一种无线磁感应透地通信装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种无线磁感应透地通信装置，利用多组磁场发生器和磁传感器实现全双工通信，当存在多个收发装置时可采用多频率传输的方法，还可以合理匹配发射装置与接收装置的位置，对接收信号的强度进行排序，使用带通滤波器滤除多余信号提取有用信号。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及无线通信
，涉及一种无线磁感应透地通信装置。
技术介绍
透地通信整个矿山通信中系统的主干，是连接井上和井下的重要环节，在矿山应急救援中是连接被困矿工与救援人员的枢纽。矿山环境复杂，空间狭窄不宜布设过多线缆，无线通信系统较有线通信系统在一定程度上灵活性高，没有过多的线缆，能够减少因线缆损坏造成的通信故障概率。传统的透地通信系统利用电磁波作为载体传播信号，由于电磁波在含有水分的土壤中受到的干扰较大，国内外的透地通信系统采用甚低频，超低频的方法来提高通信距离。工作频率的降低使得发射和接收天线的尺寸变大，在井下通常没有足够的空间来布置这些天线。磁感应(Magnetic Induction)通信技术有以下优点：1)土壤、煤岩、水等地下信号传输介质的磁导率与空气的磁导率几乎一样，不会随时间和空间而变化，因此信道稳定；2)信号通过磁场耦合到接收端，因此不存在多路径损耗的问题；3)发射机和接收机使用小线圈作为天线，尺寸大小可以根据工作环境改变，不存在天线尺寸过大的问题。但磁场的衰落速率较电磁波要快，因此磁感应通信的问题是信号的传播距离短。磁传感器广泛用于现代工业和电子产品中以感应磁场强度来测量电流、位置、方向等物理参数。在现有技术中，有许多不同类型的传感器用于测量磁场和其他参数，例如采用霍尔(Hall)元件，各向异性磁电阻(Anisotropic Magneto resistance,AMR)元件或巨磁电阻(Giant Magneto resistance,GMR)元件为敏感元件的磁传感器。TMR(Tunnel Magneto Resistance)元件是近年来开始工业应用的新型磁电阻效应传感器，通常也用磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)来代指TMR元件。其利用的是磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应对磁场进行感应，比之前所发现并实际应用的异性磁电阻(Anisotropic Magneto resistance,AMR)元件或巨磁电阻(Giant Magneto resistance,GMR)元件具有更大的电阻变化率。TMR技术主要用于计算机硬盘的读出磁头、MRAM和各类磁传感器。近年来，TMR开始用于电流传感器、角度传感器等，展示出十分诱人的应用前景。
技术实现思路
针对目前矿用透地通信装置透地距离短，通信信道不稳定的问题，本技术提出一种基于磁感应技术的矿用长距离无线磁感应透地通信装置，该透地通信系统能够在低功耗的条件下适应矿井内空间狭窄、电磁干扰大的环境，实现长距离稳定实时语音、控制等信号的传输。本技术是通过以下技术方案实现的：一种无线磁感应透地通信装置，以信号传输方向顺序设置有发射端和接收端，发射端包括顺次连接的基带信号处理器Ⅰ、二进制差分相位调制器、功率放大器Ⅰ和铁氧体磁场发生器；接收端包括顺次连接的磁场传感器、功率放大器Ⅱ、噪声消除滤波器、二进制差分相位解调器和基带信号处理器Ⅱ；基带信号处理器Ⅰ，接收来自各传感器节点信号，通过抽样量化编码的方式把模拟信号转化为数字信号，并整合数字信号便于后续处理，然后进行低数据速率的编码；二进制差分相位调制器，对基带信号处理器输出的信号进行调制，以适应磁通信频率低，频带窄的特点；功率放大器Ⅰ，把调制后的信号进行功率放大，以增大磁信号的透地距离，增大通信范围；铁氧体磁场发生器，把放大后的电信号转换为磁信号，磁场信号携带信息透地传输；磁场传感器，接收磁场信号并转换成电信号；功率放大器Ⅱ，将磁场传感器所产生的微弱电信号中的有用信号进行放大；噪声消除滤波器，滤除磁传感器接收的信号中地磁所产生的噪声；二进制差分相位解调器Ⅱ，携带信息的信号通过解调变成利于处理的基带信号；基带信号处理器Ⅱ，将有用信号译码并发送给用户；所述铁氧体磁场发生器和磁场传感器构成磁感应透地通信信道。所述铁氧体磁场发生器由圆柱状铁氧体芯，铜线圈，电流输入和输出端组成，所述铜线圈的铜线直径为0.81mm，外部附着着45μm厚的聚四氟乙烯绝缘层，铜线按逆时针方向缠绕在铁氧体芯上，线圈为200匝，整个铁氧体磁场发生器的直径为0.18m；所述铁氧体芯的材料为锰锌合成材料。所述铁氧体磁芯的磁导率为10000，在磁场方向1000m处达到10-10T的磁场强度。