强磁场下微弱电压信号检测系统设计
核磁共振测井仪中的信号检测模块设计
术 中心 合作该项 目，就是 为 了缩 小我 国与 国外在 核 磁测井 中信号 检测 领域 的差距 。本项 目技 术难 点主 要在 于从恶劣 的井 下环境 中提 出微 弱的有 用信 号并
放 大 ， 方案经 测试 性 能 良好 ， 该 可将 信号 放 大约 １５ ０倍 ，并有效 滤 除 噪声 ，是 一种 极 可 行 的信 号 ５
维普资讯
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Ｃ ＩＡＰ Ｔ Ｏ Ｅ Ｍ Ｍ Ｃ ＩＥ Ｙ ＨＮ Ｅ Ｒ Ｌ Ｕ Ａ Ｈ Ｎ Ｒ
２０ ０ ７年
第３ ５卷
第 ２期
●检测诊断
核 磁 共 振 测 井 仪 中 的 信 号 检 测 模 块 设 计
刘 单 孔 力 程 晶晶 周 凯波
（ 中科技 大学控制科 学与工程 系） 华
摘 要 测井 技术是 一项横 向涉及 面广 ，纵 向技 术 难度 大 的 综合 性 技术 。核 磁 共 振测 井 中技 术
难度 最大 的部分 ，就是 对微 弱信 号 的检 测放 大及 采 集 ，需 要采 集 的 几纳 伏 的 正 弦信 号伴 随 有极 大
的噪声 。鉴于 此 ，提供 了一种性 能优 良的信 号放 大 及 数据 采 集模 块 设 计。 其 中前 置 放 大 由 ２级放 大组 成 ，共可 以将信 号放 大约 １５０倍 ， 主要器 件 采 用 军 品级 或 者工 业 级 ，可 耐 １０ｏ 温及 高 ５ ５ Ｃ高 压 ，适用 于井 下微 弱信号 的放大 ；信 号采 集部分 由 Ａ Ｄ转换 及 Ｄ Ｐ组 成 ，具 有 高精度 、速度 快 等 ／ Ｓ
孔 内地 球物 理场 的变化 来研究 钻 孔周 围介质 分布特 征 ，从 而解 决各 种地质 、工 程和 有关科 学 问题 的一 门学科 。测 井 学 涉及 的领 域 相 当广 泛 ，主 要包 括 ： 油气 储层 评价 ，基础 地质研 究 ，煤 田 、金 属与非 金 属矿 勘探 以及 钻 井 、完 井 、采 油工 程 中 的应 用 等 。
一种方波调制的TMR磁场探测系统设计与实现
一种方波调制的TMR磁场探测系统设计与实现TMR (Tunneling Magnetoresistance)磁场传感器是一种新型的磁场传感器，其灵敏度高，分辨率高，功耗低，响应速度快，被广泛应用于磁场测量、电动车辆、智能家居等领域。
本文设计并实现了一种基于方波调制的TMR磁场探测系统，通过方波调制的方法提高了系统对磁场信号的检测性能。
一、系统设计1.传感器选择：本系统采用TMR磁场传感器作为磁场探测元件，其灵敏度高，线性范围广，响应速度快，适用于小信号磁场测量。
2.信号调制：采用方波调制的方式对磁场信号进行调制，方波信号的高低电平分别代表磁场信号的正负极性，通过检测方波信号的升降沿来获取磁场信号的变化情况。
3.放大滤波：通过放大器对调制后的信号进行放大，同时采用滤波器对信号进行滤波处理，去除噪声干扰，提高信号的质量。
4.数据处理：将放大滤波后的信号传输至微控制器进行数据处理，通过软件算法提取磁场信号的特征参数，如幅值、频率、相位等。
5.显示输出：将处理后的数据通过数码显示屏显示，实时反映磁场信号的变化情况，同时通过输出接口输出数据至外部设备。
二、系统实现1.硬件设计：搭建实验平台，选用TMR传感器、放大器、滤波器、微控制器、数码显示屏等元件，按照设计方案进行连线和焊接，构建出TMR 磁场探测系统。
2.软件设计：编写控制程序，包括信号调制解调算法、数据处理算法、界面显示程序等，实现信号的调制、放大滤波、数据处理和显示输出功能。
3.实验测试：进行系统的功能测试和性能测试，对系统进行调试和优化，保证系统正常运行并满足设计要求。
4.结果分析：通过实验测试数据对系统性能进行评估和分析，对系统的灵敏度、分辨率、稳定性等关键性能指标进行评价。
三、结论与展望通过设计与实现的一种基于方波调制的TMR磁场探测系统，实现了对磁场信号的高灵敏度检测，并具有较好的性能表现。
未来可进一步优化系统设计，提高系统的稳定性和可靠性，拓展系统应用领域，实现更广泛的磁场探测需求。
微弱信号检测 课程设计
LDO 低输出噪声的分析与优化设计1 LDO 的典型结构LDO 的典型结构如下图所示,虚线框内为LDO 芯片内部电路,它是一个闭环系统,由误差放大器(Error amplifier)、调整管(Pass device)、反馈电阻网络(Feedback resistor network)组成,其闭环增益是:OUT REF V Acloseloop V = (1)此外,带隙基准电压源( Bandgap reference)为误差放大器提供参考电压。
LDO 的工作原理是：反馈电阻网络对输出电压进行分压后得到反馈电压,该电压输入到误差放大器的同相输入端。
误差放大器放大参考电压和反馈电压之间的差值, 其输出直接驱动调整管,通过控制调整管的导通状态来得到稳定的输出电压。
例如,当反馈电压小于基准电压时,误差放大器输出电压下降,控制调整管产生更大的电流使得输出电压上升。
当误差放大器增益足够大时,输出电压可以表示为：R1(1+)R2OUT REF V V = (2) 所谓基准电压源就是能提供高精度和高稳定度基准量的电源，这种基准源与电源、工艺参数和温度的关系很小，其原理是利用PN 结电压的负温度系数和不同电流密度下两个PN 结电压差的正温度系数电压相互补偿，而使输出电压达到很低的温度漂移。
传统基准电压源是基于晶体管或齐纳稳压管的原理而制成的，其αT =10-3/℃~10-4/℃，无法满足现代电子测量之需要。
20世纪70年代初，维德拉(Widlar)首先提出能带间隙基准电压源的概念，简称带隙(Bandgap)电压。
所谓能带间隙是指硅半导体材料在0K 温度下的带隙电压，其数值约为1.205V ，用U go 表示。
带隙基准电压源的基本原理是利用电阻压降的正温漂去补偿晶体管发射结正向压降的负温漂，从而实现了零温漂。
由于未采用工作在反向击穿状态下的稳压管，因而噪声电压极低。
