CN107884838A - 一种磁电复合材料基高灵敏地磁场传感器 - Google Patents

一种磁电复合材料基高灵敏地磁场传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁电复合材料基高灵敏地磁场传感器，属于地磁场传感器领域。本发明利用玻璃金属‑压电材料复合的层状结构复合材料具有巨大的磁电耦合效应，提供一种地磁场传感器。其中三轴正交传感体系(2)为磁电复合材料，通过压电材料层(6)上下表面分别粘覆插指电极(5)，两个磁致伸缩材料层(3)分别粘覆于插指电极(5)外侧，外部缠绕着电感线圈(3)构成。所述的控制盒(1)中安装的锁相放大电路系统(7)由正弦信号发生电路模块、正弦信号幅度放大电路模块、乘法器电路模块、滤波电路模块和直流信号放大电路模块组成。本发明具有体积小，分辨率高，操作简单，易携带，可进行大范围三维空间磁场信息收集等优点。

Description

一种磁电复合材料基高灵敏地磁场传感器
技术领域
本发明属于地磁场传感器领域，具体涉及一种磁电复合材料基高灵敏地磁场传感器。
背景技术
随着科学技术的发展，磁场传感器在消费类电子产品，汽车电子，工业生产，医疗器件，矿藏探测等领域发挥着极其重要的作用。尤其是基于地磁场的定位、导航系统引起了极大的关注，越来越多的科研工作投入到此领域。而针对这个科研领域，极大部分的研究工作基于目前市场上已有的非国产高灵敏磁传感，如超导量子干涉仪(SQUIDs)，磁通门传感器(Fluxgate)等。此类传感器虽然具有很高的灵敏度，但是存在着一定的局限性。如超导量子干涉仪需要超低温的工作环境、成本很高，达到几十万至百万美元。磁通门传感器造价相对较低，但是功耗很高不适合野外长时间测量。
而近些年磁电复合功能材料引起了广泛的关注，特别是弗吉尼亚理工大学的研究员们提出的玻璃金属-压电材料复合的层状结构复合材料具有巨大的磁电耦合效应达到了高于 30V/cm-Oe，优异的耦合性能使得基于磁电复合材料的器件研发工作得到了极大的发展。如基于磁电复合效应提出了一种新型的交流磁场传感器(专利号：CN103744036A)。但是，该种传感器只能感应交流磁场的大小对于直流磁场或地磁场则无法进行探测。而针对地磁场探测方面也有些科研工作，如Dmitrii Burdin设计的器件可以灵敏度为0.25V/Gs，可探测10nT的直流磁场(Dmitrii Burdin et al 2016J.Phys.D:Appl.Phys.49 375002)。但是，这些研究工作还处于实验室阶段没有办法进行实际应用测试，同时上述工作中的灵敏度和分辨率都不是很高无法和现有市场上的其它器件相比。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种高灵敏三维磁电复合基地磁场传感器。
一种高灵敏三维磁电复合基地磁场传感器包含控制盒(1)与三轴正交传感体系(2)；三轴正交传感体系(2)安装于控制盒(1)的上方，分别包括X轴磁电传感模块(21)、Y轴磁电传感模块(22)和Z轴磁电传感模块(23)，每个轴的磁电传感模块均由磁电复合材料(8)构成；控制盒(1)内部安装有锁相放大电路系统(7)；所述的磁电复合材料(8)由磁致伸缩材料(4)、插指电极(5)和压电材料(6)组成；压电材料(6)的上下表面分别粘覆插指电极(5)，两个磁致伸缩材料(4)分别粘覆于插指电极(5)外侧，外部缠绕着螺线管线圈 (3)。
所述的锁相放大电路系统(7)为自主设计的模拟电路，包含正弦信号发生电路模块、正弦信号幅度放大电路模块、乘法器电路模块、滤波电路模块和直流信号放大电路模块。
所述锁相放大电路系统(7)的工作流程包括如下步骤：
步骤一：正弦信号发生模块产生1kHz的电感线圈激励正弦信号；
步骤二：正弦信号幅度放大电路模块将信号幅值放大到传感器最佳灵敏度值，并将信号传输到电感线圈的输入端；
步骤三：乘法电路模块将电感线圈输出端采集到的输出信号同为1kHz的参考信号相乘得到一个带有幅值信息的直流信号和一个2kHz的交流信号；
步骤四：带有幅值信息的直流信号在通过滤波电路模块时，通过调整低通滤波电路的滤波频率去除其中的高频部分得到直流信号；
步骤五：然后通过放大电路模块将直流信号放大，放大的直流信号用于后期测试使用。
相较于现有技术，此本发明的有益效果在于：
(1)体积小，操作简单，易携带，可进行大范围磁场信息收集。
(2)三维矢量传感，可以同时收集三维空间内的磁场信息，三个轴的灵敏度分别为5.1 V/Gs、4.5V/Gs和6.1V/Gs。
(3)具有极高的分辨率，最佳分辨率可达到1×10-9T，即10-5Gs,强度为地磁场强度的十万分之一。
附图说明
图1为本发明的三轴磁场传感器示意图；
图2为本发明实施例中层状磁电复合材料的结构示意图；
图3为本发明实施例中锁相放大器电路系统的工作原理图；
图4为本发明实施例中三轴磁场传感器的灵敏度；
图5为本发明实施例中磁场传感器对于1nT微弱直流磁场的信号响应。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步描述。
如图1所示为本发明的三维磁传感器结构示意图，如图2所示该传感器包含磁电复合材料(8)和锁相放大电路系统(7)。具体地，锁相放大电路系统(7)封装在底座铝制盒子(1) 中，上方三个磁电传感模块盒子分别包装了三个一轴的磁电复合材料形成三轴正交传感体系(2)。电路拥有三个BNC输出端口，可同时测试X，Y，Z三个方向的磁场信号。整个系统的最大单边长度仅仅为12cm，体积小，易携带，便于大范围探测。
图1所示的三维磁传感器用到的磁电复合材料的结构如图2所示：包括磁致伸缩材料层 (3)和压电材料层(6)。压电材料层(6)的上下表面分别粘覆插指电极(5)用于极化，两个磁致伸缩材料层(3)分别粘覆于插指电极(5)外侧，外部缠绕着电感线圈(3)，用于提供交流激励磁场。整个复合材料长度为10cm，宽度为1cm。
图1所示的三维磁传感器中包含的锁相放大电路系统(7)的工作原理图如图3所示，此电路系统可同时驱动三个缠绕在磁电复合材料上的电感线圈，并可同时采集三个磁电材料产生的输出信号。具体地，电路包含正弦信号发生电路模块、正弦信号幅度放大电路模块、乘法器电路模块、滤波电路模块和直流信号放大电路模块：正弦信号发生模块可以产生1kHz 的正弦信号，该信号的幅值可以通过正弦信号幅度放大电路模块进行调整到一个最佳值，使磁电复合材料产生最大输出进而得到最高的传感器灵敏度；正弦信号在放大以后一条支路接入到电感线圈的输入端驱动线圈产生交流磁场，另一条支路作为参考信号连入电路的乘法器电路模块；磁电复合材料在交流磁场的激励下可以对外界直流磁场产生响应，其输出为1kHz 的高频信号，电路采集到此信号后通过乘法器电路模块可以将该信号和同为1kHz的参考信号相乘可得到一个带有幅值信息的直流信号和一个2kHz的交流信号；该信号在通过滤波电路模块时可去除其中的高频部分得到直流信号，该信号随即被放大电路模块放大便于测试。
通过以上设计制作出图1所示的三维磁传感器后，首先对其灵敏度进行了表征。测试中，磁传感器放入霍姆赫兹线圈并通过低噪音电压源驱动线圈使其产生直流磁场，建立起磁场传感器输出信号和外加直流磁场的关系。如图4所示，可以看出三个磁电复合材料展现了极佳的线性度，X，Y，Z的灵敏度分别为：5.1V/Gs,4.5V/Gs和6.1V/Gs，该灵敏度达到了市场上磁通门传感器水准。同时可以看出传感器也对磁场的方向产生响应，因此该传感器可作为矢量传感器，同时采集三维空间的磁场大小与方向。
进一步地，对磁传感器的分辨率进行测试，由于三个轴的传感器具有极为相似的灵敏度，所以取其中一个传感器进行测试。过程中，通过稳定电压源给霍母赫兹线圈加入幅值为1nT 的阶梯变化的磁场，每隔5秒钟变化一次磁场强度，而传感器的输出信号通过示波器直接进行实时测试。从图5可以看出，传感器可以非常清晰地辨识出幅度为1nT的微小直流磁场变化。测试清楚地显示所发明的磁传感器具有1nT极高的分辨率，强度为地磁场的十万分之一。

