CN105891743B - 一种巨磁阻抗传感器的激励方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种巨磁阻抗传感器的多频激励方法及其装置，产生多频激励方法的具体步骤包括：将产生激励信号的振荡信号进行分频滤波、混频处理后，可产生5种不同频率的激励信号，使用其中一种作为激励信号；实现多频激励的装置包括振荡电路、分频滤波电路、混频电路、多路开关电路、微处理器和比较电路；本发明提供的激励方法和装置具有通用性，通过采用分时多频激励方法，有效提高了巨磁阻抗传感器的灵敏度。

Description

一种巨磁阻抗传感器的激励方法及装置

技术领域

本发明涉及传感器的激励方法及装置，特别是巨磁阻抗传感器的激励方法及装置。

背景技术

磁阻抗效应最早是在1935年发现的，但当时由于材料和环境等各方面的限制，这一发现并未引起广泛关注。直到1992年，日本名古屋大学的K.Mohri等人在CoFeSiB非晶丝材料中发现了巨磁阻抗(GMI)效应，即磁性材料的交流阻抗随着外加直流磁场的变化而显著变化，这种变化比GMR效应还要高一个数量级，从而受到了广泛关注。目前对巨磁阻抗效应比较一致的定义是：巨磁阻抗效应是指磁性材料的交流阻抗随着外加直流磁场的变化而发生显著变化的效应。它是一种量子力学和凝聚态物理学现象，是磁阻效应的一种，可以在磁性材料和非磁性材料相间的薄膜层(几个纳米厚)结构中观察到，在室温下对弱磁场非常敏感，而且效应显著、响应速度快。

巨磁阻抗效应产生的机理至今尚未完全明确，但目前绝大部分的研究认为巨磁阻抗效应与高频激励电流下非晶材料的趋肤效应相关。所谓趋肤效应，是指当交变电流通过导体时，导体截面上的电流由于感应作用而分布不均，并且越接近导体表面，电流的密度越大。趋肤效应的物理意义可以理解为：导体内部电流密度为导体表面电流密度37％的位置到导体表面的距离。在强趋肤效应的作用下，非晶材料的交流阻抗与其电阻率、激励电流频率和圆周磁导率有关。

华东师范大学的张军车在2006年的硕士学位论文“非晶纳米晶玻璃包裹丝的软磁性能及巨磁阻抗效应研究”中指出，巨磁阻抗效应的产生与非晶材料在高频电流激励下的趋肤效应有关，外加磁场影响了材料的趋肤深度，从而改变了材料的交流阻抗。一般来说，影响巨磁阻抗效应的因素可以归结为两类：一类是巨磁阻抗效应与非晶材料本身的关系，例如非晶材料的磁各向异性、磁致伸缩系数、制作传感器时非晶材料尺寸等；一类是外界的环境因素，例如激励电流的频率、环境温度等。关于频率因素对巨磁阻抗效应的影响可以在以下几个频段内讨论。

(1)低频范围(1～10KHz)

在这个范围内，非晶材料的厚度要比趋肤效应的深度小得多，此时外加磁场引起的磁导率的变化使非晶材料阻抗的虚部变化较大而实部没有明显变化。这是因为在低频条件下，阻抗的虚部与材料的自感系数成正比，而自感系数又与起始磁导率成正比。因此当外加磁场作用于非晶材料时，其磁导率降低，从而使自感系数变化明显。这种在低频条件下非晶材料电感量的明显变化称为磁感应(Magnetic-inductive，MI)效应。

(2)中频范围(10KHz～10MHz)

在这个范围内，非晶材料有明显的趋肤效应。影响非晶材料阻抗变化的因素有材料的圆周磁导率、电阻率以及激励电流频率。当电阻率和激励电流频率一定时，外加磁场使圆周磁导率减小，从而明显增大了趋肤深度，使非晶材料阻抗的实部和虚部都明显改变，从而产生了巨磁阻抗效应。在铁磁性材料中，圆周磁导率的改变是产生巨磁阻抗效应的主要原因。