带隙基准电压源的简化电路如下图所示。
2 LDO 中内部固有噪声LDO 的噪声类型主要是内部固有噪声和外部干扰噪声。
微弱信号检测
“微弱信号检测”资料合集目录一、微弱信号检测与采集技术的研究二、微弱信号检测技术三、微弱信号检测技术综述四、基于小波熵的微弱信号检测方法研究五、基于锁相放大器的微弱信号检测研究六、微弱信号检测及机械故障诊断系统研究七、基于自适应变尺度频移带通随机共振降噪的EMD多频微弱信号检测八、基于混沌理论的微弱信号检测原理及其在金属探测器中的应用研究九、微弱信号检测的盲源分离方法及应用研究微弱信号检测与采集技术的研究微弱信号检测与采集技术是当前科学研究领域中的重要研究方向之一，其应用前景广泛，涉及到的领域也非常多样化。
在本文中，我们将探讨微弱信号检测与采集技术的基本原理、研究现状、挑战和未来的发展趋势。
一、微弱信号检测与采集技术的基本原理微弱信号检测主要是通过放大、滤波、数字化等手段，对信号进行处理和分析，以便提取出有用的信息。
而采集技术则是通过特定的传感器和采样电路，将待测信号转换为电信号或其他可测信号，以便进行后续的处理和分析。
二、研究现状随着科学技术的不断发展，微弱信号检测与采集技术也在不断进步。
目前，国内外研究者已经开发出多种针对不同应用场景的微弱信号检测与采集技术。
例如，基于量子限幅放大器技术的微弱光信号检测、基于超导量子干涉器件的微弱磁场检测、基于锁定放大器的微弱电信号检测等。
这些技术的不断发展和应用，为许多领域的研究和实践提供了强有力的支持。
三、挑战然而，微弱信号检测与采集技术的发展也面临着许多挑战。
首先，由于微弱信号往往被噪声所淹没，如何提高信噪比、降低噪声对信号检测的影响是亟待解决的问题。
其次，微弱信号的采集技术需要高灵敏度、低噪声的传感器和采样电路，如何提高传感器的性能和降低采样电路的噪声也是一个重要的挑战。
四、未来的发展趋势未来，微弱信号检测与采集技术的发展将更加多元化和交叉性。
首先，随着数字化技术的发展，采用高速数据采集和数字信号处理技术将成为未来微弱信号检测与采集技术的发展趋势之一。
微弱信号检测装置的设计
微弱信号检测装置的设计作者：殷大勇来源：《科学与财富》2019年第05期摘要：随着我国新时代科学技术发展的不断推进，我国信号检测技术也在不断发展，但是在微弱信号检测方面，我国现有信号检测技术还存在一定的不足，需要得到相关科研部门的高度重视，也需要经过相关科研人员的进一步改进，以期我国新时代微弱信号检测技术能够满足新时代经济建设的发展需求，使我国新时代综合科技能力稳步提升。
本文重点对我国现阶段的微弱信号检测装置的设计进行探讨和分析，并提出相应的设计方案以供广大信号检测技术研究人员的参考，以期为我国微弱信号检测技术做出积极贡献。
关键词：微弱信号;信号检测;装置;设计微弱信号检测（ Weak Signal Detection）是一门新兴的技术学科，应用范围遍及光、电、磁、声、热、生物、力学、地质、环保、医学、激光、材料等领域。
其仪器已成为现代科学研究中不可缺少的设备。
微弱信号检测技术是使用电子学、信息论、计算机及物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号和噪声的统计特性及其差别，检测被噪声淹没的微弱有用信号。
一、微弱信号检测技术的相关概述随着我国新时代科学技术和社会主义生产力的飞速发展，各种对于数据精确度要求较高的物理量的微小变化需要得到及时的测量，比如一些微弱风电流、电压，或者一些微小的温度变化和磁场、振动等，有些微弱信号往往处于一些极端的条件下，这些微弱信号的测量同样十分重要。
在通常情况下，很多的非电量微小物理变化都可以通过特定的传感器经过一系列的转变变为电信号，达到了对微小信号放大的目的，进而进行进一步的显示和记录。
但是在实际的应用过程中，这些较为微小的物理量变化即使通过传感器转换也是十分微弱的，二对于这些微弱信号新进行检测的时候，干扰和噪声往往会成为主要的矛盾所在，在基本的科学认识中，物质一般是由院子或者分子等带电粒子所组成，物质若长期存在于一定的温度环境或者其他条件之中时，带电粒子往往会发生热扰动，进而会产生一定的热噪声造成干扰;除此之外，电子电路中的各个电子元件，尤其是半导体器件之中的载流子在再生、复合的过程中会产生一系列的噪声，最为突出的还有依附于半导体器件表面状态的影响的闪烁噪声，还有一些光所产生的量子噪声等等。
微弱信号检测技术要求习题
2.一声呐换能器工作频率为30kHz，声源级为210dB。设
为球面波扩展，若考虑吸收衰减，则在1000m、5000m处
的声压级分别为多少？在什么距离上由球面扩展造成的
损失与由海水吸收造成的损失相等？
解：SLL SL 20lg r r
3
3
0.036 f 2 0.036 302 5.9154dB / km
滤波器的冲激响应为
h(t) Ks(t0 t)
滤波器的输出：
y(t)
s(t )h( )d
K
s(t )s(t0 )d
K
s(
'
)s(t
t0
' )d '
KRss (t t0 )
2.宽带能量检测器和过零点检测器结构图和原理分 别是什么？
（3)为了进行信号源、噪声源的分类例如信号源强、 弱的分类，需要进行动态范围压缩。
实现动态范围压缩的基本方法是对检测装置的接收 机进行增益控制。增益控制方法有三种：自动增益 控制（AGC)、时间增益控制(TGC)和混响增益控制 (RGC)。
2、被动声引信如何防爆炸声干扰？画出结构图和各部 分波形示意图。
解：被动声纳方程：
(SL TL) (NL DI) DT
SL=120dB NL=55dB DI=15dB DT=15dB
TL=65dB=20lgr+5
r=1000米
第四章思考题
1、白噪声背景下的匹配滤波器的传输函数、冲激响 应和输出分别是什么？
答：滤波器的传输函数为
H( ) KS * (ω）e jt0
所以化们的噪声谱中通常包含很强的空化噪声连续 谱，宽带总声级很高。频谱的特点是强连续谱加线 谱。潜艇为了隐蔽自己经常在临界航速以下航行， 其螺旋桨是不空化的，总声级很低。频谱的特点是 很弱的连续谱加明显的线谱。
