一种用于声表面波磁传感器的信号采集系统的制作方法

本实用新型属于信号采集系统技术领域，特别涉及一种用于声表面波磁传感器的信号采集系统。

背景技术：

声表面波(surfaceacousticwave，简称saw)是沿固体表面传播的一种弹性波。通过叉指换能器结构，声表面波可以在压电材料表面被激励和检测。将磁致伸缩薄膜(feco、nife、metglas等)引入叉指换能器中，在外磁场作用下，磁致伸缩材料的杨氏模量发生变化，声表面波波速也随之改变，从而达到检测微弱磁场的目的。已报道的高q值saw谐振器磁场灵敏度可达150hz/μt以上，探测极限可达nt/hz^1/2量级。与其它磁场传感器相比，saw传感器可以直接输出特定频率信号，无需模数转换，方便信息处理。同时，其具有无源、易起振、易集成、可量产等优点，在地磁导航、生物磁信号检测、智能电网等领域具有潜在应用价值。

外界环境诱导saw波速的变化可反映为传感器输出信号(频率、相位、幅度)的变化，获取这些信息的变化需要与之匹配的信号采集系统。将saw传感器直接接入矢量网络分析仪，通过分析saw的s参数，很容易实现检测目的。但由于仪器功耗大、不便携，所以该方法仅限于实验室使用。为减小测试系统功耗和体积，可通过信号发生器与鉴相器/幅度比较器组成开环检测系统。实现saw传感器相位/幅度检测。在相位检测法中，利用接近saw传感器中心频率的信号激励器件输出反馈信号。鉴相器比较激励信号与反馈信号相位，并以电压信号的形式表征两路信号相位差。该方法必须保证激励信号与反馈信号频率一致，否则双通道相位差无法稳定。幅度检测法(dds检测法)与矢量网络分析仪检测类似，dds产生扫频信号激励saw传感器，幅度比较器获取反馈信号的幅度，幅度衰减最小处对应的频率即为传感器谐振频率。这种方法中，由于dds激励信号频率存在波动，saw谐振频率的微小变化有时难以被检出，即存在传感信号检测盲区。相位/幅度检测法虽不涉及频率测量，但由于信号发生器的输出频率范围有限，使得高频saw器件难以起振，检测信号的范围有限。并且该方法电路结构复杂，不利于传感阵列检测，实际应用较难。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种用于声表面波磁传感器的信号采集系统，以解决上述问题。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种用于声表面波磁传感器的信号采集系统，包括第一振荡电路、第二振荡电路、混频电路、放大整形电路和单片机频率测量电路；混频电路的第一输入端连接第一振荡电路，混频电路3的第二输入端连接第二振荡电路；放大整形电路与混频电路的信号输出端if相连接；频率测量电路主连接放大整形电路的信号输出端；第一振荡电路和第二振荡电路均用于输出saw传感器测量频率信号。

进一步的，第一振荡电路包括电容c1、c2、c3、c4、c5、c6、c7、c8、c9和c10，电感l1、l2、l3、l4、l5和l6，电阻r1、r2和r3，5v直流电源，高频三极管2sc3357，以及4引脚saw传感器；电容c1/c2串联在saw传感器的谐振回路上，电感l1与saw传感器并联，电容c3接在谐振网络与放大电路之间，电阻r2接在高频三极管2sc3357基极与地之间，电阻r3与电容c4并联接在高频三极管2sc3357发射极与地之间，电感l2、电阻r1、电感l3依次串联在高频三极管2sc3357集电极与基极之间，电容c5/c6并联接在5v直流电源负极与地之间，电容c7、电感l4、电容c8、电感l6、电容c10依次串联在saw传感器和电感l1连接端与输出端net1之间，电感l5与电容c9并联接在c8与l6之间；saw传感器上镀有磁敏感薄膜。

进一步的，第二振荡电路包括电容c11、c12、c13、c14、c15、c16、c17、c18、c19和c20，电感l7、l8、l9、l10、l11和l12，电阻r4、r5和r6，5v直流电源，高频三极管2sc3357，以及4引脚saw传感器；电容c11/c12串联在saw传感器的谐振回路上，电感l7与saw传感器并联，电容c13接在谐振网络与放大电路之间，电阻r5接在高频三极管2sc3357基极与地之间，电阻r6与电容c14并联接在高频三极管2sc3357发射极与地之间，电感l9、电阻r4、电感l8依次串联在高频三极管2sc3357集电极与基极之间，电容c15/c16并联接在5v直流电源负极与地之间，电容c17、电感l10、电容c18、电感l12、电容c20依次串联在saw传感器和电感l7连接端与输出端net2之间，电感l11与电容c19并联接在c18与l12之间。

