CN103460067A - 用于借助电磁传感器进行磁场测量的方法 - Google Patents

Abstract

用于借助电磁传感器对时变磁场进行测量的方法，所述电磁传感器具有机械共振频率f_R，其中，所述磁场具有带有时谐相关性的至少一个分量，所述分量具有待确定的测量信号幅度H_mess0和在预知的频率区间f_min<f_mess<f_max中的待确定的测量信号频率f_mess，其特征在于下述步骤：a.将所述磁场与具有时谐相关性的、具有所述传感器上的可选择的调制频率和预知的调制幅度H_mod0的调制磁场叠加，b.在通过所述传感器的共振频率f_R和预知的区间界限f_min、f_max确定的、互补的频率区间之上改变（摆动）所述调制频率，c.针对每个所选择的调制频率测量传感器信号，d.寻找引起所述传感器的机械共振中的传感器信号的至少一个调制频率f_mod，e.根据所述传感器的共振频率f_R和之前确定的调制频率f_mod计算所述测量信号频率f_mess，f.将所述传感器信号在调制频率f_mod处转换成经叠加的磁场幅度H_sup，g.根据所述叠加的磁场幅度H_sup和所述调制幅度H_mod0计算测量信号幅度H_mess0。

Description

用于借助电磁传感器进行磁场测量的方法

技术领域

本发明涉及一种用于借助电磁传感器对时变磁场进行测量的方法。

背景技术

电磁（ME）传感器适合于探测例如通过生物有机体中的电流引起的其他小时变的磁场。电磁传感器适用于作为有前途的候选方案用以取代所谓的SQUIDS（超导量子干涉器件），SQUIDS基于超导体并且为了该目的而需要持续的并且极度的冷却。此外，ME传感器在开发生物磁性接口方面是当前研究的主题，生物磁性接口首先能够使用在医学诊断（例如MEG、MKG）中并且可能未来也能够使用在假肢控制中或者甚至能够用于计算机和机器的普通的“思维控制”。

所有ME传感器的功能的基本构思在于磁致伸缩的和压电的材料的机械力耦合。

磁致伸缩材料（例如铁磁的过渡金属（Fe、Ni、Co）及其合金、稀土Tb、Dy、Sm与铁磁的过渡金属（例如TbFe2、SmFe2）的化合物或者还有铁磁的玻璃（主要包含可变比例的元素铁、钴、硼或者硅））在作用到磁致伸缩材料上的磁场的方向上经受可逆的长度变化。该长度变化归因于单元磁体沿着外部磁场的定向并且根据如今的知识在室温下达到2.5mm/m=2500ppm。

如果将磁致伸缩材料机械固定地耦合到压电电介质（例如锆钛酸铅（PZT）、聚偏氟乙稀（PVDF）、氮化铝（AlN））上，那么磁致伸缩的伸展能够施加引起压电电介质中的结构上的电荷移动（极化）的力，这又引起可测量的压电电压。该电压能够作为磁场强度的大小以电子的方式来检测和分析。

存在多种不同实施的ME传感器。其中最简单的当属多层的层系统，其包括由磁致伸缩材料制成的至少一个层，其具有直接布置在其上的压电层的和作为压电材料上的电极的金属化层。层系统通常具有固定在至少一个端部上的条带的形状。在磁场沿着条带长度作用的情况下，条带由于不同的材料伸展而弯曲，并且因此同时弯曲的压电材料被电极化。两个条带平坦侧部之间的电势差可以被作为测量电压而截取。

磁致伸缩（MS）的和压电（PE）的材料涂层能够以本身已知的覆层技术相叠地沉积和/或沉积在预先确定的衬底上。就此而言，ME传感器的制造与硅技术的工艺兼容，尤其是以MEMS结构（微机电系统）制造集成的ME传感器。但，分开地制造MS和PE膜和接下来将这两者粘贴成一个ME膜也适合于根据所描述的原理制造磁场传感器。