(3)高频范围(10MHz～几GHz)

在这个范围内，磁矩转动在磁化过程中占了主导地位，巨磁阻抗效应主要受其动力学特征的影响，这时，基于Maxwell方程组和Landau-Lifshitz方程的模型将会更加复杂。该过程可以通过铁磁理论解释。具体可参考相关文献，这里不再赘述。

综上所述，一旦非晶材料成型，激励信号的频率就成了影响巨磁阻抗效应的最主要因素。对于巨磁阻抗效应激励频率的选择，N.Derebasi在文献“Giant Magneto-impedance Effect：Concept and Prediction inAmorphous Materials”中指出，每一种材料都有一个特定的激励频率，在该频率下巨磁阻抗效应可以达到最大值。因此，目前巨磁阻抗传感器的研究中激励信号的频率都是在最佳激励频率下进行研究的。

巨磁阻抗传感器激励信号的类型主要有方波、矩形脉冲、尖脉冲和单频正弦信号。2008年P.Kollu在第90期《Applied Physics A》的“One-dimensional AGMI sensor withCo₆₆Fe₄Si₁₅B₁₅ribbon as sensing element”中以脉冲信号作为敏感元件的激励；蒋颜玮等在2011年第2期《传感技术学报》的“基于非晶合金非对称巨磁阻抗效应的磁传感器设计”中以正弦信号作为激励。这些方案具有信号波形简单、容易生成等优点，但在应用中也存在一些不足，例如用脉冲信号作为巨磁阻抗传感器的激励，对电路存在冲击，噪声大，而且限制了可选择的激励波形种类。

对不同外加磁场下激励频率与非晶材料阻抗变化率的关系进行深入分析，还可以得到以下结论：

(1)非晶材料的巨磁阻抗效应存在最佳激励频率。在不同的外加磁场强度下，随着激励信号频率的增大，非晶材料的阻抗变化率都是先增大后减小，并且在某一特定频率取得最大值，这个频率就是该非晶材料的最佳激励频率。不同的非晶材料，最佳激励频率不同。

(2)不同磁场强度时，最佳激励频率不同。外加磁场强度不同时，非晶材料的阻抗变化率最大值对应的激励频率不同。从这个特性出发，巨磁阻抗传感器设计时，激励频率的选择应该依据被测磁场强度的范围确定。

(3)磁场越弱，激励频率对巨磁阻抗效应的影响越大。在不同磁场强度下，激励频率对巨磁阻抗效应的影响不同。因此，在外磁场很弱的情况下，合理选择激励频率十分重要；而当磁场强度在较大范围内变化时，单一的激励频率很难满足总体的精度要求。

(4)磁场变化范围相同时，阻抗变化率的变化越大，用于磁场测量时的灵敏度越高。在曲线的近似线性区域，不需要很大的激励频率就可以获得较大的巨磁阻抗效应，即灵敏度较高；而激励频率较高时，阻抗变化率的变化范围较小，灵敏度较低。

(5)激励频率固定时，对于不同的磁场变化范围，其能够达到的灵敏度不同。因此，对于特定的磁场环境，并不是采用最佳激励频率就能达到最好的效果。

灵敏度和量程是巨磁阻抗传感器设计时最重要的两个指标，但由上述分析可见传统的单一频率的激励方法很难同时满足这两方面的要求。采用单一频率激励方法尽管简单，但有一定的局限性，对激励方法进行改进是提高巨磁阻抗传感器性能的一个重要途径。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种巨磁阻抗传感器的多频激励方法及其激励装置，有效提高其测量精度。