进一步的，混频电路包括混频器ad831和低通滤波器lfcn-255+；混频器ad831的第1引脚与电源正极+5v相接，混频器ad831的第2/3引脚通过电容c21与电源正极+5v相接且通过串联的电容c21和c34接地，混频器ad831的第4引脚接地，混频器的第5引脚接电源负极-5v且通过电容c22接地，混频器的第6引脚通过电容c23与第一振荡电路的输出端net1相接且通过电阻r7接地，混频器的第7引脚通过电容c24接地，混频器的第8引脚接电源负极-5v且通过电容c25接地，混频器的第9引脚接电源正极+5v且通过电容c26接地，混频器的第10引脚通过电容c27与第二振荡电路的输出端net2相接且通过电阻r8接地，混频器的第11引脚接地且通过电阻r8与第二振荡电路的输出端net2相接，混频器的第12引脚接电源正极+5v且通过电容c28接地，混频器的第13引脚接地且通过电阻r8与第二振荡电路的输出端net2相接，混频器的第14引脚通过电阻r9接电源正极+5v且通过串联的电阻r9和电容c29接地，混频器的第15引脚接电源负极-5v且通过电容c30接地，混频器的第16引脚通过串联的电阻r10和电容c31与低通滤波器lfcn-255+的第0引脚相接，低通滤波器lfcn-255+的第1引脚和第3引脚接地、第2引脚为混频信号输出端if，混频器的第17引脚通过电阻r11与第16引脚相接且通过电阻r12与第18引脚相接，混频器的第18引脚通过电阻r14接电源正极+5v且通过并联的电容c32和电阻r13接地，混频器的第19引脚和第20引脚通过电容c33接电源正极+5v且通过串联的电容c33和c34接地。

进一步的，放大整形电路包括运算放大器lm318和电压比较器lm311；混频电路信号输出端if通过串联的电容c35和电阻r15与运算放大器lm318的第3引脚相接，运算放大器lm318的第2引脚通过电阻r16接地，运算放大器lm318的第4引脚接电源负极-5v，运算放大器lm318的第4引脚通过电阻r18与电压比较器lm311的第3引脚相接，且通过串联的电阻r16和电阻r17接地，运算放大器lm318的第7引脚接电源正极+5v，电压比较器lm311的第2引脚通过电阻r19接地，电压比较器lm311的第4引脚接地，电压比较器lm311的第7引脚通过电阻r20接电源+5v，电压比较器lm311的第6引脚为放大整形电路的信号输出端net3。

进一步的，频率测量电路包括芯片stm32f103c8t6；芯片的第1引脚通过电阻r21与3.3v电平相接，芯片的第2引脚通过电阻r22与led相接，led另一端接3.3v电平，芯片的第3引脚和第4引脚接32.768khz晶振电路；芯片的第8引脚接地，芯片的第9引脚通过电阻r24接3.3v电平，芯片的第16引脚与放大整形电路的信号输出端net3相接，芯片的第20引脚通过电阻r25接地，芯片的第23引脚接地，芯片的第24引脚接3.3v电平，芯片的第32引脚和第33引脚分别与usb接口的第2引脚和第3引脚相连，usb接口的第1引脚通过电阻r26接5v电平，usb接口的第3引脚通过电阻r29接3.3v电平，usb接口的第5引脚接地，芯片的第35引脚接地，芯片的第36引脚接3.3v电平，芯片的第7引脚、第34引脚、第37引脚、第38引脚、第39引脚、第40引脚分别与jtag接口的第15引脚、第7引脚、第9引脚、第5引脚、第13引脚、第3引脚相接，jtag接口的第1引脚和第2引脚接3.3v电平，jtag接口的第4引脚、第6引脚、第8引脚、第10引脚、第12引脚、第14引脚、第16引脚、第18引脚、第20引脚全部接地，芯片的第44引脚通过电阻r30接地，芯片的第47引脚接地，芯片的第48引脚接3.3v电平。

进一步的，32.768khz晶振电路包括晶振y1、电容c37和电容c38；晶振y1与芯片的第3引脚、第4引脚相接，电容c37和电容c38一端与晶振y1相接，另一端共同接地，芯片的第5引脚和第6引脚接8mhz晶振电路，该晶振电路包括晶振x1、电阻r23、电容c39和电容c40,晶振x1与芯片的第5引脚、第6引脚相接，电阻r23并联接在晶振x1和芯片的第5引脚、第6引脚之间，电容c39和电容c40一端与晶振x1相接，另一端共同接地。

与现有技术相比，本实用新型有以下技术效果：

本实用新型采用pierce型振荡电路，saw传感器易自激振荡输出特定频率的正弦信号。进一步通过单一差值即测量支路信号频率的改变可以测出磁场强度大小。精度高，检测范围宽，无测试盲区；

