CN102478646A - 基于非晶磁芯线圈的磁敏传感器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非晶磁芯线圈的磁敏传感器及其工作方法。传感器由非晶磁芯磁敏元件和工作电路组成，其中的非晶磁芯磁敏元件为片状非晶材料层叠构成的块状磁芯(1)外依次置有电感线圈(2)、绝缘层(3)和偏置线圈(4)，工作电路由偏置电路(5)、振荡电路(6)和测频电路(7)组成，电感线圈(2)为振荡电路(6)中的电感线圈；方法为先调节偏置线圈的工作电流，得到非晶磁芯磁敏元件处于磁场强度为1～200e下时的磁场强度H₀，再将非晶磁芯磁敏元件置于待测磁场中，并测得振荡电路输出的谐振频率f_x，接着，先由公式f_x＝5.94H_x+36.51得到谐振频率为f_x时的磁场强度H_x，再由公式ΔH_x＝H_x-H₀得到待测磁场的强度ΔH_x。它可广泛地用于对弱磁场进行高精度的测量。

Description

基于非晶磁芯线圈的磁敏传感器及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种磁敏传感器及工作方法，尤其是一种基于非晶磁芯线圈的磁敏传感器及其工作方法。

背景技术

在飞行器导航、导弹制导系统、医疗领域经常需要探测毫、纳特斯拉量级的微弱磁场。研制可探测包括毫特斯拉量级的地磁场、纳特斯拉量级的生物磁场在内的弱磁场测量的高灵敏度磁敏传感器具有重要的应用价值和广阔的市场前景。

近期，人们发现在室温下，非晶材料的巨磁阻抗(GMI)效应对弱磁场非常敏感，而且效应显著、响应速度快、灵敏度高、无磁滞，同时巨磁阻抗效应比巨磁电阻效应的磁场灵敏度高一个数量级，且温度稳定性好，几乎没有温度漂移。由此，为探索和拓展非晶材料巨磁阻抗效应的应用范围，人们作了一些尝试和努力，如在2008年10月17日中国优秀硕士学位论文全文数据库公开了郝景毅投稿网络出版的《基于GMI效应的弱磁传感器研究》的文章。该文第四章“传感器的结构及硬件电路分析”介绍了一种具有非晶磁芯的磁敏感元件，以及由其组成的基于GMI效应的弱磁传感器和该弱磁传感器的工作方法；其中，磁敏感元件的磁芯为非晶带状材料，其外依次缠绕有激励线圈、绝缘带、偏置线圈、绝缘带和反馈线圈；弱磁传感器由磁敏感元件和与其相配接的测压部件组成，其中的测压部件由信号发生电路，偏置电路，激励电路、反馈电路，检波、滤波、V/I转换电路、基准电压源和放大电路构成；该弱磁传感器的工作方法为在信号发生电路产生的高频激励信号的激励下，如果外界磁场有变化，则引发磁敏感元件的交流阻抗随之改变，从而引起磁敏感元件两端的电压发生变化，检波电路将发生变化的电压从载波中检出，再由后续电路经滤波、放大和与基准电压进行差分运算，得到随外界磁场变化而变化的电压值。但是，无论是弱磁传感器，还是其工作方法，都存在着不足之处，首先，弱磁传感器的结构复杂，一是磁敏感元件的工作线圈就多达3只，二是为磁敏感元件配套的工作电路——测压部件由多达9个功能电路组成，这些过多的元器件和电路既增加了功耗，又极易由此产生热漂移，致使测量工作不稳定和影响测量的精度；其次，工作方法为测量电压值，因易受外界多种因素的干扰，而极易造成测量的精度偏低。

发明内容

本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种结构简单，测量精度高的基于非晶磁芯线圈的磁敏传感器。

本发明要解决的另一个技术问题为提供一种上述基于非晶磁芯线圈的磁敏传感器的工作方法。

为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：基于非晶磁芯线圈的磁敏传感器由非晶磁芯磁敏元件和工作电路组成，特别是，

