CN106291406B - 一种无线圈磁传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种无线圈磁传感器。包括敏感前端、驱动电路和测量模块；所述敏感前端用于敏感磁场，其包括一对或多对复合磁电换能单元；在一对复合磁电换能单元中，其中一个复合磁电换能单元作为被激励单元，另一个复合磁电换能单元作为接收单元；所述复合磁电换能单元由磁致伸缩材料层与压电材料层符合而成；所述驱动电路用于产生激励被激励单元的驱动信号，所述测量模块用于获取接收单元输出的电压信号，根据所述电压信号的电压值和电压‑磁场函数关系解算出外部磁场值。本发明无需采用线圈即可探测静态和准静态磁场，在使用中避免产生电磁干扰和焦耳热，降低了功耗，提高了测量的稳定性。

Description

一种无线圈磁传感器

技术领域

本发明涉及一种无线圈磁传感器，尤其涉及一种基于磁致伸缩材料和压电材料复合的无线圈磁传感器。

背景技术

传统的磁传感器种类主要有超导量子干涉磁强计(SQUID)、霍尔传感器、磁通门磁传感器、磁敏二极管磁传感器、磁敏三极管磁传感器、核磁共振磁传感器、光泵式磁传感器、巨磁阻抗传感器、电磁感应式磁传感器等。SQUID是最高精度的低频磁传感器，但其需要在低温下工作，且体积大、价格昂贵；磁通门磁传感器、核磁共振磁传感器和光泵式磁传感器的结构复杂，且笨重、价格昂贵、功耗高；巨磁阻抗传感器的灵敏度很高，但是需要精密的电桥电路和有源激励工作；电磁感应式磁传感器的精度高，但体积大，不适用于探测缓慢变化磁场。

磁致伸缩材料与压电材料，具有磁、电、力等物理场耦合效应，能够分别实现磁-机和电-机转换和逆向转换。将这两种材料叠层复合，还会由于复合材料的“乘积效应”产生新特性——磁电效应。目前，业内人士将磁致伸缩材料与压电材料复合构成复合磁电换能单元，利用其“乘积效应”产生的磁电效应设计高灵敏度的磁传感器，例如文献Dong等报道的基于复合磁电换能单元的磁传感器，其灵敏度可达10^-11T(Shuxiang Dong,Jie-Fang Li,and D.Viehland,Ultrahigh magnetic field sensitivity in laminates of TERFENOL-D and Pb(Mg_1/3Nb_2/3O₃–bUltO₃crystals,Appl.Phys.Lett.,vol.83,no.11,2003)。但是由于压电材料层的电容特性，“乘积效应”产生的磁电效应具有明显的高通特性，导致传感器低频磁电响应性能较差且不能直接探测静态磁场(Shuxiang Dong,Junyi Zhai,ZhengpingXing,Jie-Fang Li,and D.Viehland，Extremely low frequency response ofmagnetoelectric multilayer composites,Appl.Phys.Lett.86,102901,2005)。一些学者在复合磁电换能单元外部绕制线圈来产生磁激励磁场，在激励磁场作用下，利用复合磁电换能单元的磁电输出随磁场变化的特性来进行静态和准静态磁场探测，从而克服复合磁电换能单元低频磁电响应性能较差的缺点。但是，这种线圈激励的方式又带来新的问题，例如线圈激励会产生电磁干扰、焦耳热等问题，从而导致传感器功耗大、稳定性差，还有可能对其它电子设备造成电磁干扰。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无线圈磁传感器，无需采用线圈即可探测静态和准静态磁场，在使用中避免产生电磁干扰和焦耳热，降低了功耗，提高了测量的稳定性。

为了解决上述技术问题，本发明提出一种无线圈磁传感器，包括敏感前端、驱动电路和测量模块；所述敏感前端用于敏感磁场，其包括一对或多对复合磁电换能单元；在一对复合磁电换能单元中，其中一个复合磁电换能单元作为被激励单元，另一个复合磁电换能单元作为接收单元；所述复合磁电换能单元由磁致伸缩材料层与压电材料层符合而成；所述驱动电路用于产生激励被激励单元的驱动信号，所述测量模块用于获取接收单元输出的电压信号，根据所述电压信号的电压值和电压-磁场函数关系解算出外部磁场值。由于正逆磁电效应的转换系数都随外部静态磁场变化，测量模块可以根据所述电压信号的电压值和电压-磁场函数关系解算出外部磁场值；