微弱信号的检测提取及分析实验简介
微弱信号的检测提取及分析实验简介——丁涛、刘潇蔓、井文文一、实验背景：因为噪声总是会影响信号检测的结果，所以信号检测是信号处理的重要内容之一，低信噪比下的信号检测是目前检测领域的热点，而强噪声背景下微弱信号的提取又是信号检测的难点，其目的就是消除噪声，将有用的信号从强噪声背景中提取出来，或者用一些新技术和新方法来提高检测系统输出信号的信噪比。
二、实验原理:1、噪声来源：检测系统本身的电子电路和系统外的空间高频电磁场干扰等2、噪声解决方法：①降低系统的噪声，使被测信号功率大于噪声功率，达到信噪比S /N > 1 。
②采用相关接收技术，可以保证在被测信号功率<噪声功率的情况下，仍能检测出信号。
3、解决方法比较：在电子学系统中，采用低噪声放大技术，选取适当的滤波器限制系统带宽，以抑制内部噪声和外部干扰，保证系统的信噪比大大改善，当信号较微弱时，也能得到信噪比> 1 的结果。
但当信号非常微弱，比噪声小几个数量级甚至完全被噪声深深淹没时，上述方法就不会有效。
当我们已知噪声中的有用信号的波形时，利用信号和噪声在时间特性上的差别，可以用匹配滤波的方法进行检测。
但当微弱信号是未知信号时，则无法利用匹配滤波的方法进行检测。
4、方法选定：经过分析，白噪声为一个具有零均值的平稳随机过程，所以，我们在选取任一时间点，在该点前一段时间内将信号按时间分成若小段后，然后在选取时间点处将前面所分的每小段信号累加，若为白噪声信号，则时间均值依然为零，但当噪声中存在有用信号时，则时间均值不为零，由此特性，就可对强噪声背景中是否存在微弱信号进行判定。
白噪声信号是一个均值为零的随机过程。
任意时刻是一均值为0的随机变量。
所以，将t时刻以前的任一时间段将信号分成若干小段并延时到t时刻累加，得到的随机变量均值依然为0。
而混有微弱信号，将t时刻以前的信号分断延时，并在t时刻点累加，得到的不再是均值为零的随机变量。
所以，我们可以在t时刻检测接收到的强噪声的信号的均值，由其均值不为零可判定强噪声信号中混有有用信号。
基于磁纳米测温的弱磁信号检测系统
基于磁纳米测温的弱磁信号检测系统李思;孙毅;张国良【摘要】肿瘤热疗是一种癌症治疗的新型手段,近年来,利用磁纳米粒子进行温度测量成为研究热点,利用其磁化信号可实现非侵入式温度测量.本系统由磁场探测装置、信号放大电路、数据采集系统和软件处理系统等4部分构成.首先,在研究分析的基础上,选用感应线圈式磁场探测装置,并在此基础上构建了等效电路模型,同时辅以差分线圈以剔除激励磁场信号的影响;其次通过对信号放大电路的仿真结果分析,发现采用级联的方式可以降低总噪声;然后用数据采集卡采集放大后的信号并通过数字相敏检波算法提取幅值;最后通过在LabVIEW平台开发的软件从软件层面进一步消除激励信号的影响,通过对实验数据的分析,很好的证明了系统的可靠性.【期刊名称】《湖北民族学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(035)004【总页数】8页(P438-444,448)【关键词】郎之万函数;磁纳米粒子;弱磁测量;数字相敏检波【作者】李思;孙毅;张国良【作者单位】郑州轻工业学院计算机与通信工程学院,郑州450000;郑州轻工业学院计算机与通信工程学院,郑州450000;郑州轻工业学院计算机与通信工程学院,郑州450000【正文语种】中文【中图分类】TP273.5伴随着医疗水平的进步，肿瘤的治疗手段也多种多样，但毒副作用相对来说也很大.目前采用的最主要的治疗手段仍然是手术、放疗以及化疗.寻求毒副作用小的治疗方法，或在现有治疗手段的基础上增加辅助方法，达到减小毒副作用的目的，为肿瘤患者提高治疗时的舒适度，提高治疗效果等，是目前肿瘤治疗急需解决的问题[1-2].近年来，临床热疗技术逐步发展，临床热疗也渐渐的被应用到了肿瘤的治疗上，且取得了良好的治疗效果，毒副作用相对也较小，已经引起了研究人员的高度重视.磁性纳米粒子在交变激励磁场下会发生温升效应，利用磁性纳米粒子作为热介导材料的新型肿瘤热疗方法，在动物实验中取得了显著效果.然而要使整个肿瘤组织温度达到42～43℃或者更高的同时，邻近组织低却于正常细胞的损伤温度，这就要求能够实时准确的掌控人体的内部温度.1905年，科学家朗之万提出了经典的顺磁定律，实验证明，该顺磁定律能够很好的描述磁纳米粒子的顺磁性磁化曲线[3].在静态激励磁场H下，假设单位体积的磁纳米中有N个原子，其原子或分子的固有磁矩为，则其磁化强度M可表示为：L(α)=coth(α)-为朗之万函数，其中α=，KB为Boltzman常数.在时变激励磁场下，磁纳米粒子的磁化响应同样服从朗之万函数，假设时变激励磁场为H(t)=H0sin(ωt)，此时其磁化强度为：对其进行傅里叶展开，利用一次和三次谐波的五次展开项作为磁纳米粒子测温的数学关系模型.在这一关系模型中，μJ、N、KB为已知量，磁纳米粒子温度T为未知量，因此只要知道其谐波幅值就可以得到温度信息.磁纳米粒子温度测量主要利用其磁化响应信号中的一次和三次谐波中包含的温度信息.然而，磁纳米粒子的磁化信号及其微弱，且淹没在较强的激励磁场信号和工频噪声中，所以要想从中检测出磁纳米粒子的磁化响应信号，且能够具有较高的信噪比，需要通过构建弱磁信号检测系统来实现[4].本文设计的弱磁信号检测系统主要由磁传感器、信号放大电路、数据采集卡和数据处理计算机这几部分构成，系统总体框架如图1所示.本系统中采用的感应线圈为不带磁芯的空心线圈，其外部结构如图2所示.假设空心线圈的内径为d，外径为D，高为L，绕制匝数为N.以空心感应线圈几何中心点为原点建立三维坐标系，其Z轴为感应线圈的中心轴线，并将磁感应强度B 在空心线圈几何中心点进行级数展开，BZ(0)为几何中心点的磁场，则：φ将式(4)带入到公式(5)中，由于空心感应线圈在结构上对称的原因，x、y、z奇次幂项可以正负抵消，即磁通量为零.