所述非晶磁芯磁敏元件为块状磁芯外依次置有电感线圈、绝缘层和偏置线圈，所述块状磁芯由片状非晶材料层叠构成；

所述工作电路由偏置电路、振荡电路和测频电路组成；

所述电感线圈为所述振荡电路中的电感线圈。

作为基于非晶磁芯线圈的磁敏传感器的进一步改进，所述的非晶材料为钴((Co_1-xFe_x)₇₀Si₁₅B₁₅)基非晶材料，或镍(Ni)基非晶材料，或铁(Fe)基非晶材料；所述的块状磁芯的块长为20mm、块宽为10mm、块高为10mm；所述的片状非晶材料的片长为20mm、片厚为0.1mm、片宽为3～10mm；所述的振荡电路为考毕兹振荡电路；所述的测频电路为等精度测频电路。

为解决本发明的另一个技术问题，所采用的另一个技术方案为：上述基于非晶磁芯线圈的磁敏传感器的工作方法包括向置于工作电路中的非晶磁芯磁敏元件输入信号和测量其输出，特别是，

步骤1，先调节偏置线圈的工作电流，得到非晶磁芯磁敏元件处于磁场强度为1～20Oe下时的磁场强度H₀，再将非晶磁芯磁敏元件置于待测磁场中，并测得由非晶磁芯磁敏元件的电感线圈参与组成的振荡电路输出的谐振频率f_x；

步骤2，先由公式f_x＝5.94H_x+36.51计算得到谐振频率为f_x时的磁场强度H_x，其中，f_x的单位为kHz，H_x为磁场强度在x方向上的分量值，其单位为Oe，x为三维空间的维数，其取值为1或2或3，再由公式ΔH_x＝H_x-H₀计算得到待测磁场的强度ΔH_x。

作为基于非晶磁芯线圈的磁敏传感器的工作方法的进一步改进，所述的先分别测得每维待测磁场的强度ΔH₁、ΔH₂和ΔH₃，再由公式

计算得到待测磁场的矢量强度ΔH。

相对于现有技术的有益效果是，其一，采用由非晶磁芯磁敏元件和工作电路组成磁敏传感器的技术方案，其中，非晶磁芯磁敏元件为片状非晶材料层叠构成的块状磁芯外依次置有电感线圈、绝缘层和偏置线圈，工作电路由偏置电路、振荡电路和测频电路组成，电感线圈为振荡电路中的电感线圈，既结构简单，又大大地降低了功耗，还极大地提高了测量的稳定性和精度；其二，测量方法采用测量随外界磁场变化而变化的谐振频率，不仅大大地减少了外界的干扰，还极大地提高了测量的精度；其三，经大量的试验证实，本发明的振荡电路——LC回路的谐振频率随外磁场变化的范围为：00e时约为40kHz，至60Oe时约为210kHz，其中谐振频率随外磁场变化最显著的变化范围，即电感线圈的磁场工作范围为1～20Oe。在此磁场工作范围内，磁场每变化10e(10^-4T)，谐振频率就会改变几万Hz，也就是说LC回路的谐振频率每变化1Hz，表征的磁场仅改变10^-9T，这也说明了本发明的测量精度高达nT的数量级。

作为有益效果的进一步体现，一是非晶材料优选为钴基非晶材料，或镍基非晶材料，或铁基非晶材料，不仅确保了非晶磁芯磁敏元件的品质，还使非晶材料的来源较为丰富；二是块状磁芯的块长优选为20mm、块宽优选为10mm、块高优选为10mm，片状非晶材料的片长优选为20mm、片厚优选为0.1mm、片宽优选为3～10mm，均保证了非晶磁芯磁敏元件性能的可靠发挥和质量的稳定；三是振荡电路优选为考毕兹振荡电路，测频电路优选为等精度测频电路，均确保了测量的精度。

附图说明

下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。

图1是本发明的一种基本结构示意图。

图2是本发明中的振荡电路输出的谐振频率随外磁场强度变化的曲线图。

具体实施方式

参见图1，基于非晶磁芯线圈的磁敏传感器由非晶磁芯磁敏元件和工作电路组成。其中，

非晶磁芯磁敏元件为由片状非晶材料层叠构成的块状磁芯1外依次置有电感线圈2、绝缘层3和偏置线圈4；其中的非晶材料为钴基非晶材料(或镍基非晶材料或铁基非晶材料)，片状非晶材料的片长为20mm、片厚为0.1mm、片宽为6mm，块状磁芯1的块长为20mm、块宽为10mm、块高为10mm。