进一步，所述无线圈磁传感器还包括人机交互模块，完成人机交互功能，可以在人机交互界面上进行待测磁场类型(静态磁场、准静态)、激励信号类型(正弦、线性调频等)以及测量精度等要求的设置，设置完成后通过按键启动测量。

所述无线圈磁传感器工作时，驱动电路产生正弦、脉冲或线性调频等类型的驱动信号，驱动信号传送给被激励单元的压电材料层的电极；由于逆磁电效应，被激励单元产生激励磁场，此时，由于磁电效应，作为接收单元的复合磁电换能单元在激励磁场作用下，其压电材料层产生电压信号输出，将该电压信号送至测量模块进行幅相测量；由于正、逆磁电效应的转换系数都随外部静态或准静态磁场变化，所以测量模块检测到的电压信号值是外部待测磁场的函数，测量模块根据预先标定出的电压信号与外部静态或准静态磁场的函数关系就可以解算出外部磁场值，从而实现静态和准静态磁场测量。

测量模块根据人机交互模块选择的激励信号类型，选择对应的测量方式来进行磁电信号测量。如果驱动电路产生的激励信号为正弦信号，则测量模块采用锁相放大电路进行电压信号检测，获得正弦信号幅度和相位值；如果驱动电路产生的激励信号为脉冲或线性调频信号，则测量模块进行对电压信号进行采样和传递函数分析，获得复合磁电换能单元谐振频率、频带特性、电压信号谐振点峰值和相位等，测量模块根据电压信号值与外部磁场的函数关系获得外部磁场值，并送到人机交互界面显示。用户还可以根据脉冲或线性调频信号激励时获得复合磁电换能单元传递函数、谐振频率值是否发生异常变化来判断磁传感器是否损坏。

进一步，所述无线圈磁传感器还包括导磁体，与复合磁电换能单元内的磁致伸缩材料构成闭合磁路，增强不同复合磁电换能单元之间逆磁电效应和正磁电效应的磁耦合，从而提高传感器的灵敏度。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)本发明所述的无线圈磁传感器同时利用了复合磁电换能单元的正磁电效应和逆磁电效应，其中，逆磁电效应用于产生激励磁场，采用所述传感器进行静态和准静态磁场探测时无需采用线圈激励和感应，克服了现有技术存在的功耗大、产生焦耳热和电磁干扰等缺点；(2)本发明利用复合磁电换能单元的磁电效应，还可以同时实现高频磁场探测；(3)本发明中复合磁电换能单元由磁致伸缩材料和压电材料可以以黏结、物理溅射、化学生长等方式复合在一起构成，当采用物理溅射或化学生长的方法制备时，有利于以微机电系统(MEMS)的方式实现，可以降低磁传感器探头的成本和体积。

附图说明

图1是本发明所述无线圈磁传感器一种实施方式的结构示意图。

图2是本发明所述无线圈磁传感器另一种实施方式的结构示意图。

图3是本发明所述无线圈磁传感器第三种实施方式的结构示意图。

图4是本发明所述无线圈磁传感器第四种实施方式的结构示意图。

具体实施方式

实施例1：

结合图1，敏感前端1由两个复合磁电换能单元和导磁体4构成；两个复合磁电换能单元平行放置，导磁体4与两个复合磁电换能单元中的磁致伸缩材料层2形成闭合磁路以增强磁耦合，从而提高磁测量的灵敏度。敏感前端1也可以采用特殊形状的磁致伸缩材料层2，例如在方形的磁致伸缩材料层2上复合两片压电材料层3，这样既能形成两个复合磁电换能单元，又可以在不借助外部导磁体4的情况下由磁致伸缩材料自身构成闭合磁路；或者直接加长两个复合磁电换能单元中的磁致伸缩材料层2，使其能够自行形成闭合磁路。两个复合磁电换能单元中，其中一个作为被激励单元，另外一个作为接收单元。

