CN102043136B - 一种磁传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁传感器，包括一端固定的传感器本体以及与传感器本体相连接的检测电路；所述的传感器本体包括铁磁性材料片以及通过界面的连接与铁磁性材料片复合的压电片；所述的检测电路包括依次连接的线圈、振荡器、乘法器和低通滤波器；所述的线圈用于在铁磁性材料片中产生交流的磁信号；所述的压电片的电压输出与乘法器连接。该磁传感器可用于探测直流磁信号或者低频磁信号，具有成本低、精度高，应用范围广泛的优点。

Description

一种磁传感器
技术领域
本发明涉及电子器件领域，具体涉及一种可探测直流磁信号和低频磁信号的磁传感器。
背景技术
传感器技术已经成为制约现代化进步的一项重要技术，而传感器的发展经历了从普通到高精度的，昂贵到大众化的一个发展过程，发展高精度、廉价、低功耗的传感器已经成为目前传感器发展的一个大趋势。
磁传感器作为传感器大类中的一种，在现代科学技术的发展中扮演着越来越重要的作用。从类型上分，磁传感器可以分为：感应线圈型、霍尔效应型、磁电阻型(AMR或GMR)、磁隧道型(MTJ或SDJ)、磁光泵型、磁二极管型、磁三极管型、原子磁力型、磁通门型、磁电型、超导量子干涉型(SQUID)等。这些传感器都有其自身的优缺点，针对超低频(如频率低于10Hz乃至直流)探测而言，最高精度的传感器目前是SQUID，然而SQUID需要在低温下工作，且价格昂贵，很难得到普遍应用；室温下低频探测精度比较高的磁传感器有原子磁力型、磁通门型、磁电阻型、磁光泵型、磁电型磁传感器等，然而，这些类型的磁传感器价格昂贵，制约了普遍应用。因而，有必要开发新的磁传感器技术。
发明内容
本发明提供了一种成本低且精度高的磁传感器。
一种磁传感器，包括一端固定的传感器本体以及与传感器本体相连接的检测电路；
所述的传感器本体包括铁磁性材料片以及通过界面的连接与铁磁性材料片复合的压电片；
所述的检测电路包括依次连接的线圈、振荡器、乘法器和低通滤波器；
所述的线圈用于在铁磁性材料片中产生交流的磁信号；
所述的压电片的电压输出与乘法器连接。
所述的传感器本体一端固定，可以在任意空间朝向摆放，以获得大的磁扭矩。
所述的铁磁性材料片采用本领域通用的铁磁性材料片，优选相对磁导率高于10的铁磁性材料的片状体，如可选用硅钢片、非晶片、坡莫合金片、铁片、镍片、钴片、铁钴合金片、铁镍合金片等中的一种。
所述的压电片采用本领域通用的压电材料片，优选压电系数d33在10pC/N以上的压电片，如可选用压电陶瓷片、压电单晶片或者压电薄膜等。
所述的线圈采用本领域通用的能够提供磁场的线圈或类线圈型电路，如可选用铜线线圈、在线路板上布线形成的类线圈型电路(如PCB板上的Z型走线、蛇行走线等)等中的一种。
所述的振荡器、乘法器、低通滤波器均采用现有的元器件。振荡器可以产生幅值和频率稳定的交流信号，本发明利用振荡器产生锁相信号和线圈的驱动信号；乘法器用于对两个输入端的信号进行乘法运算；低通滤波器用于将输入的信号进行频率的低通滤波。
所述的振荡器的频率远大于低通滤波器的频率。
所述的界面的连接的方式可选用胶粘、共烧等中的一种。
所述的磁传感器可用于探测直流磁信号或者低频磁信号。
所述的低频磁信号中的磁场的频率小于所述的低通滤波器的频率。
所述的直流磁信号或者低频磁信号中的直流磁场或者低频磁场与所述的线圈的磁场的夹角大于0°小于180°。
本发明磁传感器工作原理如下：
1、检测电路中的振荡器驱动线圈产生与振荡器的频率同频率的交流磁场，该交流磁场在传感器本体的铁磁性材料片中产生一种与振荡器的频率同频率的交流磁矩。
2、当待探测的直流磁场或者低频磁场与交流磁矩作用时，产生一种交流磁扭矩(交流磁扭矩等于磁矩与磁场的叉乘)，具体为两种频率信息的任意叠加，两种频率信息即：振荡器的频率与待探测的直流磁场或者低频磁场的频率之和，作为第一频率信息；振荡器的频率与待探测的直流磁场或者低频磁场的频率之差，作为第二频率信息。