为解决上述技术问题，本发明所提供的巨磁阻抗传感器的激励方法，其技术方案实施步骤如下：

一、产生频率为2f₀的振荡信号，f₀是巨磁阻抗传感器的最佳激励频率：

二、对所述频率为2f₀的振荡信号进行分频滤波处理：

(一)进行二分频并滤波得到频率为f₀的激励信号1；

(二)进行十分频并滤波得到频率为0.2f₀的十分频信号；

(三)进行二十分频并滤波得到频率为0.1f₀的二十分频信号；

三、混频处理：

(一)将激励信号1和十分频信号进行混频，取其和频得到频率为1.2f₀的激励信号2，取其差频得到频率为0.8f₀的激励信号3；

(二)将激励信号1和二十分频信号进行混频，取其和频得到频率为1.1f₀的激励信号4，取其差频得到频率为0.9f₀的激励信号5；

四、从激励信号1、激励信号2、激励信号3、激励信号4和激励信号5中选择一种作为输出激励信号。

当被测磁场是静态磁场或缓慢变化的磁场时，可以轮流使用5个激励信号作为巨磁阻抗传感器的激励信号，分别取得对应的测量结果，再对不同激励信号下取得的测量结果进行处理得到最终测量结果。

当待测磁场是快速变化的磁场时，轮流分时激励将降低传感器的反应速度，反而降低了传感器的性能。此时，可以根据待测磁场的强度范围，从5个激励信号中选择一个最接近最佳激励频率的作为激励信号，其他信号则通过软件控制进行屏蔽。

本发明还提供了一种基于上述巨磁阻抗传感器激励方法的激励装置，该装置包括振荡电路、分频滤波电路、混频电路、多路开关电路、微处理器和比较电路。其中，振荡电路，用于产生频率为2f₀的振荡信号；分频滤波电路，分别用于将所述频率为2f₀的振荡信号进行二分频并滤波得到频率为f₀的激励信号1；将所述振荡信号进行十分频并滤波得到频率为0.2f₀的十分频信号；将所述振荡信号进行二十分频并滤波得到频率为0.1f₀的二十分频信号；经分频滤波电路后激励信号1、十分频信号和二十分频信号的信号类型为正弦信号；混频电路，包括第一混频电路和第二混频电路，第一混频电路用于将激励信号1和十分频信号进行混频得到频率为1.2f₀的激励信号2和频率为0.8f₀的激励信号3；第二混频电路用于将激励信号1和二十分频信号进行混频得到频率为1.1f₀的激励信号4和频率为0.9f₀的激励信号5；激励信号2、激励信号3、激励信号4和激励信号5的信号类型为正弦信号；

多路开关电路、微处理器和比较电路，多路开关电路的输入端分别电连接激励信号1、激励信号2、激励信号3、激励信号4和激励信号5，多路开关电路的控制端电连接微处理器输出端，多路开关电路的输出端电连接比较电路的输入端；多路开关电路在微处理器输出的控制信号作用下选择一路激励信号输出至比较电路，经比较电路后激励信号类型转换成矩形脉冲激励信号；比较电路的基准电压为直流电压，可由直流电源提供，通过调整所述比较电路的基准电压来调整激励信号的占空比。

本发明比现有技术具有的优点：

通过采用分时多频激励方法，有效提高了巨磁阻抗传感器的灵敏度。

附图说明

为了更好地理解本发明，下面结合附图作进一步的说明。

图1是巨磁阻抗传感器的激励处理方法流程图；

图2是是巨磁阻抗传感器的激励装置的硬件原理图；

图3是不同外加磁场下激励频率与非晶材料阻抗变化率的关系。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明所述的巨磁阻抗传感器的激励方法，其流程如图1所示；所述激励装置原理框图如图2所示。

选定非晶材料后，或对于一个巨磁阻抗传感器，其最佳激励频率是确定的。本实施例中，在不同外加磁场下非晶材料阻抗变化率与激励信号频率的关系如图3所示，因此所述巨磁阻抗传感器的最佳激励频率f₀为10MHz，所述激励方法的具体步骤如下：