空心感应线圈在进行信号测量时，其测量区域为电流为零的无源区域，因此满足方程：由于高于四次项比二次项小很多，可以忽略不计，则式(5)通过积分变换后得：令上式右边第二项为零，即：根据推导发现当空心感应线圈的几何尺寸满足式(8)时，空心感应线圈的总磁通量φ只与空心线圈所在的几何中心点处的磁场有关.为了获取最多信息，通常用初始灵敏度δ来表示.当空心线圈的匝数为N，被探测的磁场为H=H0sin(2πft)，f为磁场频率，H0为磁场强度，空心线圈横截面积为S时，获得的感应电动势可以表示为：根据式(10)可知，初始灵敏度δ与N、S两个参数有关，因此提高空心感应线圈的初始灵敏度有两个途径，一是增加绕线匝数N，二是增加空心截面积S.但是由于空心感应线圈同样处于激励磁场中，在探测到磁纳米粒子的磁化信息的同时，也探测到了激励磁场信号，即剩磁.综合以上考虑，空心感应线圈的设计参数如表1所示.通过对磁纳米粒子磁化响应的COMSOL仿真发现，磁纳米粒子磁化后产生的磁场具有对称性，可以在以磁纳米粒子几何中心放置成对称的两个空心感应线圈，两个线圈的结构参数完全相同.具体示意图如图3所示.当感应线圈1和感应线圈2在结构尺寸参数和绕制方向都相同，且摆放位置夹角与激励磁场夹角都相同的情况下，感应线圈1和感应线圈2中激励磁场信号的大小和方向也将相同.假设感应线圈1中心处激励磁场强度为H1、磁纳米粒子磁化强度为M1，感应线圈2中心处激励磁场强度为H2、磁纳米粒子磁化强度为M2，则可知两个感应线圈的输出信号为：此外，两个感应线圈中心磁纳米粒子磁场M1和M2可表示为：将式(12)、(13)和(14)带入式(11)可得：将两个空心感应线圈反向串联时，可得：化简可得：然而，当两个空心线圈的阻抗和位置不能够完全匹配时：即激励磁场h(t)中，K≠0、γ≠0.使得无法完全消除激励磁场，因此，将在系统的软件设计中利用软件的方法来进一步消除激励磁场.在微弱信号检测系统中，对微弱信号进行放大的同时也引入了噪声干扰，其中主要来自器件本身和工频干扰.信号放大电路中最为关键的部分是放大器件，普通的运算放大器在放大差模信号的同时也放大了共模信号[5-6]，此时整个信号已经超过数据采集卡的量程，因此必须选择能够抑制共模信号的仪用放大器.本系统选用AD8428仪用放大器，其具有极低的输入电压噪声，其输入电压噪声为1.3 nV/，AD8428的内部简化原理图如图4所示.为了有效的消除共模信号，其内部结构设计极为对称，这种对称不仅体现在结构上，更主要的是内部元器件性能上的严格统一.对于前级放大器，主要由A1和A2两个运算放大器分别构成两个电压同相放大器，其输出信号为正输入端的信号乘以增益系数，而增益系数由匹配电阻决定.两个同相放大器输出的电压信号全部施加到电阻RG上，其中差模信号将在RG上形成电势差，而共模信号由于电位相同，无法在RG上形成压差，从而无法产生电流[7].因此，差模信号将以200倍的增益通过前级放大器，而共模信号只能以单位增益通过，所以能够很好的抑制共模信号，其整体的传递函数为：利用Multisim对其进行仿真，其仿真电路如图5所示，假设信号源为正弦信号，频率为375 Hz，幅度为1 mV.仿真结果如图6所示，利用示波器查看发现，幅度为1 mV的信号经AD8428放大后，幅度变为2，与其标定的放大增益符合.AD8428 的电压输入噪声为1.3 nV，这给提高整个电路的信噪比提供了可能．AD8428还具有额外的两个引脚，可以用来改变增益、滤波，而且还可通过特殊方法来进一步降低噪声．将数个AD8428的输入端接同一信号源，并将其滤波引脚进行短接，由于采用的不是依次级联的方式，并不会改变总增益，其级联电路如图7 所示．对这一电路进行仿真，发现增益仍保持在2000.而通过Multisim中分析工具对其进行噪声分析，以此种方式进行级联放大，电路的总输入电压噪声由单个的1.3nV 降低到690pV，输出电压噪声由2.6uV降低到1.29uV综上所述，使用四个AD8428组成级联放大电路，在不改变固定增益的前提下，且能将总噪声降低一半.为了快速保存和读取大量数据，LabVIEW将数据以二进制的形式保存在特殊的文件格式中，称为TDMS文件.TDMS的逻辑结构分为三层：文件(File)、通道组(Channel Groups)和通道(Channels)，每一个层次上都可附加特定的属性(Properties)[8].能够灵活的对测试数据进行属性定义，也可根据属性对数据进行检索.如图11所示.数字相敏检波算法(DPSD) 常用于强干扰下的微弱信号检测[9]．相比其他方法而言，如自相关法、多重自相关法等，DPSD 算法拥有较高的检测精度，尤其是当信噪比低至－30 dB～－60 dB 时，其优势更为明显．假设待检测信号s(t)=Asin(ω0t+φ)，对s(t)在一个周期内进行傅里叶变换，并取ω=ω0.则有：S(jω0) =s(t)e-jω0td(ω0t)=Asin(ω0t+φ)[cos(ω0t)-sin(ω0t)]d(ω0t)=sinφd(ω0t)-jcosφd(ω0t)=Aπsinφ-jAπcosφ令R=Asinφ，I=Acosφ，得到：s(t)进行采样后变为s(n)：令：cos(n)=cos(2πn)，sin(n)=sin(2πn),则有：由式(22)、(23)和(24)可得：经整理后可得：由此即可得到待检测信号的幅值以及相位信息，然而实际观测的到信号x(n)中除了包含有用信号s(n)，还包含加性噪声ω(n)，即x(n)=s(n)+ω(n)，由于ω(n)与sin(n)和cos(n)的弱相关性，用x(n)作为s(n)的估计值用上述方法进行检测，在信噪比较大时，测量误差很小，其基本原理框图如图12所示.在本系统中，利用LabVIEW实现了该算法，其算法程序框图如图13所示.感应线圈在探测到磁纳米磁化响应信号的同时，也探测到了激励磁场的信号.从信号有用性上来说，此时的激励磁场信号属于噪声，并且远远大于磁纳米粒子的磁化响应信号，因此必须将其剔除.为此在硬件层面上，采用了两个感应线圈，通过对称摆放形成差分线圈对，将两个线圈的输出信号相减，去掉激励磁场信号，并且将磁纳米粒子的磁化响应信号变为原来的两倍，极大的提高了信噪比[10-11].