3、交流磁扭矩通过铁磁性材料片与压电片的界面作用把力传递给压电片，从而使得压电片产生一种包含有第一频率信息和第二频率信息两种频率叠加信息的输出电压。
4、输出电压与来自振荡器的与振荡器的频率同频率的锁相信号通过乘法器相乘后成为三种频率信号的任意叠加，三种频率信号即2倍的振荡器的频率与待探测的直流磁场或者低频磁场的频率之和，作为第一频率信号；2倍的振荡器的频率与待探测的直流磁场或者低频磁场的频率之差，作为第二频率信号；待探测的直流磁场或者低频磁场的频率，作为第三频率信号。
5、三种频率信号的任意叠加经过低通滤波器，第一频率信号和第二频率信号因远大于低通滤波器的频率而被滤除，低通滤波器的输出电压信号只剩下与待探测的直流磁场或者低频磁场的频率相关的信息量了，从而通过低通滤波器的输出电压信号来读出待探测的直流磁信号或者低频磁信号的磁场和频率。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明磁传感器基于所探测的磁场或所加载的磁场在铁磁性材料中将产生交流磁扭矩，并将此交流磁扭矩作用在压电片上，从而输出电压的特点，采集所探测的磁场或所加载的磁场；在检测方法上，采用了锁相探测的技术，将被调制的低频磁信号轻易分离出来，从而获得较高的检测精度，一般可获得大约10nT的磁探测精度。
本发明磁传感器可以在室外轻易探测出1米外的一把剪刀所造成的直流磁场改变。
本发明磁传感器成本低、精度高，应用范围广泛，其原理不同于现有的磁传感器，为磁传感器的发展提供了一个全新的理念，将对我国磁传感器的发展起到积极的推动作用。另外，由于本发明磁传感器的制作工艺简单，也比较容易实现工业化生产。
附图说明
图1为本发明磁传感器的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明磁传感器包括一端固定的传感器本体以及与传感器本体相连接的检测电路；传感器本体包括铁磁性材料片2以及通过502胶水与铁磁性材料片2粘接的压电片1；铁磁性材料片2为一片普通的硅钢片，压电片1为一片普通的型号为PZT5的压电陶瓷片。
检测电路包括依次连接的线圈3、振荡器4、乘法器5和低通滤波器6。
线圈3为普通的铜线绕置的线圈，振荡器4为一常见的文氏正弦波振荡电路，乘法器5为AD835，低通滤波器6为普通的运算放大电路如TL082构成的KRC低通滤波器，振荡器4的频率远大于低通滤波器6的频率。振荡器4可以产生幅值和频率稳定的交流信号，利用振荡器4产生锁相信号Vref和线圈3的驱动信号；乘法器5用于对两个输入端的信号进行乘法运算；低通滤波器6用于将输入的信号进行频率的低通滤波。
振荡器4给线圈3供电，同时也作为乘法器5的一个输入端，乘法器5的另外一个输入端与压电片1的电压输出Vo1相连，线圈3用于在铁磁性材料片2中产生交流的磁信号。
当存在直流磁信号(直流时频率为0)或者低频磁信号(低频磁信号中的磁场的频率小于低通滤波器6的频率)时，将直流磁信号或者低频磁信号中的直流磁场或者低频磁场Hdc以与线圈3的磁场Hac的夹角大于0°小于180°的角度(如90°的角度)作用在铁磁性材料片2上，通过待测直流磁场或者低频磁场Hdc与给定的线圈3的磁场Hac在铁磁性材料片2中发生磁扭矩作用，这种磁扭矩作用到压电片1上，从而产生电压输出Vo1。通过测量低通滤波器6的输出Vo即可获得与直流磁场或者低频磁场Hdc相对应的电压值，以读出待探测的直流磁信号或者低频磁信号的磁场和频率。
通过对存在直流磁信号或者低频磁信号进行标定，获得直流磁信号或者低频磁信号中正确的直流磁场或者低频磁场Hdc值和频率值。
将采用本发明磁传感器测得的直流磁信号或者低频磁信号的磁场和频率值与标定的正确值进行对比，发现本发明磁传感器最终获得大约10nT的磁场测量精度。表明本发明磁传感器可用于探测直流磁信号或者低频磁信号。
