CN108205118B - 一种谐振型磁传感器敏感单元及数字频率输出磁传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种谐振型磁传感器敏感单元及数字频率输出磁传感器。磁传感器敏感单元包括高Q值谐振器、设置在高Q值谐振器上下两侧的磁致伸缩单元；所述磁致伸缩单元在磁场作用下产生磁致伸缩应力并将所述应力加载到所述高Q值谐振器上；所述高Q值谐振器与磁致伸缩单元之间设置有绝缘垫片，磁致伸缩单元产生的所述应力通过绝缘垫片的传递加载到所述高Q值谐振器上。本发明可用于静态、准静态和低频磁场的高灵敏度探测，且体积小、成本低。

Description

一种谐振型磁传感器敏感单元及数字频率输出磁传感器
技术领域
本发明涉及一种谐振型磁传感器结构，特别是具有数字频率输出的谐振型磁传感器敏感单元结构。
背景技术
传统的常用磁传感器种类主要有霍尔传感器、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、巨磁阻抗传感器、电磁感应式磁传感器等。上述磁传感器输出为较弱的模拟信号，需要采用低噪声信号放大器、滤波器、A/D转换器、数字信号处理器等复杂电路和方法进行传感信号的处理，抗干扰能力不强
申请号为201510924509.X的发明专利申请提出一种频率转换输出的高Q值谐振磁传感器”，该谐振型磁场传感器通过测量谐振器谐振频率偏移来测量待测磁场，频率信号可通过频率计数器直接转化为数字信号，可从原理上降低噪声影响，具有很强的抗干扰能力，能够在恶劣环境下使用，并保证良好的性能。但该磁传感器磁敏感单元只包含一个磁致伸缩单元与谐振器复合，由于复合结构存在非对称性，磁致伸缩应力在传递的过程中产生力矩，导致整个结构发生弯曲变形，这大大降低了磁致伸缩应力的传递效率。因此，对于该谐振型磁场传感器来说，其灵敏度具有进一步提高的空间。
发明内容
本发明的目的在于提出一种具有高探测灵敏度的高Q值谐振型磁传感器结构，可用于静态、准静态和低频磁场的高灵敏度探测，且体积小、成本低。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种谐振型磁传感器敏感单元，包括高Q值谐振器、设置在高Q值谐振器上下两侧的磁致伸缩单元；所述磁致伸缩单元在磁场作用下产生磁致伸缩应力并将所述应力加载到所述高Q值谐振器上。
进一步，所述高Q值谐振器与磁致伸缩单元之间设置有绝缘垫片，磁致伸缩单元产生的所述应力通过绝缘垫片的传递加载到所述高Q值谐振器上。
进一步，所述高Q值谐振器、绝缘垫片以及磁致伸缩单元之间通过强力胶粘接复合在一起。
进一步，所述绝缘垫片设置在磁致伸缩单元的两端。
进一步，所述高Q值谐振器的电极暴露在所述谐振型磁传感器敏感单元结构之外。
进一步，所述高Q值谐振器为石英谐振器。
进一步，所述石英谐振器为两梁或者多梁结构。
进一步，位于石英谐振器一侧的磁致伸缩单元的长度与石英谐振器的长度相等，位于石英谐振器另一侧的磁致伸缩单元的长度比石英谐振器的长度稍短，从而在磁致伸缩单元与石英谐振器复合后，使石英谐振器的表面电极暴露在外。
进一步，所述磁致伸缩单元为矩形的磁致伸缩片。
本发明还提出一种数字频率输出的谐振型磁传感器，包括前述任意一敏感单元，还包多谐振荡器和频率计，高Q值谐振器任意一端的两个电极接入多谐振荡器电路中，多谐振荡器用于输出载有所述高Q值谐振器谐振频率的谐振信号，频率计用于根据所述谐振信号检测出谐振频率。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)相对于现有技术中的传感器结构来说，本发明传感器结构中磁致伸缩材料产生的磁致伸缩力能够更加高效的传递到谐振梁上，提高传感器的灵敏度；(2)本发明所述的磁传感器利用高Q值谐振器在磁致伸缩应力作用下输出的谐振频率产生变化的特性进行磁场检测，具有灵敏度高、响应速度快的特点；(3)本发明不采用线圈，不会产生焦耳热和电磁干扰；同时本发明采用高Q值谐振器，能够以微机电系统(MEMS)的方式实现，使得磁传感器探头成本低、体积小、制备简单。
附图说明
图1是本发明谐振型磁传感器敏感单元的一个实施例示意图。
图2是本发明数字输出谐振型磁传感器的电路示意图。
具体实施方式
容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明谐振型磁传感器敏感单元及数字频率输出磁传感器的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。
本发明所述数字频率输出谐振型磁传感器的敏感单元包括高Q值谐振器、设置在高Q值谐振器上下两侧的磁致伸缩单元；所述磁致伸缩单元在磁场作用下产生磁致伸缩应力并将所述应力加载到所述高Q值谐振器上。所述高Q值谐振器与磁致伸缩单元之间设置有绝缘垫片，磁致伸缩单元产生的所述应力通过绝缘垫片的传递加载到所述高Q值谐振器上。所述磁致伸缩单元1用于在待测磁场作用下产生磁致伸缩应力并将所述应力加载到所述石英谐振器上，从而引起谐振器的谐振频率变化。所述高Q值谐振器两端各有两个驱动电极4。
实施例
结合图1，在该实施例中，数字频率输出谐振型磁传感器的敏感单元结构5包括上下两个磁致伸缩单元1，4个石英垫片2以及1个石英谐振器3。
石英谐振器3为双端固定的双梁石英音叉，音叉两端有电极焊盘用于连接外部振荡电路。石英谐振器3工作在弯曲振动模态，两个梁的振动方向对称相反，其电极配置和制备方法可参看文献(Kenji Sato,Atsushi Ono,et al.Experimental Study of GyroSensor Using Double-Ended Tuning Fork Quartz Resonator,2004IEEE InternationalUltrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control Joint 50th AnniversaryConference,pp.575-578.)中的典型方法或其它能产生对称相反弯曲振动模态的电极配置。
石英垫片2作为石英谐振器3复合到磁致伸缩单元上1的传递结构，分别位于上下两个磁致伸缩单元1的两端，其作用之一在于使石英谐振器3中部的振动梁与磁致伸缩单元1分隔开一定距离，保证英谐振器3中部的振动梁能够自由振动，其作用之二在于使石英谐振器3表面电极与磁致伸缩单元不接触，防止造成电极短路。
磁致伸缩单元1为矩形的磁致伸缩片，下面的磁致伸缩单元与石英谐振器长度相等，上面的磁致伸缩单元长度比石英谐振器长度稍短，从而复合之后，英谐振器3的表面电极暴露在外，可以方便的焊接引线。
将上下两个磁致伸缩单元1，四个石英垫片2，以及石英谐振3通过强力胶(例如环氧树脂胶)粘接的方法复合在一起，获得复合的敏感单元结构5。在待测磁场作用下，磁致伸缩单元1由于磁致伸缩效应产生磁致伸缩应力，该应力经过石英垫片2传递到石英谐振器2的两端，从而石英谐振器3两端受力，导致石英谐振器3的谐振频率发生变化。由于复合敏感单元结构5上下各有一个磁致伸缩单元1，具有对称性，上下两个磁致伸缩单元产生的弯矩相互抵消，整个结构不发生弯曲或仅仅发生微小的弯矩，主要的磁致伸缩力沿着纵向传递，这大大提高了石英谐振器3上的纵向作用，提高传感器的灵敏度。
本发明为了提高磁致伸缩应力的传递效率，采用两个磁致伸缩单元与谐振器复合，形成对称结构，从而整个结构不会发生弯曲变形或仅仅发生微小的弯曲变形，从而所有的磁致伸缩应力沿着纵向传递，大大提高磁致伸缩应力的传递效率。
本发明中，所述磁致伸缩单元将因磁场作用而产生的磁致伸缩应力加载给所述高Q值谐振器，并且磁致伸缩应力传递损耗极小。
所述高Q值谐振器为双端固定的石英音叉谐振器；石英音叉谐振器可以为双梁结构或者三梁结构，所述石英谐振器通过其两端设置的谐振器固定区域复合在所述两个磁致伸缩单元之间，整个结构为一个对称结构。
图2是本发明中传感器频率转换测量的实施方式示意图，包含门振荡电路构成的多谐振荡器6和频率计7。谐振式磁传感器5通过驱动电极4(图1中任意一端的两个电极)连接到多谐振荡器6的电路中，多谐振荡器的工作原理决定了该多谐振荡器输出的振荡信号的频率主要取决于谐振式磁传感器5的谐振频率。输出的振荡信号连接到频率计7，由频率计7检测出该谐振频率。通过测量谐振频率的变化可以完成磁场测量。应尽量采用高精度的频率计电路，获得高精度的频率测量，从而提高磁场的探测精度。
如果采用其它形式的谐振器，则需根据谐振器的类型采用对应的谐振振荡电路来获得数字频率输出。