复合磁电换能单元由磁致伸缩材料层2和压电材料层3以黏结、物理溅射、化学生长等方式复合在一起构成。复合的方式使得磁致伸缩材料层2和压电材料层3之间存在应力应变耦合，即磁致伸缩材料2在磁场激励下产生的磁致伸缩变形可以传递到压电材料3上，使压电材料层3也发生变形，反之，压电材料层3在电压激励下产生的电致伸缩变形也能传递到磁致伸缩材料层2上，使磁致伸缩材料层2发生磁化。复合磁电换能单元具有正磁电效应和逆磁电效应。复合磁电换能单元的磁致伸缩材料层在磁场激励下，会产生机械变形，该机械变形耦合到压电材料层后，使压电材料产生电极化，从而在压电材料层的电极之间产生电压，这种磁-电的转换现象称为正磁电效应；复合磁电换能单元的压电材料层在电压驱动信号激励下产生机械变形，该机械变形耦合到磁致伸缩材料层后，使磁致伸缩材料产生磁化，从而产生磁场，这种电-磁的转换现象称为逆磁电效应。因为磁致伸缩材料的磁致伸缩系数是外部磁场的非线性函数，所以正磁电效应的磁-电转换系数和逆磁电效应的电-磁转换系数都随外部磁场的变化而变换。因此，本发明在敏感前端最少设置一对复合磁电换能单元，每对复合磁电换能单元中，将其中一个复合磁电换能单元作为被激励单元，将另一个复合磁电换能单元作为接收单元，利用被激励单元的逆磁电效应产生激励磁场，使接收单元在激励磁场的作用下输出电压信号。由于正、逆磁电效应都随外部磁场变化，从而接收单元的磁电输出随外部磁场变化，利用该特性进行静态和准静态磁场探测无需采用线圈，克服了传统线圈激励方式产生焦耳热、电磁干扰等缺点。

人机交互模块7包含人机交互界面和对外通讯接口，根据用户设定的测量参数自动发送对应的控制指令到驱动电路5和测量模块6，并接收驱动电路5和测量模块6返回的状态和测量结果。

驱动电路5根据人机交互模块7的指令，产生正弦、脉冲或者线性调频三种信号，三种激励信号模式下，使用正弦信号进行激励时，可以获得最高的测量值精度，使用脉冲或者线性调频信号进行进行激励时，可获得器件的谐振频率和宽带特性，从而可以判断传感器是否损坏或存在异常。驱动信号送入到被激励单元中压电材料层3的电极上，被激励单元由于逆磁电效应产生激励磁场；由于磁电效应，接收单元在激励磁场作用下，其压电材料层3产生电压信号，该电压信号通过接收单元中压电材料层3的电极送入测量模块6。测量模块6根据测量获得的电压信号的电压值，以及根据预先标定的电压-外部磁场函数关系，解算出外部磁场值，然后将外部磁场值送到人机交互模块7的界面进行显示。本发明可以采用的驱动电压信号为高频信号时，例如大于等于1000Hz，可以针对的测量磁场是静态或准静态，比如用一个1kHz的电压激励，产生的激励磁场是1000Hz的，接收单元的输出电压也是1kHz的，这个1kHz电压信号的幅度随外部静态磁场变化，这个关系是可以标定出来的，根据标定的函数关系就可以获得外部静态或准静态磁场的值。

所述驱动电路5采用数字频率合成(DDS)等常规方法产生驱动信号，测量模块6对正弦信号采用锁定放大电路测量出电压信号的幅度值和相位，对脉冲或线性调频等信号则进行采样，并采用快速傅里叶变换(FFT)、脉冲压缩等数字信号处理方法进行分析，获得谐振频率、频带特性等特征参数变化特性和外部磁场值。

