CN100403050C - 巨磁阻抗磁场传感器 - Google Patents

Abstract

本发明的巨磁阻抗磁场传感器属于弱磁场测量装置技术领域。由非晶带5，科比茨振荡电路1，前置放大器2，整流电路3和调零输出放大器4构成；所说的科比茨振荡电路1是由截止频率为3～60MHz的晶体管构成，基极与直流电源V_cc间和基极与地间的两个分压电阻15、16阻值相等；频率为1～20MHz的晶体振荡器6和起振电容10串接在基极与地之间；非晶带5作射极负载的一部分存在。本发明科比茨振荡电路稳频振荡；工作时晶体管射极直流电压量稳定；具有单峰的巨磁阻抗变化率随磁场变化曲线，装置测量范围大。本发明电子线路简单、结构紧凑小巧、经济方便实用，可广泛应用于生产科研各领域磁场测量。

Description

巨磁阻抗磁场传感器

技术领域

本发明属于弱磁场测量装置技术领域，特别涉及一种巨磁阻抗(GMI)磁场测量传感器。

背景技术

磁场测量在生产科研各领域是一个重要问题，现在有很多的新技术和新材料都应用到磁场测量的装置上。最常用的磁场传感器有霍尔(Hell)传感器，磁通门传感器，振动或转动线圈等，但这些传感器都有一定的缺陷。霍尔器件输出信号变化小，测量磁场时还有一定的磁场方向各向异性，适用于中强磁场测量；磁通门和检测线圈测磁场，对线圈绕制特别精确，信号处理要求较高；而且上述传感器的电路太过复杂，成本较高。

与本发明相近的现有技术是刊登在《Sensors and Actuators A 59(1997)1-8》上的题目为“Recent advances of micro magnetic sensors and sensing application”的文章。公开的传感器由退火的CoFeSiB或CoSiB或CoFeMoSiB材料的非晶丝或非晶带、以该非晶丝(带)为分压元件的科比茨(Colpitts)振荡电路、整流电路、放大电路等构成。

背景技术的科比茨振荡电路如图1中所示。图1中V表示直流电源，R_m为非晶丝，H_ex为外加磁场，C₁，C₂为反馈电容，E_out为输出电压。当电路起振时，有高频交流信号通过R_m，其上的电压信号为E_f，振荡频率f；

$f=\sqrt{\frac{1}{C_2}+(1+\frac{r}{R_o})\frac{1}{C_1}}/2\mathrm{\π}\sqrt{L}$

其中，R₀为电路固有的输入电阻；L为R_m的电感量，r为R_m的直流电阻，R_m的阻抗值Z＝r+2πjfL，在电路中非晶丝R_m连接在晶体管的基极和集电极之间，作分压元件存在。当有外磁场H_ex作用于R_m时，R_m的阻抗值Z将发生变化，其中，r和L都要变化，这样振荡频率f也会变化，但非晶材料的阻抗值Z变化，即，巨磁阻抗变化率(简写为GMI率)是外场H_ex和驱动电流频率f的函数，当二者都变化时，无法保证非晶材料的阻抗值Z变化(GMI率)是有规律的。

背景技术中所提电路，R(30Ω～300Ω)，Re(3Ω～30Ω)，驱动电流频率f为高频(15MHz～400MHz)，与其它元件相耦合产生较大的噪声。背景技术有较高的灵敏度，达到10～100％/Oe，最小分辨磁场为10^-6Oe，但测量范围在5Oe以下。

发明内容

本发明基于非晶软磁条带所具有的巨磁阻抗(GMI)效应，设计的磁场传感器，很好的解决了巨磁阻抗变化率与被检测磁场一一对应、噪声低、扩大测量范围的问题；并且使本发明结构小巧，方便实用。

巨磁阻抗磁场传感器原理是，电路中在非晶带加载高频的交流信号，非晶带两端会有相应的高频电压信号；当外加磁场作用于非晶带上时，非晶带的交流阻抗会发生变化，相应两端的电压也会变化，可用此高频电压信号变化来反映磁场变化。

