的另一端作为howland电流泵的新的输出端。

8、进一步地，上述用于数字化三轴gmi传感器的激励系统的v-i转换模块，还包括直流偏置电路，直流偏置电路包括直流电源vcc和调节电阻rdc，直流电源vcc的输出端与调节电阻rdc的一端连接，调节电阻rdc的另一端与限流电阻r6的另一端连接作为howland电流泵的新的输出端。

9、进一步地，上述用于数字化三轴gmi传感器的激励系统的v-i转换模块，还包括第三运算放大器u3，第三运算放大器u3的反相输入端和第三运算放大器u3的输出端与第三电阻r3的另一端连接；第三运算放大器u3的同相输入端作为howland电流泵的新的输入端。

10、本发明还提供一种高频电流激励的方法，该方法利用上述任一的用于数字化三轴gmi传感器的激励系统，得到高频激励电流。

11、实施本发明提供的用于数字化三轴gmi传感器的激励系统及方法，具有以下有益效果：

12、本发明采用直接数字式频率合成器(dds)配合da芯片的方式，通过fpga来实现可编程的信号发成器，完成正弦电压激励信号的产生，只需调整一个参数即可完成对激励频率的改变，仅在数字域即可实现频率信号输出，便于测试不同频率特性的gmi敏感材料，在不降低激励信号质量的前提下，提高系统的灵活性和数字化程度，具有功耗和成本低、鲁棒性高的优点；

13、本发明在v-i转换模块本发明设计了基于howland电流泵的改进型v-i转换电路，实现正弦电压激励信号到正弦电流激励信号的转换，能够克服高频激励下敏感材料阻抗变化对电流激励信号的影响造成的输出不稳定问题；

14、本发明提出的三轴数字化gmi传感器激励方案结合电压跟随器，由信号发生模块产生正弦电压激励信号进入三个v-i转换单元，输出三路正弦电流激励信号对三轴gmi敏感材料进行激励，能提升三轴gmi传感器输出的一致性。

技术特征：

1.一种用于数字化三轴gmi传感器的激励系统，其特征在于，所述激励系统包括：信号发生模块、数模转换模块和v-i转换模块；所述信号发生模块，用于产生数字激励信号；所述数模转换模块，用于将数字激励信号转换成高频激励电压信号；所述v-i转换模块，用于将高频激励电压信号转换成高频激励电流信号；信号发生模块的输出端与数模转换模块的输入端连接，数模转换模块的输出端与v-i转换模块的输入端连接，v-i转换模块的输出端作为激励系统的输出端。

2.根据权利要求1所述的用于数字化三轴gmi传感器的激励系统，其特征在于，所述v-i转换模块，包括howland电流泵和分压电路，所述分压电路包括第一分压电阻r4和第二分压电阻r5；所述howland电流泵用于提供恒定电流源，所述分压电路用于减小howland电流泵的运放电路输入端口对源端的发射。

3.根据权利要求2所述的用于数字化三轴gmi传感器的激励系统，其特征在于，所述howland电流泵，包括运第一运算放大器u1、第一电阻r1、第二电阻r2和第三电阻r3；第一运算放大器u1的反相输入端与所述第一电阻r1和第二电阻r2的一端连接，第一电阻r1的另一端作为howland电流泵的反相输入端，第二电阻r2的另一端与第一运算放大器u1的输出端和第二分压电阻r5的一端连接，第一运算放大器u1的同相输入端与第三电阻r3和第一分压电阻r4的一端连接，第三电阻r3的另一端作为howland电流泵的同相输入端；第一分压电阻r4的另一端和第二分压电阻r5的另一端连接作为howland电流泵的输出端。

4.根据权利要求3所述的用于数字化三轴gmi传感器的激励系统，其特征在于，所述第一电阻r1、所述第二电阻r2、所述第三电阻r3和所述第一分压电阻r4的电阻值相等。

5.根据权利要求2所述的用于数字化三轴gmi传感器的激励系统，其特征在于，所述v-i转换模块，还包括第二运算放大器u2，所述第二运算放大器u2用于提高输入阻抗和隔离干扰；所述howland电流泵，包括运第一运算放大器u1、第一电阻r1、第二电阻r2和第三电阻r3；第一运算放大器u1的反相输入端与所述第一电阻r1和第二电阻r2的一端连接，第一电阻r1的另一端接地，第二电阻r2的另一端与第一运算放大器u1的输出端和第二分压电阻r5的一端连接，第一运算放大器u1的同相输入端与第三电阻r3和第一分压电阻r4的一端连接，第三电阻r3的另一端作为howland电流泵的输入端；第一分压电阻r4的另一端与第二运算放大器u2的反相输入端和第二运算放大器u2的输出端连接；第二分压电阻r5的另一端与第二运算放大器u2的反相输入端连接作为howland电流泵的输出端。

6.根据权利要求5所述的用于数字化三轴gmi传感器的激励系统，其特征在于，所述v-i转换模块，还包括限流电阻r6，限流电阻r6的一端与howland电流泵的输出端连接，限流电阻r6的另一端作为howland电流泵的新的输出端。

7.根据权利要求6所述的用于数字化三轴gmi传感器的激励系统，其特征在于，所述v-i转换模块，还包括直流偏置电路，所述直流偏置电路包括直流电源vcc和调节电阻rdc，直流电源vcc的输出端与调节电阻rdc的一端连接，调节电阻rdc的另一端与限流电阻r6的另一端连接作为howland电流泵的新的输出端。

8.根据权利要求7所述的用于数字化三轴gmi传感器的激励系统，其特征在于，所述v-i转换模块，还包括第三运算放大器u3，第三运算放大器u3的反相输入端和第三运算放大器u3的输出端与第三电阻r3的另一端连接；第三运算放大器u3的同相输入端作为howland电流泵的新的输入端。

9.一种高频电流激励的方法，其特征在于，利用如权利要求1-8中任一的用于数字化三轴gmi传感器的激励系统，得到高频激励电流。

技术总结
本发明公开了一种用于数字化三轴GMI传感器的激励系统及方法，涉及磁传感器领域，数字化三轴GMI传感器的激励系统主要包括：信号发生模块、数模转换模块和V‑I转换模块；其中，信号发生模块用于产生数字激励信号，数模转换模块用于将数字激励信号转换成高频激励电压信号，V‑I转换模块用于将高频激励电压信号转换成高频激励电流信号。实施本发明提供的用于数字化三轴GMI传感器的激励系统及方法，能提高高频激励电流输出的稳定性。

技术研发人员：晋芳,齐永赛,鲁佳琦,董凯锋,宋俊磊,莫文琴,朱晓渝
受保护的技术使用者：中国地质大学（武汉）
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23