上述敏感前端中磁致伸缩材料层2为各种具有磁致伸缩效应的材料，包括稀土钛镝铁合金和铁镓合金、非晶态合金等。

上述敏感前端中压电材料层3为各种具有压电效应的材料，包括压电陶瓷、氧化锌、压电单晶PMN-PT、石英晶体等。

上述传感器中导磁材料4为各种具有高磁导率的材料，包括电磁纯铁、铁氧体、非晶态合金等。

实施例2：

结合图2，本实施例与实施例1不同之处在于，敏感前端1中的两个复合磁电换能单元一字排列，与实施例1采用的平行排列方式相比，可以减小传感器敏感前端的横向尺寸。

实施例3：

结合图3，本实施例与实施例1不同之处在于，敏感前端1中的两个复合磁电换能单元平行排列，与实施例1的排列相同，但在本实施例中将导磁体4制作成支架形式，可以作为两个复合磁电换能单元的固定支架，这样方便敏感前端1和整个传感器的加工安装。

实施例4：

实际上，敏感前端1采用的复合磁电换能单元的数量和放置形式还有其它多种方案，比如四个复合磁电换能单元按照四边形放置或者八个复合磁电换能单元按照八边形放置，只要满足对称的多边结构即可，这样可以实现矢量参量的全方位、立体测量。结合图4，实施例4与实施例1的不同之处仍然在于敏感前端1，实施例4的敏感前端1采用了六个复合磁电换能单元。六个复合磁电换能单元依此分布形成一个正六边形边结构，六个复合磁电换能单元布置在正六边形的六个边框上，呈对称分布。六个复合磁电换能单元的磁致伸缩材料层2构成一个闭合磁路；也可以在相邻的复合磁电换能单元之间放置多个导磁体4以增强相邻两个复合磁电换能单元之间的磁耦合。在两两相对的、互相平行的边框上的一对复合磁电换能单元中，当其中任意一个用作被激励的单元时，另一个则用作接收单元。这种对称多边形的结构形式，能够实现物理量的矢量测量，分辨出待测磁场的方向。

Claims (8)

1.一种无线圈磁传感器，其特征在于，包括敏感前端、驱动电路和测量模块；

所述敏感前端用于敏感磁场，其包括一对或多对复合磁电换能单元；各对复合磁电换能单元中，其中一个复合磁电换能单元作为被激励单元，另一个复合磁电换能单元作为接收单元；

所述驱动电路用于产生激励被激励单元的驱动信号；

所述测量模块用于获取接收单元输出的电压信号，根据所述电压信号的电压值和电压与磁场之间的函数关系解算出外部磁场值；

所述复合磁电换能单元由磁致伸缩材料层与压电材料层复合而成；驱动信号送入到被激励单元中压电材料层的电极上；被激励单元由于逆磁电效应产生激励磁场；由于磁电效应，接收单元在激励磁场作用下，其压电材料层产生电压信号，该电压信号通过接收单元中压电材料层的电极送入测量模块。

2.如权利要求1所述无线圈磁传感器，其特征在于，所述驱动电路产生的驱动信号为正弦信号、或者为脉冲信号，或者为线性调频信号。

3.如权利要求1所述无线圈磁传感器，其特征在于，所述敏感前端包括两个复合磁电换能单元，所述两个复合磁电换能单元平行放置。

4.如权利要求1所述无线圈磁传感器，其特征在于，所述敏感前端包括两个复合磁电换能单元，所述两个复合磁电换能单元一字排列。

5.如权利要求1所述无线圈磁传感器，其特征在于，所述敏感前端包括多对复合磁电换能单元，全部复合磁电换能单元按照对称的多边结构放置，全部复合磁电换能单元的磁致伸缩材料层依此构成一个完整的闭合磁路。

6.如权利要求1、2、3、4或者5所述无线圈磁传感器，其特征在于，还包括导磁体，所述导磁体与复合磁电换能单元内的磁致伸缩材料构成闭合磁路。

7.如权利要求6所述无线圈磁传感器，其特征在于，所述导磁体为支架结构，用于固定所述复合磁电换能单元。

8.如权利要求1、2、3、4、5或者7所述无线圈磁传感器，其特征在于，还包括人机交互模块，用于设定待测磁场类型、激励信号类型以及显示磁场测量结果。