结合图1，本发明磁传感器工作原理如下：
1、检测电路中的振荡器4(频率为ω1，相对于待探测的磁信号的频率来说高很多，一般都是1kHz以上)将驱动线圈3产生与振荡器4的频率同频率(频率为ω1)的交流磁场Hac，该交流磁场Hac将在传感器本体的铁磁性材料片2中产生一种与振荡器4的频率同频率(频率为ω1)的交流磁矩mac。
2、当待探测的磁信号：直流磁场或者低频磁场Hdc(频率为ω2，直流时ω2＝0)与交流磁矩mac作用时，将产生一种交流磁扭矩τac(等于磁矩与磁场的叉乘)，τac是两种频率信息的任意叠加，即：第一频率信息ωA＝ω1+ω2，第二频率信息ωB＝ω1-ω2。
3、交流磁扭矩τac将通过铁磁性材料片2与压电片1的界面作用把力传递给压电片1，从而使得压电片1产生一种包含有第一频率信息ωA和第二频率信息ωB两种频率叠加信息的输出电压Vo1。
4、输出电压Vo1与来自振荡器4频率为ω1的锁相信号Vref通过乘法器5相乘后成为电压Va，电压Va为三种频率信号的任意叠加，即第一频率信号ωC＝2ω1+ω2，第二频率信号ωD＝2ω1-ω2和第三频率信号ω2。
5、电压Va经过低通滤波器6(低通截止频率远低于ω1，但高于ω2)，第一频率信号ωC和第二频率信号ωD将被滤除，输出电压Vo信号只剩下与第三频率信号ω2即待探测的直流磁场或者低频磁场Hdc相关的信息量了，从而通过低通滤波器6的输出电压Vo信号来读出待探测的直流磁信号或者低频磁信号的磁场Hdc和频率ω2。

Claims (6)

1.一种磁传感器，其特征在于，所述的磁传感器包括一端固定的传感器本体以及与传感器本体相连接的检测电路；
所述的传感器本体包括铁磁性材料片以及通过界面的连接与铁磁性材料片复合的压电片；
所述的检测电路包括依次连接的线圈、振荡器、乘法器和低通滤波器；
所述的线圈用于在铁磁性材料片中产生交流的磁信号；
所述的压电片的电压输出与乘法器连接；
振荡器产生锁相信号和线圈的驱动信号；乘法器用于对两个输入端的信号进行乘法运算；低通滤波器用于将输入的信号进行频率的低通滤波，振荡器给线圈供电，同时也作为乘法器的一个输入端，乘法器的另外一个输入端与压电片的电压输出相连；
当存在直流磁信号或者低频磁信号中的磁场的频率小于低通滤波器的频率时，将直流磁信号中的直流磁场或者低频磁信号中的低频磁场以与线圈的磁场的夹角大于0°小于180°的角度作用在铁磁性材料片上，通过待测直流磁场或者低频磁场与给定的线圈的磁场在铁磁性材料片中发生磁扭矩作用，这种磁扭矩作用到压电片上，从而产生电压输出；通过测量低通滤波器的输出获得与直流磁场或者低频磁场相对应的电压值，以读出待探测的直流磁信号或者低频磁信号的磁场和频率。
2.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，所述的铁磁性材料片为相对磁导率高于10的铁磁性材料的片状体。
3.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，所述的压电片的压电系数d33在10pC/N以上。
4.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，所述的线圈为铜线线圈、在线路板上布线形成的类线圈型电路中的一种。
5.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，所述的振荡器的频率远大于低通滤波器的频率。
6.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，所述的界面的连接的方式为胶粘、共烧中的一种。
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