鉴于对后续数据处理中温度反演精度的要求，在硬件层面上通过差分线圈对消除激励磁场的方法仍不能满足其要求，所以将在软件层面上进一步的剔除激励磁信号，提高信噪比，其原理如图14所示.感应线圈信号经前置放大后一路通过数据采集卡采集，在消除剩磁后提取出一次谐波幅值，另一路经过选频放大器后接入数据采集卡，消除剩余磁场后提取三次谐波幅值[12-13].由于剩磁信号也包含着谐波信息，因此还需利用并行谐波提取的方式来重构一个与剩磁信号完全相同的信号，这样可以得到一个只含有磁纳米粒子磁化响应谐波信息的信号[14].其并行提取流程如图15所示.以本文构建的微弱信号检测系统为平台，对磁纳米粒子在降温过程中的磁化响应信号进行采集，图16为利用热敏电阻测量的磁纳米粒子降温曲线，其温度从333 K 下降到298 K，其实验结果如图17和图18所示.磁纳米粒子磁化响应的谐波信息中包含了温度信息.为了能够检测其磁化信息，进而反演温度，本文设计了一套基于磁纳米测温的弱信号检测系统，通过实验验证，该系统能够准确的测量磁纳米粒子的磁化响应信号.系统通过软件和硬件的协调完成了磁纳米粒子磁化响应信号的测量.通过实验数据分析，可以获得磁化强度和温度的关系，并能够很好的吻合理论模型，证明系统的精确性与稳定性.【相关文献】[1] 陈万青,张思维,曾红梅.2015中国肿瘤登记年报[R].北京:军事医学科学出版社,2015.[2] 尹晓玲.IL-12真核表达质粒构建及其瘤苗抗肺癌免疫作用研究[D].重庆:重庆医科大学,2009.[3] 何梦华,沈朋.肿瘤热疗与肿瘤免疫在转化医学中的研究进展[J].基础医学与临床,2012,32(7):33-36.[4] 张佳慧,秦丽娟.肿瘤热疗的研究进展[J].实用心脑肺血管病杂志,2012,20(9):1424-1426.[5] PETER VAUPEL.Tumor micro environmental physiology and its implications for radiation oncology [J].Seminars in Radiation Oncology,2004,14(3):198-206.[6] 张建纲.肿瘤热疗的历史和现状[J].肿瘤研究与临床,2003,15(5):50-53.[7] 刘菡萏.磁性药物靶向递送的动力学研究[D].上海:上海交通大学,2008.[8] LI Li,TIMO L M,TEN HAGEN,et al.Triggered content release from optimizedstealth thermosensitive liposomes using mild hyperthermia[J].Journal of ControlledRelease,2010,143(2):274-279.[9] JIM KLOSTERGAARD,CHARLES E SEENEY.Magnetic nanovectors for drugdelivery[J].Maturitas,2012,73(1):33-44.[10] MAHAM RAHIMI,ANIKET WADAJKAR,KHAUSHIK SUBRAMANIAN.In vitro evaluation ofnovel polymer-coated magnetic nanoparticles for controlled drugdelivery[J].Nanomedicine:Nanotechnology,Biology,and Medicine,2010,6(5):672-680. [11] SIMON C,VANBAREN P,EBBINI E S.Two-dimensional temperature estimation using diagnostic ultrasound[J].IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control,1998,45(4):1088-1099.[12] RUDOLF S,PETER W A,DIETRICH H,et al.Temperam～monitoirng of interstitial the coagulation using MR phase images [J].JMRI,1997,8:188-196.[13] 李扬,沈洪钧.软磁铁氧体磁心IEC标准和国内标准[J].磁性材料及器件,2015,46(3):73-77.[14] 钟景.磁纳米温度测量理论与方法研究[D].武汉:华中科技大学,2014.。
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第26卷第6期2013年6月传感技术学报CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORSVol.26 No.6Jun.2013项目来源:贵州大学研究生创新基金项目(理工2012013)收稿日期:2013-03-19 修改日期:2013-05-06The Design of Weak Signal Detection System in Strong Magnetic Field *LIU Wenjing ,WANG Minhui *,WANG Yalin ,HU Lanzi(Electrical Engineering College of Guizhou University ,Guiyang 550025,China )Abstract :In order to measure the electric current of busbar ,a measuring device is designed to provide a referencefor busbar configuration.This device is based on INA114which is an operational amplifier