CN104931899B - 一种提高磁场传感器探头灵敏度的方法 - Google Patents

Abstract

一种提高磁场传感器探头灵敏度的方法，属于传感器敏感探头应用领域，它是将传感器探头置于偏置磁场，即传感器探头易磁化方向垂直于偏置磁场易磁化方向，传感器探头两端连接电源。本发明采用软磁材料本身激发偏置磁场，不存在额外电能消耗，节约能源；偏置磁场与待测物品之间采用非固定式连接，调节过程简单、拆卸方便、易操作；利用偏置磁场改善磁性材料的GMI灵敏度，对原材料不存在损伤、破坏，节约材料。

Description

一种提高磁场传感器探头灵敏度的方法

技术领域

本发明属于磁场传感器探头领域，特别涉及一种提高磁场传感器探头灵敏度的方法。

背景技术

阻抗随外加磁场而变化的现象称为巨磁阻抗(Giant Magneto Impedance, GMI)效应，室温下高GMI效应，特别是高的磁场灵敏度(往往指阻抗随磁场变化的斜率)，使GMI效应在传感器和磁记录技术中具有巨大的应用潜能。然而，GMI效应不但是非线性的，而且阻抗变化关于零磁场近乎对称，这使得基于GMI效应的磁场传感器的线性度、灵敏度大大降低，并限制了磁场传感器的应用范围。

目前提高GMI效应的方法主要有以下两种：退火处理，这种方法通过改善材料本身的磁性能，提高GMI效应；另外就是施加应力，通过拉应力或者扭矩诱导磁畴改变，增加磁性材料有效磁导率，影响GMI效应。

磁性材料以退火纤维、薄带和薄膜为主，退火方式主要有普通退火、电流退火、磁场退火和焦耳-应力退火以及各种复合退火方式。为了获得有效改善GMI效应的退火工艺，往往需要进行大量的实验、验证，而且退火后部分原材料不可恢复甚至被彻底破坏，如非晶磁性材料退火温度在晶化温度附近时，可能导致非晶材料的晶化，材料基本结构彻底改变，造成不可恢复性破坏。而且，实验过程消耗大量原材料、电力能源等，并需一定实验周期和人力。目前，磁场传感器设计开发中，主要采用前期进行大量实验研究，获得理想退火材料后再进行磁场传感器设计。

对材料施加应力，主要是通过磁弹性能对磁性材料的磁性影响从而影响GMI效应。例如，对于Co基软磁体，施加拉应力后，应力场产生的磁弹性场提高了环向磁导率，从而提高GMI效应。但是，考虑到设备的稳定性、使用寿命等因素，这种方法在理论上虽然能够提高GMI效应的灵敏度，却不能直接应用于磁场传感器设计中，不能满足使用要求。

发明内容

为了节约能源且可有效提高磁场传感器敏感探头灵敏度，本发明基于巨磁阻抗效应，提供一种易于调节、无噪音、无额外能量损耗的一种提高磁场传感器探头灵敏度的方法。

一种提高磁场传感器探头灵敏度的方法，其特征是将传感器探头置于偏置磁场，即传感器探头易磁化方向垂直于偏置磁场易磁化方向，传感器探头两端连接电源。

一种提高磁场传感器探头灵敏度的方法，包括下述内容：

（1）在两块胶纸之间等距离排列若干软磁体构成偏置磁场，相临两根软磁体之间的距离不大于2mm；

（2）将传感器探头放置在胶纸上方，使传感器探头易磁化方向垂直于软磁体易磁化方向；

（3）将传感器探头两端通过导线连接电源；胶纸与传感器探头共同放置在载物台上。

所述易磁化方向是永磁体容易被磁化的某一固定方向，其易磁化方向的测定方法在中国专利号200910119311.9公开的“检测各向异性永磁体易磁化方向的方法及装置” 中有介绍。