采用混频法，将待检测信号维持在低频段，降低了系统频率测量与采集的难度；

滤波电路的引入，保证saw传感器谐振频率段的信号可以有效通过，增加了电路的可靠性。

综上所述，本实用新型结构简单，体积小，操作方便，造价低，电路稳定性高，检测磁场精度高、范围广、速度快，并可以推广至其它类型saw传感器信号采集使用。

附图说明

图1是本实用新型的电路原理框图；

图2是本实用新型第一振荡电路的电路原理图；

图3是本实用新型第二振荡电路的电路原理图；

图4是本实用新型混频电路的电路原理图；

图5是本实用新型放大整形电路的电路原理图；

图6是本实用新型频率测量电路的电路原理图。

附图标记说明：

1-第一振荡电路；2-第二振荡电路；3-混频电路；4-放大整形电路；5-频率测量电路。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型进一步说明：

如图1所示，本实用新型包括依次连接的振荡电路1和2、混频电路3、放大整形电路4以及频率测量电路5；所述混频电路3的第一输入端连接输出saw传感器测量频率信号的振荡电路1，所述混频电路3的第二输入端连接输出saw传感器参考频率信号的振荡电路2；所述放大整形电路4与混频电路3的信号输出端if相连接；所述频率测量电路5主要由芯片stm32f103c8t6组成，所述芯片stm32f103c8t6的第16引脚连接放大整形电路4的信号输出端，芯片stm32f103c8t6可与pc端通信，通过数据采集程序将传感信息记录于pc端。

实际使用中，所述振荡电路1中的saw传感器镀有磁敏感薄膜，当外界磁场变化时，敏感薄膜的杨氏模量发生巨大改变，导致振荡电路1输出信号的频率发生变化；所述振荡电路2中的saw传感器无磁敏感薄膜，振荡电路2输出信号的频率不受外界磁场影响；测量支路与参考支路形成的差频信号进入后端信号处理与采集电路。

如图2和图3所示，所述振荡电路1包含电容c1、c2、c3、c4、c5、c6、c7、c8、c9和c10，电感l1、l2、l3、l4、l5和l6，电阻r1、r2和r3，5v直流电源，高频三极管2sc3357，以及4引脚saw传感器；所述电容c1和c2串联在saw传感器的谐振回路上，用来调节电路的谐振频率；所述电感l1与saw传感器并联，用来抵消saw传感器中的并联等效电容，所述电容c3作为反馈电容接在谐振网络与放大电路之间，所述电阻r2接在三极管2sc3357基极与地之间，所述电阻r3与电容c4并联接在三极管2sc3357发射极与地之间，所述电感l2、电阻r1、电感l3依次串联在三极管2sc3357集电极与基极之间，其中，所述电阻r1、r2、r3是用来设置高频三极管2sc3357的静态工作点，c4是旁路电容，l2和l3是扼流圈，所述电容c5和c6作为滤波电容并联接在5v直流电源负极与地之间，为抑制saw传感器的高频谐波分量，所述电容c7、电感l4、电容c8、电感l6、电容c10依次串联在saw传感器和电感l1连接端与输出端net1之间，所述电感l5与电容c9并联接在电容c8与电感l6之间，形成带通滤波网络，使振荡频率段的信号通过，滤除或衰减其它波段信号。所述振荡电路2包含电容c11、c12、c13、c14、c15、c16、c17、c18、c19和c20，电感l7、l8、l9、l10、l11和l12，电阻r4、r5和r6，5v直流电源，高频三极管2sc3357，以及4引脚saw传感器，接法与振荡电路1完全相同，不再赘述；

实际使用中，振荡电路采用5v直流稳压电源供电，通过引入闭环正反馈，使得电路能够起振在传感器的谐振点上，自激振荡而输出正弦波信号。通过带通滤波网络的信号筛选，振荡频率段的有效信号可以通过。

如图4所示，所述混频电路3主要包括混频器ad831和低通滤波器lfcn-255+；所述混频器ad831的第1引脚与电源正极+5v相接，所述混频器ad831的第2/3引脚通过电容c21与电源正极+5v相接且通过串联的电容c21和c34接地，所述混频器ad831的第4引脚接地，所述混频器的第5引脚接电源负极-5v且通过电容c22接地，所述混频器的第6引脚通过电容c23与振荡电路1的输出端net1相接且通过电阻r7接地，所述混频器的第7引脚通过电容c24接地，所述混频器的第8引脚接电源负极-5v且通过电容c25接地，所述混频器的第9引脚接电源正极+5v且通过电容c26接地，所述混频器的第10引脚通过电容c27与振荡电路2的输出端net2相接且通过电阻r8接地，所述混频器的第11引脚接地且通过电阻r8与振荡电路2的输出端net2相接，所述混频器的第12引脚接电源正极+5v且通过电容c28接地，所述混频器的第13引脚接地且通过电阻r8与振荡电路2的输出端net2相接，所述混频器的第14引脚通过电阻r9接电源正极+5v且通过串联的电阻r9和电容c29接地，所述混频器的第15引脚接电源负极-5v且通过电容c30接地，所述混频器的第16引脚通过串联的电阻r10和电容c31与所述低通滤波器lfcn-255+的第0引脚相接，所述低通滤波器lfcn-255+的第1引脚和第3引脚接地、第2引脚为混频信号输出端if，所述混频器的第17引脚通过电阻r11与第16引脚相接且通过电阻r12与第18引脚相接，所述混频器的第18引脚通过电阻r14接电源正极+5v且通过并联的电容c32和电阻r13接地，所述混频器的第19引脚和第20引脚通过电容c33接电源正极+5v且通过串联的电容c33和c34接地。