circuit with high precision and processor S3C2440of ARM.Weak voltage signal and temperature signal can be detected under the strong magnetic field by the detecting system.The characteristic feature and the adverse effects of the strong magnetic field are introduced ,and the characteristics of hardware ,software ,Anti⁃interference measures are alsoanalyzed.We use the way of power spectral estimation to confirm the signal information of the frequency ,which isproved validity by LabVIEW simulation result.According to the signal frequency ,a low pass filter is designed in thehardware.Finally ,the test data proves that the accuracy of the system can be within 5%.In strong magnetic field the device can collect data once per second and track the change of the current in time.Key words :weak signal detection ;strong magnetic field ;busbar current ;detection circuit ;power spectral estimation ;anti⁃interference measureEEACC :6140 doi :10.3969/j.issn.1004-1699.2013.06.022强磁场下微弱信号检测系统设计*刘文静,王民慧*,汪亚霖,胡兰子(贵州大学电气工程学院,贵阳550025)摘 要:为获知母线电流的分布情况,给母线配置提供参考,设计了一个以高精度运放INA114和RAM 处理器S3C2440为基础的检测装置,使其在强磁场环境下能完成微小电压和温度信号的测量㊂阐述了强磁场环境的特点和影响,重点分析了系统的硬件构成,软件设计和系统所采取的抗干扰措施㊂其中,硬件设计采用了功率谱估计的方法确定信号频段,通过Labview 的仿真实验验证了该方法的可行性,并以该频段信息为参考依据设计了低通滤波器㊂最后,通过试验数据证明了该系统的可靠性,其测量误差小于5%,且在强磁场环境下能实现每秒采集一次数据,实时跟踪电流变化的功能㊂关键词:微弱信号检测;强磁场环境;母线电流;检测电路;功率谱估计;抗干扰措施中图分类号:TP274 文献标识码:A 文章编号:1004-1699(2013)06-0865-06 众所周知,铝电解槽的电场㊁磁场和流场的稳定直接决定了电解槽的运行情况[1],而运行稳定的电解槽又有利于降低运行电压,达到节能减排的要求㊂但是,如果母线配置存在缺陷将会导致阴极电流的分布不均,从而无法降低运行电压㊂刘升[2]在对300kA 系列电解槽的母线优化改造的研究中,主要以母线电流分布作为参考依据来发现缺陷,通过修正母线电阻来达到从新分配电流的目的㊂改造后,修正了母线电流的分布偏差,且吨铝省电超过200kWh ,达到了节能的效果㊂该研究表明,对母线电流分布的在线监控,可以分析母线配置是否存在缺陷,从而指导电解槽的运行和维护㊂周萍[3]通过对不同进电方式的电解槽进行了研究,并得出结论:电解槽的进电方式直接影响了槽内熔体的运动㊂贺志辉[4]对不同进线点的母线配置和母线补偿技术进行了研究,研究表明:进线点数较多以及适当使用母线补偿技术可以有效的降低影响电解生产的垂直磁场强度㊂对于铝电解工业,电解槽内产生的磁场是直接影响磁流体运动的主要原因之一,磁场不稳定会引起磁流体的强烈扰动[5],从而威胁安全生产㊂传 感 技 术 学 报第26卷因此,稳定的磁场环境有利于正常生产,而磁场的稳定与否又由母线的配置来决定,所以,合理的对母线进行配置极其重要㊂磁场是一个矢量场,它能将处于磁场下的铁磁物质磁化,改变其性质㊂从微观上说,有研究表明:均恒的强磁场能够将高强度的能量无接触地传递到物质的原子尺度,改变原子的排列㊁匹配和迁移等行为,从而对材料的组织和性能产生很大的影响[6]㊂在宏观来看,对于处于磁场下的仪器设备,强大的磁场也会对其产生一定的影响㊂林苏轼[7]对高频磁场下的热电偶测温误差的产生机理进行了研究,表明磁性元件的涡流效应会产生误差,研究使用了加权平均等效正弦频率的方法使误差得到了很好的修正㊂文献[8]通过对谐振电路,51单片机系统等典型电路进行了研究,说明,当恒磁场B≤0.1T时,电路均能正常工作;而当磁场强度处于0.1T<B≤2T 的范围内时,电路会受到较小的影响,但也能正常工作㊂李辉[9]对石英晶体谐振器在磁场中的性能进行实验和验证,发现当受到磁场的作用时,磁性支架会产生力-频效应,从而引起频率的变化㊂张志禹[10]以强磁场下的电解车间为背景,对计算机的工作状态进行了测试研究,研究表明:板状材料对直流磁场的屏蔽有显著的效果㊂上述研究表明,磁场对非铁磁材料的元器件影响不大,反之,对铁磁材料的元器件有较大影响;且恒磁场对电子器件的影响比高频磁场的影响小㊂要想同步测量铝电解槽全部母线在同一时间段的电流变化,有一定难度,但是,由于母线温度是一个慢时变的量,因此在温度一定的情况下,母线等距压降是母线电流的单值函数[11]㊂那么,就可以通过每根母线上的两根探针之间的电压降间接地反映出电流的变化情况㊂由于铝质母线上的电阻很小,短距离母线上的压降为微小的毫伏级电压信号,其大小在20mV以内㊂要想得到准确的电流值,就必须实现精确的微弱电压信号和温度信号的检测㊂检测电路中可靠的前置电路可以提高系统检测的灵敏度,增强稳定性㊂反之,不但无法去除环境噪声,还会把噪声放大,影响检测系统的精度㊂综上所述,从保证信号准确的角度考虑,设计一个应用于强磁场环境中的测试设备,需采用性能较好的元器件,并采取适当的保护措施㊂1 