Claims (3)

1.一种高灵敏三维磁电复合基地磁场传感器包含控制盒(1)与三轴正交传感体系(2)；三轴正交传感体系(2)安装于控制盒(1)的上方，分别包括X轴磁电传感模块(21)、Y轴磁电传感模块(22)和Z轴磁电传感模块(23)，每个轴的磁电传感模块均由磁电复合材料(8)构成；控制盒(1)内部安装有用于产生交流激励磁场与采集反馈信号的锁相放大电路系统(7)；所述的磁电复合材料(8)由磁致伸缩材料(4)、插指电极(5)和压电材料(6)组成；压电材料(6)的上下表面分别粘覆插指电极(5)，两个磁致伸缩材料(4)分别粘覆于插指电极(5)外侧，外部缠绕着螺线管线圈(3)。
2.根据权利要求1所述的一种可携带高灵敏三维磁电复合基地磁场传感器，其特征在于：所述的锁相放大电路系统(7)包含正弦信号发生电路模块、正弦信号幅度放大电路模块、乘法器电路模块、滤波电路模块和直流信号放大电路模块。
3.根据权利要求1所述的一种可携带高灵敏三维磁电复合基地磁场传感器，其特征在于：所述锁相放大电路系统(7)的工作流程包括如下步骤：
步骤一：正弦信号发生模块产生1kHz的电感线圈激励正弦信号；
步骤二：正弦信号幅度放大电路模块将信号幅值放大到传感器最佳灵敏度值，并将信号传输到电感线圈的输入端；
步骤三：乘法电路模块将电感线圈输出端采集到的输出信号同为1kHz的参考信号相乘得到一个带有幅值信息的直流信号和一个2kHz的交流信号；
步骤四：带有幅值信息的直流信号在通过滤波电路模块时，通过调整低通滤波电路的滤波频率去除其中的高频部分得到直流信号；
步骤五：然后通过放大电路模块将直流信号放大，放大的直流信号用于后期测试使用。
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