全部ME传感器是机械的振荡器。在限定频率的周期性磁场的作用下，所述ME传感器显示出受迫的机械振动特性。如果在此借助ME传感器的机械共振频率进行激励，那么本身非常小的磁场强度引起非常大的测量电压。

以生物方式产生的磁场典型地仅具有1Hz至大约100Hz的量级的频率。相反地，常见的ME传感器的共振频率通常处于几百赫兹至几百千赫兹中。例如通过集成到MEMS中来进一步使ME传感器小型化可以预期还会有更高的共振频率。

ME传感器中引起的电场强度幅度与进行激励的磁场强度幅度之比称作ME系数、α_ME。在共振的情况下和远处于共振之外的磁场的测量之间，ME系数典型地变化二至三个量级。

因此会值得期望的是，为了探测具有事先已知的频率的小磁场，而分别提供具有匹配的共振频率的ME传感器。实际上寻求，将例如开始所描述的条带结构类型的ME传感器通过布置附加的质量（Massen）而调节到较低的共振频率上。ME系数在共振频率处因此还仍具有界限分明的最大值，使得相邻的频率提供明显更弱的信号。即使具有全部不同的共振频率（例如在US2010/0015918A1中提出，其中ME传感器考虑作为磁载波的接收器并且阵列实现多个数据通道）的ME传感器的阵列不一定引起对频带足够密地扫描，在所述频带上应检测先验未知的信号。此外，具有数百个ME传感器的阵列实际上仅能够被制造为集成的微系统，并且在此几乎不能够实施将kHz振荡器的机械共振频率降低到生物磁性的带区域（≤100Hz）上。

通常，ME传感器也能够在其机械共振之外工作。由于感兴趣的是尽可能大的测量动态范围、尽可能大的信号噪声比和对要测量的磁交变场的电压响应的线性，所以为ME传感器在磁致伸缩特征曲线（图1）的线性范围中选择工作点。该特征曲线λ（H）描述MS材料在磁场H的作用下的长度伸展λ并且其变化曲线总是对称的，因为两个场方向对所述材料有相同作用。函数λ（H）在没有场的情况下首先具有抛物线形的上升，但是同时向上被限制（在达到饱和磁化时）。因此，所述函数具有拐点H_B，在所述拐点中λ围绕H=H_B的泰勒展开的线性项处于主导并且同时存在最大的斜率。为了使ME传感器在该有利的工作点中工作，优选通过适当布置导体或者永磁体来施加强度H_B的恒定偏置磁场。

然而，这种偏置磁场在实际应用中并非毫无问题。恰好在多个ME传感器彼此紧邻的情况下，尤其当根据毕奥-萨伐尔定律产生场并且能够经由馈电线引导电流时，会出现磁偏置场的相互影响。永磁偏置场在能量上更为有利，但绝对需要布置足够量的磁性材料，以便实现适当的场强。因此，极为努力寻求的是，为ME传感器开发由磁致伸缩的和压电的材料制成的层系统和叠层，所述ME传感器能够以尽可能小的磁偏置场强置于工作点中。例如，这种层系统在Zhai等的“Giant magnetoelectric effect in Metglas/polyvinylidene-fluoridelaminates”（APPLIED PHYSICS LETTERS89,083507（2006））的论文中和在US7,023,206B2中予以描述。然而总是仍需要几奥斯特的偏置场（旧的cgs磁场强度单位：1特斯拉=μ0×10.000奥斯特）。

值得期望的是，能够完全省去恒定的偏置场，尤其是不再必须在ME传感器生产期间或者在测量运行期间对所测量的装置采取预防措施。

发明内容

本发明提出如下任务：提出一种用于借助任意的ME传感器在可自由选择的、尤其生物磁性的频带之上以非常高的、与频率无关的传感器灵敏度测量磁场的方法。

该任务通过一种具有独立权利要求的特征的方法来解决。从属权利要求说明所述方法的有利的扩展方案。另一独立权利要求针对借助于ME传感器的阵列测量磁场。

根据本发明的方法利用ME传感器的机械共振以及在H=0的环境下（也就是在没有偏置磁场的情况下）的磁致伸缩特征曲线λ（H）≈aH²+O（H⁴）的二次变化曲线。在此，比例常数a对于每个预给定的ME传感器是已知的或者也可以直接测量。