工作电路由偏置电路5、振荡电路6和测频电路7组成；电感线圈2为振荡电路6中的电感线圈；其中的振荡电路6为考毕兹振荡电路，测频电路7为等精度测频电路。

参见图2，基于非晶磁芯线圈的磁敏传感器的工作流程如下：对基于非晶磁芯线圈的磁敏传感器通电后，先通过偏置电路5调节偏置线圈4的工作电流，得到非晶磁芯磁敏元件处于磁场强度为10(可于1～20之间)Oe下时的磁场强度H₀。再将非晶磁芯磁敏元件置于待测磁场中，并测得由非晶磁芯磁敏元件的电感线圈2参与组成的振荡电路6输出的谐振频率f_x。接着，先由公式f_x＝5.94H_x+36.51计算得到谐振频率为f_x时的磁场强度H_x，其中，f_x的单位为kHz，H_x为磁场强度在x方向上的分量值，其单位为Oe，x为三维空间的维数，其取值为1或2或3，再由公式ΔH_x＝H_x-H₀计算得到待测磁场的强度ΔH_x。若需测量待测磁场的矢量强度，则只需依次将非晶磁芯磁敏元件于原位置处空间旋转90度，以先分别测得每维待测磁场的强度ΔH₁、ΔH₂和ΔH₃，再由公式

计算得到待测磁场的矢量强度ΔH。

显然，本领域的技术人员可以对本发明的基于非晶磁芯线圈的磁敏传感器及其工作方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种基于非晶磁芯线圈的磁敏传感器，由非晶磁芯磁敏元件和工作电路组成，其特征在于：

所述非晶磁芯磁敏元件为块状磁芯(1)外依次置有电感线圈(2)、绝缘层(3)和偏置线圈(4)，所述块状磁芯(1)由片状非晶材料层叠构成；

所述工作电路由偏置电路(5)、振荡电路(6)和测频电路(7)组成；

所述电感线圈(2)为所述振荡电路(6)中的电感线圈。

2.根据权利要求1所述的基于非晶磁芯线圈的磁敏传感器，其特征是非晶材料为钴基非晶材料，或镍基非晶材料，或铁基非晶材料。

3.根据权利要求1所述的基于非晶磁芯线圈的磁敏传感器，其特征是块状磁芯(1)的块长为20mm、块宽为10mm、块高为10mm。

4.根据权利要求1所述的基于非晶磁芯线圈的磁敏传感器，其特征是片状非晶材料的片长为20mm、片厚为0.1mm、片宽为3～10mm。

5.根据权利要求1所述的基于非晶磁芯线圈的磁敏传感器，其特征是振荡电路(6)为考毕兹振荡电路。

6.根据权利要求1所述的基于非晶磁芯线圈的磁敏传感器，其特征是测频电路(7)为等精度测频电路。

7.一种权利要求1所述基于非晶磁芯线圈的磁敏传感器的工作方法，包括向置于工作电路中的非晶磁芯磁敏元件输入信号和测量其输出，其特征在于：

步骤1，先调节偏置线圈(4)的工作电流，得到非晶磁芯磁敏元件处于磁场强度为1～20 Oe下时的磁场强度H₀，再将非晶磁芯磁敏元件置于待测磁场中，并测得由非晶磁芯磁敏元件的电感线圈(2)参与组成的振荡电路(6)输出的谐振频率f_x；

步骤2，先由公式f_x＝5.94H_x+36.51计算得到谐振频率为f_x时的磁场强度H_x，其中，f_x的单位为kHz，H_x为磁场强度在x方向上的分量值，其单位为0e，x为三维空间的维数，其取值为1或2或3，再由公式ΔH_x＝H_x-H₀计算得到待测磁场的强度ΔH_x。

8.根据权利要求7所述的基于非晶磁芯线圈的磁敏传感器的工作方法，其特征是先分别测得每维待测磁场的强度ΔH₁、ΔH₂和ΔH₃，再由公式

计算得到待测磁场的矢量强度ΔH。

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