CN103105591B - 零偏置磁传感器探头 - Google Patents
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Abstract
一种零偏置磁传感器探头，所述磁传感器探头的感应部由磁电复合材料构成，所述磁电复合材料由两个磁致伸缩材料层和一个压电单晶材料层组成，两个磁致伸缩材料层顺次层叠在压电单晶材料层的一侧形成三层结构的磁电复合材料；两个磁致伸缩材料层的材质不同，从而使两个磁致伸缩材料层的磁导率和矫顽力存在数值差异，这种数值差异导致磁电复合材料内产生内部磁场，使得零偏置磁场条件下，磁电复合材料就能对外部的微小磁场变化作出反应，最终使磁传感器探头的灵敏度得到提高、缩小磁传感器探头的体积。本发明的有益技术效果是：提出了一种可在零偏置磁场条件下对微小静态磁场进行探测的传感器，该传感器结构简单、体积小巧，适用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁传感器，尤其涉及一种零偏置磁传感器探头。
背景技术
磁场测量在医学、军事、地质等方面都有广泛的应用，是现代测量领域的重要组成部分。在军事方面的应用有：舰船消磁、探测隐匿的物体、近炸水雷、磁性扫雷以及炸弹探测器等，都离不开磁场传感技术；在地质勘探方面的应用有：利用磁传感器测量大地的磁场微变，为探矿、沉积盆地及大地构造研究、火山活动监测研究等提供依据；在生物医学方面，应用磁传感器测量人体血清磁化率的变化以及人体心脏跳动和大脑内磁场的变化绘制“心磁图”、“脑磁图”来诊断疾病。
目前常用的磁传感器包括磁通门、霍尔元件、感应式磁传感器、巨磁电阻元件、核磁共振以及超导量子干涉元件等。其中霍尔元件的磁场测量精度较低，虽然根据法拉第电磁感应原理做成的搜索线圈可达约10 - 10 T 的精度，但该传感器不能测量静态磁场或者缓慢变化的磁场；巨磁电阻元件是利用巨磁阻效应实现对小磁场的灵敏响应，但其制备主要采用薄膜技术，对尺寸和厚度的要求十分严格，生产工艺复杂且成本高昂；磁通门、核磁共振和超导量子干涉元件有很高的精度，但是这些磁场测量结构都很复杂，体积大，而且价格昂贵，需要较大功率的电源供给。
磁致伸缩/压电层状复合材料具有结构简单、制备容易、可无源工作和磁电电压系数高等特点，在磁传感器领域具有广阔的应用前景，引起了众多研究者的关注。
早在1974年，V.E.Wood 等人就提出了使用磁电材料可研制高灵敏磁场传感器的新思路。作为磁致伸缩材料，其磁化过程、磁致伸缩应变以及磁化方向对磁场的变化是非常敏感的，将压电材料与磁致伸缩材料复合之后，通过磁致伸缩/压电复合材料的磁电转换，可显著增强磁电复合材料的磁场灵敏度，进一步提高磁传感器的性能。利用磁电复合材料的输出电信号和外磁场的对应关系，可以实现对交流磁场和直流磁场的探测。但目前的磁电复合材料，需要依赖外加直流偏置磁场来提高其磁电电压输出，否则（即在零偏置磁场条件下），磁电复合材料难以对微小磁场作出反应。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明提出了一种零偏置磁传感器探头，所述磁传感器探头的感应部由磁电复合材料构成，所述磁电复合材料由两个磁致伸缩材料层和一个压电单晶材料层组成，两个磁致伸缩材料层顺次层叠在压电单晶材料层的一侧形成三层结构的磁电复合材料；两个磁致伸缩材料层的材质不同，导致两个磁致伸缩材料层的磁导率和矫顽力存在数值差异，这种磁导率和矫顽力的数值差异使磁电复合材料内产生内部磁场，使得零偏置磁场条件下，磁电复合材料就能对外部的微小磁场变化作出反应，最终使磁传感器探头的灵敏度得到提高、缩小磁传感器探头的体积。