根据本发明，具有时间t的谐相关的要测量的任意信号

(1)   H_mess(t)=H_mess0×cos(2πf_messt)

叠加有ME传感器上的附加生成的谐波调制信号

(2)   H_mod(t)=H_mod0×cos(2πf_modt)

在此，调制信号的幅度H_mod0和频率f_mod对于应用者而言是已知的。调制信号通过频率发生器产生并且优选作为电磁波经由天线朝ME传感器发射。替选地，调制磁场也能够通过围绕ME传感器的线圈生成。未知量H_mess0和f_mess可被确定为测量信号的幅度和频率。

ME传感器“看到”通过下述形式的磁致伸缩材料的长度变化产生的总信号H_mess（t）+H_mod（t）

(3)  λ(t)≈a(H_mess(t))²+a(H_mod(t))²+2aH_mess(t)×H_mod(t)+O(H⁴)。

等式（3）的第三项是领头的互调项，该第三项取决于:

(4)  2aH_mess(t)×H_mod(t)

=aH_mess0×H_mod0[cos(2π(f_mess+f_mod)t)+cos(2π(f_mess-f_mod)t)]。

因此，应用者能够将f_mod配置成，使得f_mess+f_mod或者f_mess-f_mod恰好对应于ME传感器的共振频率。如果检测到测量信号的确定的频带，那么f_mod在相应互补的频带中变化（也还称作：摆动）。

ME传感器的共振频率f_R总是能够被假定为是已知的。在有疑问的情况下，简单的初步试验（尤其是在不存在测量信号的情况下调制信号在可考虑的频率范围之上发射和摆动）可以快速地确定共振频率的位置。

如果因此能够在频带f_min≤f_mess≤f_max中探测到测量信号，那么调制信号在两个互补的频率范围中的一个

(5)  f_R-f_max≤f_mod≤f_R-f_min或

(6)f_R+f_min≤f_mod≤f_R+f_max

之上变化，由此，ME传感器总是以共振的方式被激发。通过与调制信号混合而将测量信号频率转换成传感器共振频率。

传感器输出端上的电压信号仅由具有幅度H_mess0×H_mod0的互调项支配，因为等式（3）中的其余项典型地具有明显位于传感器的共振频率之外的频率，并且其对电压的贡献因此可以被忽略。可测量的电压幅度可以直接转换成磁场幅度，并且被除以已知的值H_mod0提供所找寻的值H_mess0。

在此特别要强调的是，根据本发明的方法在没有任何偏置磁场的情况下是够用的。更确切地说，该方法最好在H=0情况下运行，在此磁致伸缩特征曲线的二次部分处于主导。

调制信号的幅度H_mod0是可由应用者自由选择的参数，但应用者借助所述参数还可提高测量动态范围。ME传感器的输出电压随着增长的调制幅度而线性地上升，当然仅大致上升至值H_mod0=H_B。如应经在现有技术的讨论中所提及的那样，场强H_B恰好特征在于磁致伸缩特征曲线λ（H）的拐点。场强说明偏置磁场的强度，必须施加该偏置磁场，以便借助所给出的ME传感器在其共振之外在最佳的工作点中进行测量。

因此，本发明的一个优选的扩展方案是，构建具有与ME传感器在根据现有技术运行中的磁偏置场强相对应的幅度的调制信号。因为调制信号可以发射到传感器上，所以有利的是，根本不需要在传感器本身上或者甚至在其制造时采取设备方面的预防措施。