硬件设计1.1 系统检测电路的基本结构本测量系统由数据采集模块㊁数据处理模块和上位机显示输出模块组成㊂信号的采集是通过在铝电解槽的每个母线上安装等距的两个探针,来获得等距压降和温度㊂每个母线上的探针通过屏蔽导线与数据采集模块相连,实现将现场采集到的电压信号和温度信号送到调理电路;数据采集模块将信号进行放大和滤波处理,然后再送入数据处理模块进行A/D转换和数据处理;最后用串口将处理好的信号传到上位机进行显示㊂数据处理模块的CPU使用S3C2440集成芯片,它采用RAM920T的内核,具有强大的指令集,它集成了片上时钟,在高数据处理速率下工作,高效的速率有利于检测系统的实时性㊂图1是检测系统的设计框图㊂图1 铝电解槽电压信号检测系统组成1.2 数据采集模块的放大电路本系统选用INA114精密放大器,此产品尺寸小㊁精度高㊁价格低,是一种通用仪表放大器㊂它是精密三运放集成芯片,具有高共模抑制比(G=1000时为50dB),低失调电压(50μV),漂移小(0.25μV/℃)的特点㊂且使用一个外部电阻可设定1~图2 INA114的内部结构图INA114的输入阻抗大约为1010Ω,所以,其偏置电流小于±1nA㊂但在应用电路中却必须为两个输入端的偏置电流设置返回路径(图4中的标注部分),若未设返回路径,电路将无法正常使用㊂其外部电路用一个可调电阻来实现增益的修改,RG选用一个10K的可调电阻,就能实现6~10000倍的增益调节㊂为修正测试电路的零点偏移,参考电路还设置了偏离电压的修正回路,并采用REF200和OPA177实现其功能㊂电路如图3所示㊂系统中电压检测的前置电路如图4(a)所示,温度检测前置电路如图4(b)所示㊂检测电路使用了一片INA114实现信号的差动放大,由于现场环境668第6期刘文静,王民慧等:强磁场下微弱信号检测系统设计 恶劣,所以,设置了由OPA177和REF200共同组成的偏置修正电路㊂温度检测电路与电压检测电路的区别就是多使用了一个REF200,由它构成恒流源来驱动铂电阻PT100,以实现将温度引起的阻值变化转变成电压变化[12]㊂图3 偏置修正电路图4 检测电路原理图1.3 数据采集模块的滤波电路通过对干扰噪声的分析,针对噪声的类型来设计滤波电路,可以最大限度地滤除噪声,让测量值更接近真实值㊂影响系统的噪声,除了元器件内部噪声外,在铝工业现场有机械噪声,母线磁场干扰噪声,热噪声等多种噪声㊂在正确接入电流方向的情况下,现场的小电压信号应该是一个幅值大小大于零的毫伏级的电压信号,通过对现场采集的电压原始信号波形可以看出,较大的干扰已完全将小信号淹没㊂因为,在图6左中电压的幅值不仅有大于零的也有小于零的,而且小于零的情况在直流母线上的是不应该存在的,真实值应该是大于零的一个有波动的小电压信号,如图6左所示,此原始信号的采样周期为2μs,图为3ms时间内的波形㊂功率谱表示的是:有限信号单位频带内信号功率随频率的变化情况㊂从文献[13]中总结得知,通过功率谱图对原始信号进行分析,可以得出有用信号的频率段㊂LabVIEW是目前应用广泛的虚拟仪器开发软件,它已将数据采集与分析的方法都模块化,只需要将模块组合,就能实现需要的功能[14]㊂实验中,通过LabVIEW软件的功率谱估计模块,对已知频率的信号进行了分析,分析结果能准确的显示出左边设置的正弦波频率㊂因此,此方法是可行的㊂仿真信号的幅值均为2V,分析的结果如图5所示㊂图6是对原始信号进行的功率谱分析㊂图5 仿真信号功率谱估计图5充分证明了使用信号的功率谱估计来确定信号频率是可行的㊂图6右所示为对现场采集的原始信号进行的功率谱分析,从分析的结果可以看出,有用信号的频率小于10Hz㊂因此,根据有用信号的频段范围,使用巴特沃斯的低通滤波设计方法,设768传 感 技 术 学 报第26卷计了一个冗余为10Hz 的低通滤波器,滤波器的截止频率为20Hz ㊂此滤波器通过对信号的硬件滤波显示,能最大程度的减弱高频信号,滤除干扰㊂图6 原始信号功率谱估计2 系统软件设计2.1 操作系统及数据处理本系统选用的处理器是S3C2440,它是三星公司的精简指令集微处理器,该芯片集成了两路8通道10bit 的ADC ,符合系统对AD 转换的要求㊂数据处理的程序是在μC /OS-Ⅱ操作系统下运行的,操作系统通过有效地对任务进行调度,并对其任务赋予不同的优先级来保证任务时响应,且在进程中,最多可写入64个任务㊂数据处理模块中,AD 转换的功能,用一个任务来完成㊂程序流程图如图7(a )所示㊂除AD 转换以外,数字滤波也在任务中实现㊂在本系统中使用的数字滤波程序为中值滤波加平均值滤波的复合滤波方式,这种方法既可以实现对周期脉动干扰的滤除也可以滤掉脉冲干扰,流程图如图7(b )所示㊂图7 程序流程图2.2 人机界面程序人机界面使用Visual Basic 语言完成㊂如图8所示,此界面实现的是一路母线电流的检测㊂要实现多路的监测只需要增加显示窗口即可,以下的实验都是针对一路母线实现的㊂图8 人机对话窗口MSComm 控件主要实现了对下位机上传的数据进行正确的接收,并将接收到的数据显示在对话窗口的功能㊂下位机传送的数据是经过处理的数字信号,一路为电压信号,一路为温度信号㊂人机界面主要分为4个部分:数据输入部分,显示部分,数据存储部分和计算部分㊂数据输入部分实现母线参数设置,串口选择,以及波特率选择㊂显示部分可以显示电压值,温度值以及电流值,并通过选择各个值的波形图,可以查看从当前开始的数值大小的波动趋势㊂数据存储部分是完成当前电压值,温度值和电流值的存储功能,当点击采集数据按钮,在D 盘的根目录将数据和采集时间存储在一个名叫 