本发明由非晶带，科比茨振荡电路，前置放大器，整流电路和调零输出放大器构成；前置放大器输入端接非晶带两端，前置放大器放大的信号由输出端接整流电路，整流电路将高频交流信号转化为二倍于交流信号峰值的直流信号，再接调零输出放大器；整个传感器用非铁磁性金属壳屏蔽；所说的科比茨振荡电路是由截止频率为3～60MHz的晶体管构成，基极与直流电源V_cc间和基极与地间的两个分压电阻阻值相等；频率为1～20MHz的晶体振荡器(晶振)和起振电容串接在基极与地之间；所说的非晶带是含锆的铁基或/和含锆的钴基材料的，其一端接地，另一端与负载电阻串联后连接晶体管的发射极，非晶带作射极负载的一部分存在。

本发明的非晶带(5)是不用退火处理的，具有单峰的巨磁阻抗变化率(GMI率)随磁场变化曲线，灵敏度最好大于1％/Oe。比如采用CoZrB、FeZrB、FeCoZrB等材料的非晶带。

晶体振荡器(晶振)的频率范围最好在1～12MHz，最佳频率范围是2～5MHz。可以使用石英晶振。

本发明由于在科比茨电路中引入了晶体振荡器(晶振)使电路稳频振荡；采取稳定晶体管(9)基极静态工作点的设计，两个分压电阻相等，工作时晶体管射极直流电压量稳定；由于采用含锆的铁基或/和含锆的钴基材料的不退火的非晶带，并作为射极负载的一部分，具有单峰的巨磁阻抗变化率(GMI率)随磁场变化曲线，使装置测量范围变大，可以测量2～50Oe的弱磁场。本发明电子线路简单、结构紧凑小巧、经济方便实用，可广泛应用于生产科研各领域磁场测量。

附图说明

图1背景技术的GMI磁场传感器电路图。

图2本发明的GMI磁场传感器电路图。

图3本发明的Co₇₂Zr₈B₂₀非晶带的GMI率随磁场变化曲线。

图4本发明的非晶带上的电压信号(a)和经前置放大器放大信号(b)。

图5本发明的电压随磁场变化输出曲线。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体结构和工作方式

实施例1

图2中，1为科比茨(Colpitts)振荡电路，2为前置放大器，3为整流电路，4为调零输出放大器，5为非晶带，6为晶振，7为反馈电容C₁，8为反馈电容C₂，9为晶体管，10为起振电容C₃，11为高频运算放大器，12、13为两个整流二极管，14为运算放大器，15、16为两个阻值相等的分压电阻，17为可变电阻器，18为射极限流电阻，19为滤波电容，20为稳压电容。

科比茨振荡电路1的供电电压Vcc可以为12V，采取稳定晶体管9基极静态工作点的设计，由于两个分压电阻15、16阻值相等，则晶体管9极基静态工作电压为6V，晶体管9射极静态工作电压稳定在5.3V左右；非晶带5采用CoZrB或FeZrB或FeCoZrB材料的，作为射极负载的一部分和射极限流电阻18接入电路，非晶带5直流电阻约3Ω，射极限流电阻18为390Ω；科比茨振荡电路1稳频振荡，振荡频率为晶振6的频率3.5795MHz；调节反馈电容C₁和反馈电容C₂，使射极输出稳定的正弦信号；非晶带5由于有较大的交流阻抗而两端产生一定的交流电压信号，参见图4(a)；此信号在经主要由高频运算放大器11构成的前置放大器2放大，参见图4(b)，放大后的交流信号连接到主要由两个整流二极管12、13构成的整流电路3，将高频交流信号转化为二倍于交流信号峰值的直流信号；这个直流电压信号再接入主要由运算放大器14构成的调零输出放大器4输入端，在无外磁场的情况下，稳定后调节可变电阻器17使运算放大器14的正输入端电压与负输入端电压相等，则调零输出放大器4输出的电压值为0。

