CN104267362B

CN104267362B - 一种消除弱磁场传感器干扰磁场的方法

Info

Publication number: CN104267362B
Application number: CN201410450347.6A
Authority: CN
Inventors: 白飞明; 肖云升; 钟志勇; 张怀武; 文丹丹
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2014-09-05
Filing date: 2014-09-05
Publication date: 2016-11-30
Anticipated expiration: 2034-09-05
Also published as: CN104267362A

Abstract

本发明的涉及传感器领域，具体的说是涉及一种消除弱磁场传感器干扰磁场的装置及方法。包括直流电源、试件、螺线管线圈、锁相放大器、功率放大器及计算机，螺线管线圈能够提供直流偏置磁场和交流磁场，螺线管线圈缠绕在试件的外部，计算机分别与直流电源及锁相放大器相连，锁相放大器还分别与功率放大器及试件相连，直流电源及功率放大器又分别与螺线管线圈相连；试件为磁致伸缩材料层、银电极层与压电材料层形成的层状磁电复合材料，压电材料层的上下表面分别覆有被极化过的银电极层，两个磁致伸缩材料层分别设置在两个银电极层的外侧。本发明能够自动消除‑5Oe到5Oe范围干扰磁场，通过选择品质因数高的材料，实现高精度的干扰磁场消除技术。

Description

一种消除弱磁场传感器干扰磁场的方法

技术领域

本发明属于传感器领域，具体涉及一种消除弱磁场传感器干扰磁场的装置及方法，尤其是涉及基于巨磁电效应的消除弱磁场传感器干扰磁场的装置及方法。

背景技术

随着技术的发展，基于巨磁电效应(giant magnetoelectric effect,GME)的新型磁电复合材料在弱磁场探测方面受到广泛关注，产生了基于巨磁电效应的弱磁场传感器。美国弗吉尼亚理工大学的研究员们在层状FeSiBC/PZT纤维复合材料中获得了高达22V/cmOe的磁电电压耦合系数，比传统的颗粒磁电复合材料高出3～4个量级，而在谐振频率附近磁电电压耦合系数接近500V/cm Oe。对其进行磁场检测，可知在1kHz频率下磁场分辨率可达到10^-11Tesla/Hz^1/2；且该材料在机电谐振频率附近可得到10～000倍放大的磁电电压系数。实测在谐振频率下的磁场分辨率可达到10^-15Tesla/Hz^1/2量级。由于GME传感器具有很大的使用价值，因此国内也有很多专利及论文公开与其有关的研究。然而国内外的研究中的磁场分辨率一般都是在最佳的直流偏置磁场下获得，当存在强干扰磁场时，磁电电压耦合系数会明显下降，背景噪音增强，增大测试误差。

公知的，地球磁场的范围为0.4～0.6Oe，磁场变化在0.02nT/m。但还存在岩石磁性所引起的在局部地区可以达到1～2Oe(奥斯特)的大的异常磁场。而为了探测地震地磁信息或便于为潜艇、飞机和导弹进行地磁导航，需要对零磁场附近的地球异常磁场非常敏感的传感器。而载体通常都是由铁磁性材料制成的，在制造和行进过程中受地球磁场的作用被磁化而显示出磁性，对所处的空间的地球磁场产生影响。因此，亟需一种方法来补偿和消除弱磁场传感器的干扰磁场。目前，一些商用的磁力仪主要采用手动的磁场补偿方式，这些补偿方法均需实地操作，不适宜于远程控制，且操作不便，精度低；且目前的技术最大的缺陷在于需要牺牲测量范围来达到需要的测量精度(即分辨率)。而在地磁的异常磁场探测中对分辨率和测量范围都有较高的要求，因此就需要一种基于巨磁电效应的消除弱磁场传感器干扰磁场的装置及方法，以便保证在大的测量范围内进行高分辨率的异常磁场探测。