数据采集”的文件中,便于进行数据分析㊂计算部分主要实现电流的计算功能,由于母线的规格直接影响电流的大小,所以在打开串口之前就要求输入测量母线的尺寸,大小以mm 为单位㊂电流的计算公式为:I =Vρ0(1+βT )L /S(1)式(1)中V 为小信号压降,mV ;ρ0为0℃时铝的电阻率;β为电阻率温度系数;T 为母线温度(℃);L 为等距压降长度(m );S 为母线截面积(m 2)㊂3 系统抗干扰措施除使用硬件和软件滤波器之外,针对强磁场环境下的微弱信号检测还使用了其他抗干扰措施㊂3.1 供电电源的抗干扰电源在系统中是一个很重要的部分,为抑制干扰,采用隔离变压器与控制系统隔离,为滤除电网中的高频部分,使用低通滤波器滤除高频干扰而使50Hz 的电网频率通过㊂然后使用直流稳压器给系统供电㊂稳定的供电有利于放大器的稳定工作㊂3.2 传输线路和系统外部的抗干扰选用具有耐高温的双绞磁屏蔽线作为信号传输线,可以实现共模干扰的抑制和磁场的屏蔽㊂传输较小的mV 信号,导线不宜过长,否则,信号衰减将868第6期刘文静,王民慧等:强磁场下微弱信号检测系统设计 会比较明显㊂铝电解现场的磁场较大,所以检测系统安装在车间办公室,并且同时使用三线双层屏蔽技术,即使用屏蔽盒将放大器部分屏蔽起来,同时把整个设备用屏蔽罩将检测系统屏蔽起来,达到最大程度的屏蔽磁场干扰㊂3.3 系统接地抗干扰措施选择正确的接地点尤为重要,此系统属于低频系统,所以电路选择单点接地方式㊂电路板的设计采用大面积地线,以减小地线电阻;并且系统的外屏蔽与内屏蔽之间,模拟地与内屏蔽都是绝缘的,而内屏蔽引出的线与屏蔽电缆的屏蔽层相连;电路的信号地与屏蔽外壳也绝缘㊂整个电路系统采用浮地技术,系统机壳与大地相连㊂4 实验测试4.1 实验室测试在实验室条件下,使用标准信号源给定输入信号,用万用表测试输出,记录了前置放大部分和人机界面的显示读数,如表1㊁表2所示㊂表1 前置放大器的输出表2 人机界面的显示读数 从表1可以看出,小电压在测量量程为20mV,温度的量程为100℃,给定的输入与输出基本呈线性,放大倍数基本稳定㊂在表2中可以明确的看出,通过数据转换后的数字信号与输入的模拟信号之间的误差都很小,最大相对误差为2.5%,完全可以保证误差大小在5%以内㊂从上述表格中的实验数据看出检测系统的线性较好,能满足工业的要求,因在实际应用中可以忽略存在的微小误差㊂4.2 现场测试现场测试的数据是在某电解铝厂360kA系列电流电解槽上在线获取并保存得到的数据采集文件,使用此数据文件在EXCEL表格中绘得图9㊂图9(a)是没有经过硬件滤波的电压信号数据,图9(b)是通过滤波处理后得到的数据㊂图9 滤波前后的电压降信号由图9可以看出,检测的小电压信号的幅值为8mV~9mV左右,在正常的工业生产中,由于电解槽内铝液是在低频波动的,所以检测到的电流也是有微小波动,这完全符合实际㊂从图9的对比可以看出,微弱信号的检测系统能对较强的现场干扰信号进行滤除,说明此电路系统完全能适用于现场数据的采集,能抵抗较强的干扰㊂5 总结和展望论文从硬件和软件两大方面,详细阐述了微小电信号检测系统中各个环节的设计㊂且通过得到的数据可以看出,整个系统的设计结果符合最初设计要求,满足设计指标㊂本系统经过现场实验证实,通过对母线等距压降和母线温度的检测,间接计算母线电流实现了电流的在线监测,且能直观的显示出母线电流的分布情况㊂通过对现场母线电流的在线监测实验得出结论,微小的电流波动属于滤液的正常波动范围,当母线的电流分布异常时,各母线的电流值则会相差较大,这种差距对于判定槽况信息具有指导意义㊂968传 感 技 术 学 报第26卷此系统的创新处在于设计了一个精度较高,实时性较好,不影响正常工业生产,方便拆装的实时检测系统㊂并在实际科研中验证了其精度满足5%的要求,且在强干扰下能实时跟踪电流的变化,具有很好的应用价值和发展前景㊂对于此系统的开发,仍存在不足之处,例如AD的范围为0~3.3V,如果需要检测负向电压时就存在缺陷,不过,这可以更改使用的AD来完善所需的功能㊂参考文献:[1] 王有来,邓文,杨求思,等.大型铝电解槽不停电改造母线技术与实践[J].轻金属,2012(10):22-27.[2]刘升,李勇,李炜煜.300kA系列铝电解槽母线配置带电优化改造实践探讨[J].四川有色金属,2011(3):27-32.[3]周萍,梅炽,周乃君,等.不同进电方式与槽膛内形的铝电解槽内流场的数值模拟[J].轻金属,2002(8):29-31.[4]贺志辉,武威.铝电解槽母线配置的研究[J].轻金属,1988(4):26-30.[5]沈贤春.铝电解槽磁场和磁流体问题的研究[J].轻金属,2000(9):42-46.[6]王晖,任忠鸣,蒋国昌.均恒强磁场在材料科学中的应用[J].材料科学与工程,2001,19(2):119-123.[7]林苏斌,陈为,汪晶慧.高频磁场环境下热电偶测温研究[J].电工电能新技术,2012,33(4):62-65.[8]张国宾.强磁场对典型电子器件影响机理的研究[D].兰州大学,2011.[9]李辉,陈向东.强磁场对石英谐振器的影响[J].固体电子学研究与进展,2011,31(4):363-365.[10]张志禹.电子计算机在磁场影响下的工作状态[J].轻金属,1979(3):22-24.[11]王紫千,冯乃祥,彭建平,等.铝电解槽阴极铝液液面波动实时监测系统设计[J].冶金自动化,2009,33(7):24-29. [12]张瑜,张升伟.基于铂电阻传感器的高精度温度检测系统设计[J].传感技术学报,2010,22(3):311-314.[13]程建华,李明月,时俊宇,等.船用光纤陀螺小波实时滤波算法的设计与实现[J].传感器与微系统,2011,30(7):104-107. [14]刘春.电磁声裂纹检测虚仪器系统的研究[J].传感技术学报,2007,20(2):477-480.刘文静(1987-),女,贵州松桃,硕士研究生,主要研究方向为嵌入式系统及与自动化装置,498462707@;王民慧(1962-),女,贵州贵阳,硕士生导师,主要研究方向为嵌入式系统与自动化装置,wangminhui@㊂078。