Claims (7)

1.一种谐振型磁传感器敏感单元，其特征在于，包括高Q值谐振器、设置在高Q值谐振器上下两侧的磁致伸缩单元；所述磁致伸缩单元在磁场作用下产生磁致伸缩应力并将所述应力加载到所述高Q值谐振器上，所述高Q值谐振器为双端固定的双梁石英音叉谐振器，所述高Q值谐振器与磁致伸缩单元之间设置有绝缘垫片，磁致伸缩单元产生的所述应力通过绝缘垫片的传递加载到所述高Q值谐振器上，石英垫片作为双梁石英音叉谐振器复合到磁致伸缩单元上的传递结构，分别位于上下两个磁致伸缩单元的两端，使得双梁石英音叉谐振器中部的振动梁能够自由振动，并且双梁石英音叉谐振器表面电极与磁致伸缩单元不接触。
2.如权利要求1所述谐振型磁传感器敏感单元，其特征在于，所述高Q值谐振器、绝缘垫片以及磁致伸缩单元之间通过强力胶粘接复合在一起。
3.如权利要求1所述谐振型磁传感器敏感单元，其特征在于，所述绝缘垫片设置在磁致伸缩单元的两端。
4.如权利要求1所述谐振型磁传感器敏感单元，其特征在于，所述高Q值谐振器的电极暴露在所述谐振型磁传感器敏感单元结构之外。
5.如权利要求1所述谐振型磁传感器敏感单元，其特征在于，位于双梁石英音叉谐振器一侧的磁致伸缩单元的长度与双梁石英音叉谐振器的长度相等，位于双梁石英音叉谐振器另一侧的磁致伸缩单元的长度比双梁石英音叉谐振器的长度稍短，从而在磁致伸缩单元与双梁石英音叉谐振器复合后，使双梁石英音叉谐振器的表面电极暴露在外。
6.如权利要求1～5任一所述谐振型磁传感器敏感单元，其特征在于，所述磁致伸缩单元为矩形的磁致伸缩片。
7.一种数字频率输出的谐振型磁传感器，其特征在于，包括权利要求1至6任一项所述敏感单元，还包括多谐振荡器和频率计，高Q值谐振器任意一端的两个电极接入多谐振荡器电路中，多谐振荡器用于输出载有所述高Q值谐振器谐振频率的谐振信号，频率计用于根据所述谐振信号检测出谐振频率。
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