一、产生频率为20MHz的振荡信号；

二、对所述频率为20MHz的振荡信号进行分频滤波处理：

(一)进行二分频并滤波得到频率为10MHz的激励信号1；

(二)进行十分频并滤波得到频率为2MHz的十分频信号；

(三)进行二十分频并滤波得到频率为1MHz的二十分频信号；

三、混频处理：

(一)将激励信号1和十分频信号进行混频，取其和频得到频率为12MHz的激励信号2，取其差频得到频率为8MHz的激励信号3；

(二)将激励信号1和二十分频信号进行混频，取其和频得到频率为11MHz的激励信号4，取其差频得到频率为9MHz的激励信号5；

四、从产生的10MHz、12MHz、8MHz、11MHz和9MHz这五种频率的激励信号中选择一种作为输出激励信号。

当被测磁场是静态磁场或缓慢变化的磁场时，可以轮流使用5个激励信号作为巨磁阻抗传感器的激励信号，分别取得对应的测量结果，再对不同激励信号下取得的测量结果进行算术平均或加权平均等处理方法得到最终测量结果。

当待测磁场是快速变化的磁场时，轮流分时激励将降低传感器的反应速度，反而降低了传感器的性能。此时，可以根据待测磁场的强度范围，从5个激励信号中选择一个最接近最佳激励频率的作为激励信号，其他信号则通过软件控制进行屏蔽。

本实施例所述巨磁阻抗传感器的最佳激励频率f₀为10MHz，相应的激励装置的原理框图见图2。振荡电路可选用20MHz的晶振作为原始振荡信号源，将其经过二分频滤波电路后得到频率为10MHz的正弦波信号，作为最佳激励频率10MHz的激励信号输出至多路开关电路；将振荡电路产生的20MHz振荡信号经过十分频滤波电路后得到频率为2MHz的正弦信号，将其与10MHz激励信号通过第一混频电路混频，得到频率为12MHz和8MHz的两种激励信号，分别输出至多路开关电路；将振荡电路产生的20MHz振荡信号经过二十分频滤波电路后得到频率为1MHz的正弦信号，将其与10MHz激励信号通过第二混频电路混频，可以得到频率为11MHz和9MHz的两种激励信号，分别输出至多路开关电路。这样总共得到了频率分别为10MHz、12MHz、8MHz、11MHz和9MHz的5路激励信号，加到了多路开关电路的信号输入端。至于哪路信号通过，则由微处理器来控制，即进行激励信号选择。由于多路开关是通过软件来控制通断，因此激励信号选择方法比较灵活。

多路开关电路输出的激励信号加到比较电路的输入端，通过比较电路后就形成了矩形脉冲激励信号；通过调整比较电路的基准电压可以调整矩形脉冲激励信号的占空比，本实施例中将矩形脉冲激励信号的占空比调整至40％。比较电路的基准电压为直流电压，可采用电池或其他直流电源提供。

所述二分频滤波电路、十分频滤波电路和二十分频滤波电路可以采用十进制二-五分频计数器74LS290和有源二阶低通滤波器来实现；所述第一混频电路和第二混频电路可采用集成模拟乘法器MC1596实现；所述多路开关电路可采用集成8路模拟开关CD4051；所述比较电路可采用LM1458集成运算放大器来实现；所述微处理器可采用8051系列或ARM32系列单片机。

为了说明所述激励方法及装置的应用效果，利用精度为1nT的三轴FE-3MF型亥姆霍兹线圈产生标准磁场，利用所述巨磁阻抗传感器进行测量。表1给出了分别利用单一最佳频率矩形脉冲激励、分时多频矩形脉冲激励两种激励方法的测量结果。

表1 应用两种激励方法的测量结果

由表1可见，两种方法的测量精度在一定范围内是相当的，即在0.8～2.4Oe范围内，应用单一频率激励方法的测量结果的平均相对误差为2.47％，应用分时多频激励方法的测量结果的平均相对误差为2.22％，二者没有显著差别；但超出一定范围后，采用分时多频激励方法的测量精度明显优于传统的采用最佳激励频率的单一频率激励方法，这正是利用了不同激励频率对不同场强的敏感程度有所不同的性质，如表1中大于2.4Oe时，应用单一频率激励方法的测量结果的平均相对误差为6.41％，应用分时多频激励方法的测量结果的平均相对误差为3.59％，显然测量误差明显较小。从整体上来看，应用单一频率激励方法的测量结果的平均相对误差为4.30％，应用分时多频激励方法的测量结果的平均相对误差为2.80％，因此，本专利所述的巨磁阻抗传感器的激励方法对测量精度有明显的改善效果。