实际使用中，混频电路3采用±5v双电源供电。混频电路3输出信号中包含和频成分与差频成分，低通滤波器lfcn-255+可以将高频的和频信号滤除，保留反映磁场强度的差频信号，保证了输出低频信号的稳定，便于计数测频率。

如图5所示，所述放大整形电路4主要包括运算放大器lm318和电压比较器lm311；混频电路信号输出端if通过串联的电容c35和电阻r15与所述运算放大器lm318的第3引脚相接，所述运算放大器lm318的第2引脚通过电阻r16接地，所述运算放大器lm318的第4引脚接电源负极-5v，所述运算放大器lm318的第4引脚通过电阻r18与所述电压比较器lm311的第3引脚相接，且通过串联的电阻r16和电阻r17接地，所述运算放大器lm318的第7引脚接电源正极+5v，所述电压比较器lm311的第2引脚通过电阻r19接地，所述电压比较器lm311的第4引脚接地，所述电压比较器lm311的第7引脚通过电阻r20接电源+5v，所述电压比较器lm311的第6引脚为放大整形电路的信号输出端net3。

实际使用中，所述混频电路3输出幅度较小的正弦信号，无法直接对其计数测量。所述放大整形电路4对低频正弦波形进行变换，所述运算放大器lm318采用±5v双电源进行供电，所述电压比较器lm311采用5v单电源进行供电，电路输出具有高低电平的脉冲方波信号。之后可采用计数法，通过单片机/fpga测其频率。

如图6所示，所述频率测量电路4主要由芯片stm32f103c8t6组成；所述芯片的第1引脚通过电阻r21与3.3v电平相接，所述芯片的第2引脚通过电阻r22与led相接，led另一端接3.3v电平，所述芯片的第3引脚和第4引脚接32.768khz晶振电路，该晶振电路包括晶振y1、电容c37和电容c38，晶振y1与芯片的第3引脚、第4引脚相接，电容c37和电容c38一端与晶振y1相接，另一端共同接地，所述芯片的第5引脚和第6引脚接8mhz晶振电路，该晶振电路包括晶振x1、电阻r23、电容c39和电容c40,晶振x1与芯片的第5引脚、第6引脚相接，电阻r23并联接在晶振x1和芯片的第5引脚、第6引脚之间，电容c39和电容c40一端与晶振x1相接，另一端共同接地。所述芯片的第8引脚接地，所述芯片的第9引脚通过电阻r24接3.3v电平，所述芯片的第16引脚与放大整形电路的信号输出端net3相接，所述芯片的第20引脚通过电阻r25接地，所述芯片的第23引脚接地，所述芯片的第24引脚接3.3v电平，所述芯片的第32引脚和第33引脚分别与usb接口的第2引脚和第3引脚相连，usb接口的第1引脚通过电阻r26接5v电平，usb接口的第3引脚通过电阻r29接3.3v电平，usb接口的第5引脚接地，所述芯片的第35引脚接地，所述芯片的第36引脚接3.3v电平，所述芯片的第7引脚、第34引脚、第37引脚、第38引脚、第39引脚、第40引脚分别与jtag接口的第15引脚、第7引脚、第9引脚、第5引脚、第13引脚、第3引脚相接，jtag接口的第1引脚和第2引脚接3.3v电平，jtag接口的第4引脚、第6引脚、第8引脚、第10引脚、第12引脚、第14引脚、第16引脚、第18引脚、第20引脚全部接地，所述芯片的第44引脚通过电阻r30接地，所述芯片的第47引脚接地，所述芯片的第48引脚接3.3v电平。

实际使用中，所述芯片stm32f103c8t6采用5v直流稳压电源供电。通电后，led点亮提示供电正常。其中，晶振电路为芯片提供基准时钟，通过jtag接口可以将频率测量程序写入芯片stm32f103c8t6，并能实时调试程序，通过芯片内部定时器的输入捕获功能，代表外界磁场强度的频率差值可以被测出。通过labview编写的程序采集芯片经usb通信接口发送到pc端的频率差值，便实现了saw磁场传感器对磁场强度的测量。