前述结构的原理是：现有技术中的磁电复合材料之所以不能用于零偏置磁场条件，是因为本领域技术人员在制作磁电复合材料时，没有对磁电复合材料中的各个功能层的材料进行优化选择，单纯采用偏置磁场来提高磁电复合材料的输出，从而掩盖了磁电复合材料自身所具有的优势；本发明的原理是：由于两个磁致伸缩材料层之间的磁导率和矫顽力均不相同，两个磁致伸缩材料层之间会产生较强的磁化梯度（磁化梯度的强弱与差异性的大小呈正相关性，差异性越大则磁化梯度越强），其原有的平衡被打破，相应地在两种材料之间将产生一个较高的内部磁标势，最终导致了内部磁场的产生，由于磁致伸缩材料的压磁系数对磁场的依赖特性，该内部磁场将引起磁致伸缩材料压磁系数的增强，与压电单晶材料结合后，能获得较高的磁电电压输出；同时，由于不再需要设置用于提供偏置磁场的装置，从而使器件的体积和重量都得到了减小。
基于前述方案，本发明还提出了如下的优选实施方式：所述磁电复合材料悬置于圆柱形的硬铝壳内，压电单晶材料层沿硬铝壳的径向方向极化，磁致伸缩材料层沿硬铝壳的轴向方向磁化。
进一步地，还可采用如下优选结构来安装磁电复合材料：所述磁电复合材料通过连接件悬置于硬铝壳中部。
还可采用如下优选方案来获取压电单晶材料层上的电输出信号：压电单晶材料层上设置有输出引线，输出引线与电路板连接，电路板固定在硬铝壳内壁上。
为了简化制作，以及提高输出引线与压电单晶材料层的连接的稳定性，还可作如下改进：在硬铝壳的轴向方向上，压电单晶材料层的长度大于磁致伸缩材料层的长度，压电单晶材料层一端与磁致伸缩材料层的一端齐平，压电单晶材料层另一端形成裸露端，输出引线设置于裸露端处。现有结构中，磁致伸缩层和压电层的长度基本一致，这种结构虽然使磁电复合材料的制作工艺在一定程度上得到了简化，但由于压电层的输出电极位于其厚度方向上的上、下两侧，在连接输出引线时，需将两根输出引线分别与压电层的上、下两侧焊接并涂抹导电胶，由于操作空间有限，焊接后的连接强度难以得到保障，且导电胶的粘结效果也较低，输出引线容易在磁致伸缩层引起的强烈振动下脱落，采用本发明的方案后，压电单晶材料层的裸露端为焊接操作留出了足够的空间，导电胶的涂抹区域也较大，可以保证输出引线的焊接强度和导电胶的粘结效果，避免因输出引线脱落而导致的器件失效。
还可以在硬铝壳外设置塑料壳，用塑料壳将硬铝壳、电路板和磁电复合材料所组成的结构体封装起来，形成整体式的零偏置磁传感器探头。
为了进一步提高零偏置磁传感器探头的灵敏度，本发明还采用了如下方案来降低退磁因子：所述磁致伸缩材料层为长条状立方体，其长宽比和长厚比均大于等于6。
本发明的有益技术效果是：提出了一种可在零偏置磁场条件下对微小静态磁场进行探测的传感器，该传感器结构简单、体积小巧，适用范围广。
附图说明
图1、本发明的结构的轴向剖面示意图；
图2、本发明的结构的径向剖面示意图；
图3、磁电复合材料的结构示意图。
具体实施方式
一种零偏置磁传感器探头，所述磁传感器探头的感应部由磁电复合材料5构成，所述磁电复合材料5由两个磁致伸缩材料层5-1和一个压电单晶材料层5-2组成，两个磁致伸缩材料层5-1顺次层叠在压电单晶材料层5-2的一侧形成三层结构的磁电复合材料5；两个磁致伸缩材料层5-1的材质不同，导致两个磁致伸缩材料层5-1的磁导率和矫顽力存在数值差异，这种磁导率和矫顽力的数值差异使磁电复合材料5内产生内部磁场，使得零偏置磁场条件下，磁电复合材料5就能对外部的微小磁场变化作出反应，最终使磁传感器探头的灵敏度得到提高、缩小磁传感器探头的体积。