在现有技术中常用层状磁电复合材料作为传感器。在使用时一般会将层状磁电复合材料置于最佳的直流磁偏置场下，此时其磁电电压系数最大。在谐振频率下，磁电电压系数能在很宽的频率范围内保持平坦，该特性保证了地磁异常场测试有一较大的频率范围。当改变偏置磁场时，由于磁致伸缩效应，磁致伸缩层会给压电片施加一个预应力，从而使机电谐振频率偏移，施加的磁场越大，频率偏移量越大。所以可以通过精确测试谐振频率偏移来计算出偏置磁场大小。这也为消除干扰磁场技术提供了可行的契机。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种消除弱磁场传感器干扰磁场的装置及方法，该装置及方法能够在较大的测量范围内进行高分辨率异常磁场探测，稳定性强，灵敏度高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种消除弱磁场传感器干扰磁场的装置，包括直流电源、试件、螺线管线圈、锁相放大器、功率放大器及计算机，所述螺线管线圈能够提供直流偏置磁场和交流磁场，螺线管线圈缠绕在试件的外部，计算机分别与直流电源及锁相放大器相连，锁相放大器还分别与功率放大器及试件相连，直流电源及功率放大器又分别与螺线管线圈相连；所述试件为磁致伸缩材料层、银电极层与压电材料层形成的层状磁电复合材料，压电材料层的上下表面分别覆有被极化过的银电极层，两个磁致伸缩材料层分别设置在两个银电极层的外侧。

具体的，所述磁致伸缩材料为金属玻璃，压电材料为聚偏氟乙烯。

进一步的，金属玻璃的材质为FeSiBC，其厚度为25μm，聚偏氟乙烯层的厚度为50μm。

进一步的，所述层状复合磁电材料的长度为35mm，宽度为15mm。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一技术方案是：一种消除弱磁场传感器干扰磁场的方法，包括以下步骤：

A.在螺线管线圈上施加偏置电压，使得层状磁电复合材料处在偏置磁场中，并处于谐振频率变化敏感的状态；

B.在螺线管线圈上施加变频交流电信号，产生交流磁场；

C.扫频测试层状磁电复合材料的磁电电压系数，并获得谐振频率和谐振峰值，计算机将磁电电压系数与预先存储的磁电电压系数与不同偏置磁场的关系曲线进行比对，获得干扰磁场的大小；

D.计算机控制直流电源的输出电流，使得螺线管线圈产生与干扰磁场大小相同但方向相反的偏置磁场，消除干扰磁场。

进一步的，步骤B具体为通过计算机中的labview程序控制锁相放大器输出正弦波信号，该信号经过功率放大器放大后驱动螺线管线圈产生对应大小的交流磁场信号。

进一步的，步骤C具体为采用锁相技术扫频测试层状磁电复合材料的磁电效应产生的磁电电压系数，并传递给计算机，由计算机绘出图形曲线，对比不同干扰磁场下，磁电电压系数和谐振频率的关系曲线图，获得谐振频率，而后根据预先存储的谐振频率和偏置磁场的关系示意图得到干扰磁场的大小。

具体的，所述层状磁电复合材料金属玻璃磁致伸缩材料层、银电极层与聚偏氟乙烯压电材料层形成的层状磁电复合材料，聚偏氟乙烯压电材料层的上下表面分别覆有被极化过的银电极层，两个金属玻璃磁致伸缩材料层分别设置在两个银电极层的外侧。

本发明的有益效果是：本发明结构简单，易于实现，自动消除-5到5Oe范围干扰磁场，通过选择品质因数高的材料，可以获得尖锐的谐振峰，实现高精度的干扰磁场消除技术，提升基于巨磁电效应的弱磁场传感器在地震地磁探测和地磁导航方面应用的价值，便于使用，实用性强。本发明适用于GRM磁场传感器。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图；

图2是本发明实施例中层状磁电复合材料的结构示意图；

图3是本发明实施例中层状磁电复合材料的磁电电压系数与直流偏置磁场的关系示意图；

图4是本发明实施例中层状磁电复合材料的谐振频率和偏置磁场的关系示意图；

图5是本发明实施例中不同干扰磁场下，层状磁电复合材料的磁电电压系数和谐振频率的关系曲线图；

其中，1为磁致伸缩材料层，2为环氧树脂，3为银电极层，4为压电材料层。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。

如图1所示，本发明的一种消除弱磁场传感器干扰磁场的装置，包括直流电源、试件、螺线管线圈、锁相放大器、功率放大器及计算机，所述螺线管线圈能够提供直流偏置磁场和交流磁场，所述螺线管线圈缠绕在试件的外部，计算机分别与直流电源及锁相放大器相连，锁相放大器还分别与功率放大器及试件相连，直流电源及功率放大器又分别与螺线管线圈相连；所述试件为磁致伸缩材料层、银电极层与压电材料层形成的层状磁电复合材料，压电材料层的上下表面分别覆有被极化过的银电极层，两个磁致伸缩材料层分别设置在两个银电极层的外侧。