所述铁氧体磁场发生器的铜线圈电感L和可变电容器C组成LC谐振回路作为信号发射电路，发射电路中的电感L、电容C参数受到铁氧体芯和土壤的介电常数和螺旋线圈的几何形状的影响，所述铜线圈采用多匝圆形线圈，由于装置的工作频率较低，所以不考虑寄生效应，包括趋肤效应，邻近效应，寄生电容(可能会发生在工作频率非常高的时候)。线圈的电感L具有非线性特性，铜线圈电感L随铁氧体芯中的磁化电流变化而变化，电容值为其中，f为工作频率；根据毕奥-萨伐尔定律Biot-Savartlaw，圆形线圈所产的磁感应强度计算公式为： B = μ r μ 0 R 2 N i 2 ( z 2 + R 2 ) 3 / 2 ]]>其中，μr铁氧体磁导率，μ0为土壤介质的磁导率，z为通信距离，R为线圈半径，i为线圈中的电流，N为线圈匝数。当电路发生谐振时，线圈电流达到最大，这时线圈产生的磁场强度变化范围最大，假设谐振频率为1kHz，LC＝2.53×10-8时，对于匝数固定的线圈可以得出L为46.4H，在铁氧体磁场发生器中工作频率1kHz时，所需的电容(C)近似为0.55nF。所述磁场传感器由两个磁电阻TMR、稳恒偏置电压Vbias、接地端GND和输出端组成接收电路，两个磁电阻TMR串联，其电路的一端施加稳恒偏置电压Vbias，另一端为接地端GND，在两个磁电阻TMR的对称中心引出信号输出端以输出电压信号Vout。磁电阻TMR传感器能够检测1×10-10T强度的磁场，在同一外磁场的作用下，一个磁电阻的阻值增加的同时另一个的阻值会随之降低，施加相反方向的外场会使一个磁电阻的阻值降低的同时另一个的阻值会随之增加。在理想情况下的磁电阻TMR随外场H的变化是完美的线性关系，同时没有磁滞，在实际情况下，磁电阻的响应曲线随外场变化具有滞后的现象，我们称之为磁滞。磁电阻的响应曲线为一个回路，通常作为应用的磁电阻材料的磁滞很小，在实际使用中可以看做一个完美的线性曲线。在现实应用的传感器领域，由于磁传感本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无线磁感应透地通信装置，以信号传输方向顺序设置有发射端和接收端，其特征在于，发射端包括顺次连接的基带信号处理器Ⅰ、二进制差分相位调制器、功率放大器Ⅰ和铁氧体磁场发生器；接收端包括顺次连接的磁场传感器、功率放大器Ⅱ、噪声消除滤波器、二进制差分相位解调器和基带信号处理器Ⅱ；基带信号处理器Ⅰ，接收来自各传感器节点信号，通过抽样量化编码的方式把模拟信号转化为数字信号，并整合数字信号便于后续处理，然后进行低数据速率的编码；二进制差分相位调制器，对基带信号处理器输出的信号进行调制，以适应磁通信频率低，频带窄的特点；功率放大器Ⅰ，把调制后的信号进行功率放大，以增大磁信号的透地距离，增大通信范围；铁氧体磁场发生器，把放大后的电信号转换为磁信号，磁场信号携带信息透地传输；磁场传感器，接收磁场信号并转换成电信号；功率放大器Ⅱ，将磁场传感器所产生的微弱电信号中的有用信号进行放大；噪声消除滤波器，滤除磁传感器接收的信号中地磁所产生的噪声；二进制差分相位解调器Ⅱ，携带信息的信号通过解调变成利于处理的基带信号；基带信号处理器Ⅱ，将有用信号译码并发送给用户；所述铁氧体磁场发生器和磁场传感器构成磁感应透地通信信道。...

【技术特征摘要】
1.一种无线磁感应透地通信装置，以信号传输方向顺序设置有发射端和接收端，其特征在于，发射端包括顺次连接的基带信号处理器Ⅰ、二进制差分相位调制器、功率放大器Ⅰ和铁氧体磁场发生器；接收端包括顺次连接的磁场传感器、功率放大器Ⅱ、噪声消除滤波器、二进制差分相位解调器和基带信号处理器Ⅱ；基带信号处理器Ⅰ，接收来自各传感器节点信号，通过抽样量化编码的方式把模拟信号转化为数字信号，并整合数字信号便于后续处理，然后进行低数据速率的编码；二进制差分相位调制器，对基带信号处理器输出的信号进行调制，以适应磁通信频率低，频带窄的特点；功率放大器Ⅰ，把调制后的信号进行功率放大，以增大磁信号的透地距离，增大通信范围；铁氧体磁场发生器，把放大后的电信号转换为磁信号，磁场信号携带信息透地传输；磁场传感器，接收磁场信号并转换成电信号；功率放大器Ⅱ，将磁场传感器所产生的微弱电信号中的有用信号进行放大；噪声消除滤波器，滤除磁传感器接收的信号中地磁所产生的噪声；二进制差分相位解调器Ⅱ，携带信息的信号通过解调变成利于处理的基带信号；基带信号处理器Ⅱ，将有用信号译码并发送给用户；所述铁氧体磁场发生器和磁场传感器构成磁感应透地通信信道。2.根据权利要求1所述的一种无线磁感应透地通信装置，...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙彦景，吴天琦，李松，蔡黎，江海峰，王艳芬，翟文艳，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：新型
国别省市：江苏;32