所述软磁体为Co基或Fe基软磁材料。

所述软磁体为CoFeSiB或FeSiB制成的纤维。

所述软磁体形态为下述任意一种或下述形态的任意组合：

（1）一维的纤维，纤维直径不小于传感器探头的直径；

（2）二维的薄带、薄膜，薄带、薄膜的宽度不小于传感器探头的直径；

（3）三维的磁性薄片，磁性薄片的宽度与厚度均不小于传感器探头的直径。

所述传感器工作环境温度为-30℃~50℃，将偏置磁场直接粘于硅板或电路板中。

所述传感器工作环境温度为30℃~70℃，将偏置磁场焊接于电路板中。

本发明具有下述有益效果：

(1)采用软磁材料本身激发偏置磁场，不存在额外电能消耗，节约能源；

(2)偏置磁场与传感器探头之间采用非固定式连接，调节过程简单、拆卸方便、易操作；

(3)利用偏置磁场改善磁性材料的GMI灵敏度，对原材料不存在损伤、破坏，节约材料。

附图说明

图1为本发明的检测示意图。

图2为本发明的剖视图。

图3为本发明的检测电路示意图。

图4为Co基软磁体在5MHz时的巨磁阻抗效应图，其中：a、无纤维底片，b、3根纤维底片，c、6根纤维底片。

图中，1、载物台，2、胶纸，3、软磁体，4、传感器探头，5、导线，6、电压表，7、偏置磁场。

具体实施方式

阻抗电路如图3所示，待传感器探头4中通入10MHz、3mA的交流电流，直流磁场Hex平行或者垂直于传感器探头4的轴向，电压表6记录传感器探头4两端的电压值，改变直流磁场Hex的大小和方向，由于GMI效应的存在，阻抗将随磁场Hex的变化而改变，将获得不同的电压值。因此根据电压值的大小，可以判断磁场的强度，这就是基于GMI效应的磁场传感器的基本工作原理。

软磁材料不管采用圆柱状的纤维材料还是薄带/膜，由于软磁材料本身的对称性，阻抗随直流磁场的变化，往往关于零磁场近似对称，如图4所示为Co基软磁体在5MHz时的巨磁阻抗效应，对应的阻抗随磁场的变化率，即在零磁场附近灵敏度往往不高。

在本实施例中，如图1所示，黏贴面上下相对的两层胶纸2中间纵向黏贴等距排列的软磁体3，形成偏置磁场7。

所述的胶纸2为普通市面上所售的透明胶带纸。胶纸2起到绝缘作用，防止偏置磁场7与传感器探头4之间存在电接触。

调整软磁体3和胶纸2的大小，使软磁体3长度小于传感器探头4的长度，然后将偏置磁场7放入传感器探头4底端，使偏置磁场7的易磁化方向与传感器探头4的易磁化方向垂直，测试阻抗变化。

软磁体3为Co基和Fe基软磁材料，通常使用的软磁材料为CoFeSiB或FeSiB。

所述软磁体形态为下述任意一种或下述形态的任意组合：

（1）一维的纤维，纤维直径不小于传感器探头的直径；

（2）二维的薄带、薄膜，薄带、薄膜的宽度不小于传感器探头的直径；

（3）三维的磁性薄片，磁性薄片的宽度与厚度均不小于传感器探头的直径。

若传感器探头工作环境温度较低，为-30℃~50℃，可以将偏置磁场7直接粘于电路板中；若传感器工作环境温度较高，30℃~70℃，根据传感器电路空间，可将偏置磁场7焊接于电路板中。

相临两根软磁体3之间的距离不大于2mm。

图4为当底端放入3根Co基纤维组成的偏执磁场后的巨磁阻抗效应，(相临纤维距离为2mm)灵敏度从275V/T提高到309V/T。当底端放入传感器探头数量增加到6根后(相临纤维距离为2mm)，对应的阻抗变化曲线灵敏度达到674V/T。对应偏置磁场7中包含不同数量磁性纤维时，GMI灵敏度的变化情况如表1所示。所以，只要适当的改变偏置磁场中软磁体的数量即可以提高GMI效应。偏置磁场7中包含的纤维数量一般为8-30根左右，决定于待测样品本身的磁性敏感程度。

下表为GMI灵敏度的变化统计表：

Claims (5)

1.一种提高磁场传感器探头灵敏度的方法，其特征是将传感器探头置于偏置磁场，即传感器探头易磁化方向垂直于偏置磁场易磁化方向，传感器探头两端连接电源；

所述偏置磁场是由两块胶纸之间等距离排列若干软磁体而成，相临两根软磁体之间的距离为2mm；

所述软磁体形态为下述任意一种或下述形态的任意组合：

（1）一维的纤维，纤维直径不小于传感器探头的直径；

（2）二维的薄带、薄膜，薄带、薄膜的宽度不小于传感器探头的直径；

（3）三维的磁性薄片，磁性薄片的宽度与厚度均不小于传感器探头的直径。

2.根据权利要求1所述一种提高磁场传感器探头灵敏度的方法，其特征是所述软磁体为 Co 基或 Fe 基软磁材料。

3.根据权利要求2所述一种提高磁场传感器探头灵敏度的方法，其特征是所述软磁体为CoFeSiB或FeSiB制成的纤维。

4.根据权利要求1所述一种提高磁场传感器探头灵敏度的方法，其特征是所述传感器工作环境温度为 -30℃ ~50℃，所述偏置磁场直接粘贴于硅板或电路板中。

5.根据权利要求1所述一种提高磁场传感器探头灵敏度的方法，其特征是所述传感器工作环境温度为 30℃ ~70℃，所述偏置磁场焊接于电路板中。