所述螺线管线圈能够提供直流偏置磁场和交流磁场，锁相放大器的输入端通过导线与试件相连，其输出端与功率放大器的输入端相连，功率放大器的输出端与螺线管线圈相连，计算机通过通信接口分别与直流电源和锁相放大器相连，所述通信接口可以采用现有的多种接口，如GPIB接口。

螺线管线圈和直流电源形成直流磁场发生装置，改变直流电源的电压输出可以改变直流偏置磁场的大小。在计算机中的labview程序的控制下能够驱动螺线管线圈，产生所需的偏置磁场。锁相放大器在计算机中的labview程序的控制下输出一个正弦波信号，该信号经过功率放大器放大后驱动螺线管线圈产生对应大小的交流磁场信号。通过labview程序控制锁相放大器输出信号的频率和幅值的大小，可以改变交流磁场的频率和幅值。锁相放大器能够直接采集层状磁电复合材料的磁电电压信号，并传递给计算机，计算机对其进行显示和存储。

把上述层状磁电复合材料放置在螺线管线圈内部，利用直流电源向螺线管线圈通电流，将其置于最佳直流偏置磁场中，此时层状磁电复合材料具有最大磁电电压系数，如图3所示，该材料的的最佳偏置磁场为14Oe。图3所示是本例中的层状磁电复合材料的磁电电压系数与直流偏置磁场的关系示意图。由图可知，其磁电电压系数在正向和负向的直流偏置磁场下大小相同，其原理是由于磁致伸缩材料的磁致伸缩效应与磁场方向无关。该试件在±14Oe的直流偏置磁场下，磁电电压系数最大，因此该直流偏置磁场就是层状磁电复合材料作为传感器使用时的最佳直流偏置磁场。当无干扰磁场时，把层状磁电复合材料放置在螺线管线圈中，在螺线管中通直流电流I₀，提供最佳偏置磁场H₀，此时磁电效应固定，可进行宽频磁场测量。当需要消除干扰磁场H时，由于谐振频率在最佳偏置磁场附近变化不显著，首先要改变螺线管中的电流，把偏置磁场H₁置于谐振频率变化较快处；然后，在螺线管线圈上施加变频交流电信号，产生0.1Oe交流磁场，同时通过锁相放大器扫频测试磁电效应产生的电压信号，准确找到谐振频率，并参照预先存储在计算机中的偏置磁场与谐振频率的曲线，就可以计算出干扰磁场的大小。据此，可以方便得确定补偿直流电流I的大小，并叠加在原来最佳偏置磁场对应的直流电流上，对干扰磁场进行补偿，使层状磁电复合材料重新工作在磁电效应最大处。由于地磁异常磁场测试始终是在最佳偏置磁场H₀下进行测试，磁电效应恒定，可以在不牺牲测试范围的情况下保证高的分辨率和重复性，而且不牺牲测试范围。此外，可以选择品质因数高的层状磁电复合材料，使得层状磁电复合材料工作于一阶纵向或径向谐振模式，从而获得尖锐的谐振峰，此时对偏置磁场进行微小的改变就可以测试到谐振峰频率的偏移，通过计算机中的软件获得所需的补偿电流，通过上述装置实现高精度的干扰磁场消除。进一步的，在固定压电材料层的长度情况下，可以延长磁致伸缩材料层的长度，利用磁通量汇聚效应，提高谐振频率对微小磁场变化的敏感性。

使用上述装置消除弱磁场传感器干扰磁场的的方法，包括以下步骤：

B.在螺线管线圈上施加变频交流电信号，产生交流磁场；

实施例

如图2所示，本例中的致伸缩材料为金属玻璃(Metglas)，压电材料为聚偏氟乙烯(PVDF)，两层Metglas磁致伸缩材料分别通过环氧树脂粘接在PVDF压电材料的两侧，PVDF压电材料的上下表面覆有被极化过的银电极。Metglas的成分为FeSiBC，厚度为25μm；PVDF层的厚度为50μm，压电系数分别为21pC/N及23pC/N。层状复合磁电材料的长度为35mm，宽度为15mm。