进一步地，所述磁电复合材料5悬置于圆柱形的硬铝壳3内，压电单晶材料层5-2沿硬铝壳3的径向方向极化，磁致伸缩材料层5-1沿硬铝壳3的轴向方向磁化。
进一步地，所述磁电复合材料5通过连接件悬置于硬铝壳3中部。
进一步地，压电单晶材料层5-2上设置有输出引线，输出引线与电路板6连接，电路板6固定在硬铝壳3内壁上。
进一步地，在硬铝壳3的轴向方向上，压电单晶材料层5-2的长度大于磁致伸缩材料层5-1的长度，压电单晶材料层5-2一端与磁致伸缩材料层5-1的一端齐平，压电单晶材料层5-2另一端形成裸露端，输出引线设置于裸露端处。
进一步地，硬铝壳3外设置有塑料壳1。
进一步地，所述磁致伸缩材料层5-1为长条状立方体，其长宽比和长厚比均大于等于6。
图3中标记B所示位置即为压电单晶材料层5-2上的裸露端的上输出电极面，其背面为下输出电极面，两条输出引线分别设置于前述的上输出电极面和下输出电极面上。
本发明在具体应用时，电路板6还与一锁定放大器7电连接，锁定放大器7将电路板6的输出信号输出到相应的处理设备上进行信号处理，硬铝壳3和塑料壳1上设置有对应的通孔供处理设备和锁定放大器7之间的导线通过。
Claims (7)
1.一种零偏置磁传感器探头，其特征在于：所述磁传感器探头的感应部由磁电复合材料（5）构成，所述磁电复合材料（5）由两个磁致伸缩材料层（5-1）和一个压电单晶材料层（5-2）组成，两个磁致伸缩材料层（5-1）顺次层叠在压电单晶材料层（5-2）的一侧形成三层结构的磁电复合材料（5）；两个磁致伸缩材料层（5-1）的材质不同，从而使两个磁致伸缩材料层（5-1）的磁导率和矫顽力存在数值差异，这种磁导率和矫顽力的数值差异导致磁电复合材料（5）内产生内部磁场，使得零偏置磁场条件下，磁电复合材料（5）就能对外部的微小磁场变化作出反应，最终使磁传感器探头的灵敏度得到提高、缩小磁传感器探头的体积。
2.根据权利要求1所述零偏置磁传感器探头，其特征在于：所述磁电复合材料（5）悬置于圆柱形的硬铝壳（3）内，压电单晶材料层（5-2）沿硬铝壳（3）的径向方向极化，磁致伸缩材料层（5-1）沿硬铝壳（3）的轴向方向磁化。
3.根据权利要求2所述零偏置磁传感器探头，其特征在于：所述磁电复合材料（5）通过连接件悬置于硬铝壳（3）中部。
4.根据权利要求3所述零偏置磁传感器探头，其特征在于：压电单晶材料层（5-2）上设置有输出引线，输出引线与电路板（6）连接，电路板（6）固定在硬铝壳（3）内壁上。
5.根据权利要求4所述零偏置磁传感器探头，其特征在于：在硬铝壳（3）的轴向方向上，压电单晶材料层（5-2）的长度大于磁致伸缩材料层（5-1）的长度，压电单晶材料层（5-2）一端与磁致伸缩材料层（5-1）的一端齐平，压电单晶材料层（5-2）另一端形成裸露端，输出引线设置于裸露端处。
6.根据权利要求5所述零偏置磁传感器探头，其特征在于：硬铝壳（3）外设置有塑料壳（1）。
7.根据权利要求1所述零偏置磁传感器探头，其特征在于：所述磁致伸缩材料层（5-1）为长条状立方体，其长宽比和长厚比均大于等于6。
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