附图说明

以下将借助实施例和附图更为详细地阐明本发明。在此示出：

图1示出了磁致伸缩特征曲线λ（H）的定性的变化曲线；

图2示出了针对该实施例的传感器所确定的其机械共振曲线的变化曲线；

图3示出了用于确定该实施例的传感器的最佳工作点或者偏置磁场的预先试验的结果；

图4示出了当测量信号f_mess的频率对应于传感器的共振频率时传感器信号（ME电压U_ME）的频率分析的结果；

图5如图4地示出，然而要测量的磁场的频率为f_mess=15Hz；

图6示出了借助根据本发明的方法的并且没有偏置磁场的图5（15Hz）的信号的测量结果。

具体实施方式

针对该实施例使用面积为20×2mm²的条带结构形式的ME传感器，ME传感器固定地夹紧在条带的一端部上。传感器的最下层由130μm厚的硅载体制成，在该硅载体上存在300nm厚的钼膜。位于其上的层由1800nm厚的压电氮化铝制成。其上存在1750nm厚的、由金属玻璃（FeCoSiB）制成的磁致伸缩层。在钼层与磁致伸缩层之间截取ME电压并且借助锁相放大器或者谱分析仪来测量。调制场借助围绕传感器的空气线圈产生并且测量信号借助赫尔姆霍茨线圈对来产生。

实例传感器的磁致伸缩特征曲线λ（H）定性地如在图1中示出的那样延伸。能够清楚地看到，在不存在磁场（没有偏置，H=0）的情况下的抛物线变化曲线和在H=±H_B处的两个拐点。图1中的曲线能够计算为图3中的测量曲线的原函数。

为了确定ME传感器的机械共振，测量信号的频率在下述频率范围之上变化，共振频率必须位于所述频率范围中。磁场强度在此为H_mess0=0.125奥斯特。ME电压在f_R=844Hz处示出尖锐最大值，如图2中所示。于是，对于在共振情况下的常规的ME系数得到

$\left(7\right),{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{ME}}=\frac{U_{\mathrm{ME}}}{L\&CenterDot;H_{\mathrm{AC}}}=\frac{12.9\mathrm{mV}}{1.8\&CenterDot;{10}^{-4}\mathrm{cm}\&CenterDot;12.5\&CenterDot;{10}^{-6}\&CenterDot;{10}^4\mathrm{Oe}}=577.33\frac{V}{\mathrm{cmOs},}$

其中，电场强度对应于具有板间距L（传感器的压电层的厚度=1.8μm）的板式电容器中的电场强度。

在通过具有H_mess0=0.125奥斯特且f_mess=844Hz的测量信号以机械共振形式激励ME传感器期间，偏置磁场沿着传感器的磁致伸缩层施加并且变化，以便根据现有技术确定最佳工作点。从图3中可见的是，能够在场强H_B=±7.36奥斯特处得到最大的传感器电压U_ME。

图4至图6分别示出了借助谱分析仪根据频率拆分的所测得的传感器电压U_ME。注意到纵坐标的对数分度。图4示出在同时施加H_B=7.36奥斯特的恒定偏置磁场的情况下的对于具有H_mess0=0.125奥斯特和f_mess=844Hz的测量信号的ME电压的频率分量。明显地，能够在ME传感器的机械共振频率处看到显著的最大值以及在50Hz的电网频率的多倍处看到三个小的次最大值。

在图5中施加H_B=7.36奥斯特的相同的偏置磁场，同样地，H_mess0=0.125奥斯特，在此仅将测量频率降低到f_mess=15Hz。15Hz处的和电网频率下的ME电压在大约10μV范围内是类似大的；噪声位于其下的量级。

最后，借助本发明的方法探测图5中的测量信号并且在图6中描述结果。现在，在传感器上不施加偏置磁场。根据本发明的调制信号通过H_mod0=6.72奥斯特和f_mod=829Hz描述并且叠加传感器上的测量信号。H_mod0在此示例地被选择为刚刚位于H_B=7.36奥斯特的最佳值之下。否则，不取决于H_mod0的准确值，所述值仅必须是已知的。