以上所述，仅是本发明的较佳实施方式，不应被视为对本发明范围的限制。凡熟悉此领域技术的人士，依照本发明披露的技术思想、技术方法和技术内容所思及的等效变化或简化等内容，均应落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种巨磁阻抗传感器的激励方法，其特征在于：

一、产生频率为2f₀的振荡信号，f₀是巨磁阻抗传感器的最佳激励频率；

二、对所述频率为2f₀的振荡信号进行分频滤波处理：

(一)进行二分频并滤波得到频率为f₀的激励信号1；

(二)进行十分频并滤波得到频率为0.2f₀的十分频信号；

(三)进行二十分频并滤波得到频率为0.1f₀的二十分频信号；

三、混频处理：

(一)将激励信号1和十分频信号进行混频，取其和频得到频率为1.2f₀的激励信号2，取其差频得到频率为0.8f₀的激励信号3；

(二)将激励信号1和二十分频信号进行混频，取其和频得到频率为1.1f₀的激励信号4，取其差频得到频率为0.9f₀的激励信号5；

四、从激励信号1、激励信号2、激励信号3、激励信号4和激励信号5中选择一种作为输出激励信号。

2.根据权利要求1所述的一种巨磁阻抗传感器的激励方法，其特征在于：轮流使用所述激励信号1、激励信号2、激励信号3、激励信号4和激励信号5作为所述巨磁阻抗传感器的激励信号，分别取得对应的测量结果，再对不同激励信号下取得的测量结果进行处理得到最终测量结果。

3.根据权利要求1所述的一种巨磁阻抗传感器的激励方法，其特征在于：所述巨磁阻抗传感器的最佳激励频率f₀＝10MHz。

4.一种基于权利要求1所述的一种巨磁阻抗传感器的激励方法的激励装置，包括振荡电路、分频滤波电路、混频电路、多路开关电路、微处理器和比较电路，其特征在于：

振荡电路，用于产生频率为2f₀的振荡信号；

分频滤波电路，分别用于将所述频率为2f₀的振荡信号进行二分频并滤波得到频率为f₀的激励信号1；将所述振荡信号进行十分频并滤波得到频率为0.2f₀的十分频信号；将所述振荡信号进行二十分频并滤波得到频率为0.1f₀的二十分频信号；经分频滤波电路后激励信号1、十分频信号和二十分频信号的信号类型为正弦信号；

混频电路，包括第一混频电路和第二混频电路，第一混频电路用于将激励信号1和十分频信号进行混频得到频率为1.2f₀的激励信号2和频率为0.8f₀的激励信号3；第二混频电路用于将激励信号1和二十分频信号进行混频得到频率为1.1f₀的激励信号4和频率为0.9f₀的激励信号5；激励信号2、激励信号3、激励信号4和激励信号5的信号类型为正弦信号；

多路开关电路、微处理器和比较电路，多路开关电路的输入端分别电连接激励信号1、激励信号2、激励信号3、激励信号4和激励信号5，多路开关电路的控制端电连接微处理器输出端，多路开关电路的输出端电连接比较电路的输入端；多路开关电路在微处理器输出的控制信号作用下选择一路激励信号输出至比较电路，经比较电路后激励信号类型转换成矩形脉冲激励信号；比较电路的基准电压为直流电压，可由直流电源提供，通过调整所述比较电路的基准电压来调整激励信号的占空比。

5.根据权利要求4所述的一种巨磁阻抗传感器的激励装置，其特征在于：所述矩形脉冲激励信号的占空比为40％。