当有外加磁场作用于非晶带5上时，非晶带5的交流阻抗值会发生变化，参见图3，图3中ΔZ/Z为巨磁阻抗变化率(GMI率)，ΔZ/Z＝(Z(H)-Z(H_sat)/Z(H_sat)×100％，其中，Z(H)为在任意磁场下非晶带5的交流阻抗值，Z(H_sat)为非晶带5磁化至饱和后交流阻抗值。非晶带5上的交流电压信号幅值也会随交流阻抗的变化而变化(交流电压信号的频率不变化)，所以，此信号在经前置放大器2和整流电路3输出到调零输出放大器4，输入端的信号与原来的信号的差便会放大输出，该信号差与非晶带5接受的外磁场大小有对应关系，从而测得了信号差的大小便测得了外磁场的大小。

如果将调零输出放大器4输入端的信号与原来的信号的差再接A/D转换及微处理器进行磁场值的数字显示，可达到直接显示磁场测量数据的功能。

实施例2

给出各部分电路元件数据的一个实施方式。

图2中的科比茨振荡电路1，非晶带5为厚10um～40um，宽1mm～2mm，长60mm～200mm，具有巨磁阻抗(GMI)效应，且灵敏度大于1％/Oe，可以采用Co₇₂Zr₈B₂₀非晶带；晶体管9使用2SC1815型号的高频晶体管，其截止频率f_T大于晶振6频率5倍。晶振6的频率为1MHz以上，起振电容C₃为15pF～10nF均可起振。两个分压电阻15、16可以选用10kΩ；射极限流电阻18为390Ω；反馈电容C₁为1000pF～2200pF，反馈电容C₂为60pF～200pF，且反馈电容C₁与反馈电容C₂的比值在2到25之间。科比茨振荡电路的振荡频率即是晶振6的频率。

图2中的前置放大器2，应选用增益带宽积GBP为晶振6频率5倍以上，失调电压4mV以下的高频运放。高频运算放大器11可选用LM318。

图2中的整流电路3中，整流二极管12选用肖特基二极管。

图2中的调零输出放大器4中，运算放大器14可选用op-07。

用本实施例的装置检测的输出电压与非晶带5上施加的被测磁场的关系曲线见图5。按图5所示的电压随磁场变化输出曲线，磁场沿非晶带正方向和反方向的电压输出曲线在2～50Oe的范围内重合，说明本发明可在量程内无差别准确测量正反方向的磁场。

Claims (3)

1.一种巨磁阻抗磁场传感器，由非晶带(5)，科比茨振荡电路(1)，前置放大器(2)，整流电路(3)和调零输出放大器(4)构成；前置放大器(2)输入端接非晶带两端，前置放大器(2)放大的信号由输出端接整流电路(3)，整流电路(3)将高频交流信号转化为二倍于交流信号峰值的直流信号，再接调零输出放大器(4)；整个传感器用非铁磁性金属壳屏蔽；其特征是，所说的科比茨振荡电路(1)是由截止频率为3～60MHz的晶体管构成，基极与直流电源Vcc间和基极与地间的两个分压电阻(15、16)阻值相等；频率为1～20MHz的晶体振荡器(6)和起振电容(10)串接在基极与地之间；所说的非晶带(5)是含锆的铁基或/和含锆的钴基材料的，其一端接地，另一端与负载电阻(18)串联后连接晶体管(9)的发射极。

2.按照权利要求1所述的巨磁阻抗磁场传感器，其特征是，所说的非晶带(5)是CoZrB或FeZrB或FeCoZrB材料的；所说的晶体振荡器(6)的频率范围是2～5MHz。

3.按照权利要求1或2所述的巨磁阻抗磁场传感器，其特征是，所说的非晶带(5)是Co₇₂Zr₈B₂₀材料的；所说的晶体振荡器(6)的频率是3.5795MHz。

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