图6现在示出ME电压的三个最大值，所述最大值中的一个（在829Hz处）直接地由无信息的、已知的调制信号引起。在分析时可以通过已知的措施抑制这一最大值。另外两个最大值位于829Hz-15Hz=814Hz处和在829Hz+15Hz=844H=f_R处，其中，后者的ME电压超过另一最大值的ME电压一个量级。

通过在围绕829Hz的范围内改变调制频率不能够实现下述ME电压，所述ME电压在844Hz处假定为与所示的值等大的或者更大的值。首先在859Hz的环境下这又是可能的。通过f_mod在低于或者高于f_R（互补的频率范围）的频率范围之上摆动，在叠加的磁场中明确地识别传感器的共振情况并且因此识别f_mess的值。

可测量的ME电压的共振部分在图6的实例中位于13.3mV处，即高于图5的代表根据现有技术的测量的实例中的相同测量信号的测量值U_ME三个量级。如果例如经由标定曲线将U_ME转换到磁场幅度H_sup中，那么得到H_mess0=H_sup/H_mod0并且实现测量目的。

通过根据本发明的方法的直接获益在于显著扩大的信号噪声间距和省去恒定偏置场的可能性。此外，ME传感器可以拥有每个任意的机械共振频率，所述共振频率仅必须确定一次。

当涉及检测低频测量信号（f_mess≈几赫兹）时，至此所描述的发明出现困难。在该情况下，为调制信号设置频率f_mod≈f_R，这可能引起，无信息的调制信号提供对测量电压的最大贡献。

实际上，应持续地保持距f_R一定间距。具有H=H（f）的共振曲线U_ME（H）（图2）示出关于频率的洛伦兹变化曲线，借助所述频率在幅度恒定的情况下改变磁场H。当Δf>0表示该曲线的半波宽度时，那么应至少确保

$\left(8\right),|f_{\mathrm{mod}}-f_R|>\mathrm{\&Delta;f}.$

因此，首先不能得到具有│f_mess│<Δf的测量信号。

幸运的是，在该情况下，能够回到偏置场的构思并且选择ME传感器的另一工作点。在此，偏置场强应配置成，使得在工作点中（在此称作H_W）与磁致伸缩特征曲线的二次变化曲线相比更高的阶数处于主导，即例如

$\left(9\right),\mathrm{\&lambda;}(H=\mathrm{Hw})\&ap;c_1(H_w+\mathrm{dH})+c_2{(H_w+\mathrm{dH})}^2+c_3{(H_w+\mathrm{dH})}^3,$

其中，c₁、c₂<<c₃并且dH称作为时变的磁场部分。如果在此也将要测量的、可变化的磁场与ME传感器上的调制场叠加，那么通过选择f_mod得到将形成的混合频率（2f_mess+f_mod）、（2f_mess-f_mod）（f_mess+2f_mod）或者（f_mess-2f_mod）与传感器共振频率一致的可能性。尤其是，现在在遵守等式（8）的情况下能够探测在Δf/2<│f_mess│<Δf范围中的测量信号。如果这对于应用者而言仍是不足够的，那么他还能够寻找具有更高的领头阶的λ（H）的另一工作点H_W。期待的是，应用者仅针对H_W>H_B（即在拐点那边）找到这样工作点。

上面的讨论涉及，当且仅当要检测小于传感器共振曲线的半波宽度的低频测量信号时，将偏置磁场连同根据本发明的频率转换应用到传感器共振中。在全部其他的测量应用中（并且这些测量应用是常见的）从现在起完全能够弃用偏置磁场。

这已经显著地简化ME传感器阵列的制造，尤其是在微系统技术中，例如作为芯片。此外，对于阵列中的各个ME传感器的共振频率也没有提出特别的要求。如果期望借助阵列进行位置分辨的测量，那么当然有利的是，全部传感器显示出相同的共振特性并且能够同时通过调制场来激发。即使在传感器之间存在制造所决定的差异，当共振频率能全部通过所选择的摆动带宽来满足时，所述差异在调制场摆动时变得不重要（或者能够在分析中识别并且因此可补偿）。