沿长度方向磁化的高压磁系数的Metglas磁致伸缩材料能够在低的磁场下获得大的磁致伸缩效应，给沿厚度方向极化的高压电系数的PVDF压电材料传递一个预应力；同时高压电系数的PVDF压电材料在应力作用下可以获得大的输出电压或电荷值，从而满足对弱磁场的响应。

当有干扰磁场存在，采用该消除弱磁场传感器干扰磁场的装置进行消除干扰磁场的方法具体为：

1.计算机中的控制软件-Labview程序首先控制直流电源在螺线管线圈上施加一个偏置电压，使提供4Oe的偏置磁场，让层状磁电复合材料处于对偏置磁场最敏感的状态。如图4所示是该试件的谐振频率和偏置磁场的关系示意图。当改变偏置磁场时，由于磁致伸缩效应，Metglas层会给PVDF层传递一个预应力，从而使谐振频率偏移，同时谐振峰值发生变化，据此可以获得直流偏置磁场与谐振频率的曲线，预先可以先进行测试并将得到的曲线存储在计算机中。

2.通过计算机中的labview程序控制锁相放大器驱动螺线管线圈产生频率变化的0.1Oe交流磁场，

此时，可以固定14Oe直流偏置磁场和0.1Oe交流磁场，测试磁电系数，能够发现层状磁电复合材料在54.48kHz有一个谐振频率，测得的最大磁电电压系数接近92.26V/cm*Oe。

3.通过计算机中的labview程序控制锁相放大器扫频测试样品的磁电电压系数，并获得谐振频率和谐振峰值，将不同频率下的磁电电压系数数据储存在计算机中。

4.计算机对测试数据自动进行高斯拟合寻峰，准确找到谐振频率。将测试得到的磁电系数谐振频率与事先存储在计算机中不同干扰磁场磁场下的磁电电压系数和谐振频率关系曲线图进行比对，确定此时的干扰磁场大小。

图5是在不同干扰磁场下，磁电电压系数和频率的关系曲线图。当存在干扰磁场时，偏置磁场会改变，同时伴随着谐振频率的偏移。当H_dc＝4Oe时，谐振频率在55.21kHz，谐振峰值大小为46.78V/cm*Oe。当H_dc＝8Oe时，谐振频率移动到54.73kHz，谐振峰值大小为63.86V/cm*Oe。通过扫频测试谐振频率，就可以根据图4确定干扰磁场的大小，对其进行反馈补偿，使其磁电电压系数重新回到最大值。

5.通过labview控制直流电源，输出合适大小的电流叠加在最佳磁场对应的电流上。使螺线管线圈产生与干扰磁场大小相同，方向相反的偏置磁场，消除干扰磁场。

该方法能够自动消除-5Oe到5Oe范围干扰磁场，此外，可以通过选择品质因数高的材料，获得尖锐的谐振峰，实现高精度的干扰磁场消除。由于地磁异常场测试一直是在最佳偏置磁场下测试的，因此可以保证在不牺牲测试范围的情况下获得高测试分辨率和重复性，而且不牺牲测试范围。

Claims

1.一种消除弱磁场传感器干扰磁场的方法，其特征在于，包括以下步骤：

B.在螺线管线圈上施加变频交流电信号，产生交流磁场；

2.如权利要求1所述的一种消除弱磁场传感器干扰磁场的方法，其特征在于，步骤B具体为通过计算机中的labview程序控制锁相放大器输出正弦波信号，该信号经过功率放大器放大后驱动螺线管线圈产生对应大小的交流磁场信号。

3.如权利要求2所述的一种消除弱磁场传感器干扰磁场的方法，其特征在于，步骤C具体为采用锁相技术扫频测试层状磁电复合材料的磁电效应产生的磁电电压系数，并传递给计算机，由计算机绘出图形曲线，对比不同干扰磁场下，磁电电压系数和谐振频率的关系曲线图，获得谐振频率，而后根据预先存储的谐振频率和偏置磁场的关系示意图得到干扰磁场的大小。

4.如权利要求3所述的一种消除弱磁场传感器干扰磁场的方法，其特征在于，所述层状磁电复合材料金属玻璃磁致伸缩材料层、银电极层与聚偏氟乙烯压电材料层形成的层状磁电复合材料，聚偏氟乙烯压电材料层的上下表面分别覆有被极化过的银电极层，两个金属玻璃磁致伸缩材料层分别设置在两个银电极层的外侧。