并且即使在阵列中的共振频率有更大的差异（如其正如针对数据传输目的在开始所提及的US2010/0015918A1中所介绍的那样）会是合理的是，感兴趣的是，在给定的时刻仅阵列中的一个确定的传感器应当探测到信号。例如，通过将在此所描述的发明应用到预先确定的传感器（在此：数据通道）上能够运用限定频率的载有任意信息的（例如在US2010/0015918A1的意义下幅度调制的）磁交变场。然后，简单地通过改变调制频率（必要时在匹配调制幅度的情况下）进行切换到另一数据通道上。

能够优选借助具有数目为N个的电磁传感器的装置来测量磁场的方法，其中传感器具有预知的机械共振频率f_R（i），i=1、……、N并且磁场具有带有预知频率f_M的时谐相关性，其中，通过将磁场与具有频率f_mod=f_R（i）+f_M或者f_mod=f_R（i）-f_M的调制磁场叠加来确定用于探测磁场的通过索引i标明的传感器。

Claims (6)

1.用于借助电磁传感器对时变磁场进行测量的方法，所述电磁传感器具有机械共振频率f_R，其中，所述磁场具有带有时谐相关性的至少一个分量，所述分量具有待确定的测量信号幅度H_mess0和在预知的频率区间f_min<f_mess<f_max中的待确定的测量信号频率f_mess，其特征在于下述步骤：

a.将所述磁场与具有时谐相关性的、具有所述传感器上的可选择的调制频率和预知的调制幅度H_mod0的调制磁场叠加，

b.在通过所述传感器的共振频率f_R和预知的区间界限f_min、f_max确定的、互补的频率区间之上改变（摆动）所述调制频率，

c.针对每个所选择的调制频率测量传感器信号，

d.寻找引起所述传感器的机械共振中的传感器信号的至少一个调制频率f_mod，

e.根据所述传感器的共振频率f_R和之前确定的调制频率f_mod计算所述测量信号频率f_mess，

f.将所述传感器信号在调制频率f_mod处转换成经叠加的磁场幅度H_sup，

g.根据所述叠加的磁场幅度H_sup和所述调制幅度H_mod0计算测量信号幅度H_mess0。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述传感器的磁致伸缩特性曲线中确定所述传感器的工作点使得所述传感器的电压响应在领头阶中与磁场强度二次相关。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据f_R-f_max<f_mod<f_R-f_min或f_R+f_min<f_mod<f_R+f_max确定所述互补的频率区间并且根据f_mess=│f_R-f_mod│和H_mess0=H_sup/H_mod0计算具有时谐相关性的磁场的所述至少一个分量。

4.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述磁场具有带有时谐相关性的多个分量，所述分量具有不同的磁场分量幅度和/或区间f_min<f_mess<f_max中的磁场分量频率，并且确定互补的频率区间中的将所述传感器引入机械共振中的多个调制频率，其中，每个所确定的调制频率与恰好一个磁场分量频率相关联并且每个在共振中测得的磁场强度与恰好一个磁场分量幅度相关联。

5.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，根据小于或等于场强H_B的数值为所述调制幅度H_mod0配置数值，其中，所述传感器的磁致伸缩特性曲线在场强为±H_B处具有其拐点。

6.用于借助包括数目为N个的电磁传感器的装置来测量磁场的方法，其中，所述传感器具有预知的机械共振频率f_R（i），其中，i=1，……，N，并且所述磁场在预知的频率f_M情况下具有时谐相关性，其特征在于，通过将所述磁场与具有频率f_mod=f_R（i）+f_M或者f_mod=f_R（i）-f_M的调制磁场叠加来确定通过索引i标明的用于探测所述磁场的传感器。

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