CN108241130A - 一种基于磁电效应的磁通门磁场传感器 - Google Patents

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张锦彬
黄艺雄
刘兴军
王翠萍
黄群
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Abstract

一种基于磁电效应的磁通门磁场传感器，涉及磁场传感器。设有层状磁电复合材料、激励线圈和压电层信号输出引线；所述层状磁电复合材料为非晶带材Metal‑glass/PVDF层状磁电复合材料，所述激励线圈为对称反向串联的激励线圈，对称反向串联的激励线圈绕在层状磁电复合材料Metal‑glass/PVDF上，并由函数信号发生器输出交流正弦电压信号驱动激励线圈，由锁相放大器测量压电层的二倍频输出信号，当直流磁场通过磁通门磁场传感器时，锁相放大器测量的输出信号包括相位和幅值，能够直接反映出施加的直流磁场大小和方向。采用磁电复合材料作为磁芯，采用电磁线圈作为激励线圈。

Description

一种基于磁电效应的磁通门磁场传感器
技术领域
本发明涉及磁场传感器，尤其是涉及一种基于磁电效应和磁通门原理的磁场传感器。
背景技术
磁电效应是指材料在外加磁场作用下产生电极化或者材料在外加电场作用下产生磁化的现象[1]。磁电效应最早是在Cr2O3单晶体中被发现的，这种单相磁电材料的磁电效应通常较弱，而且在较低的温度下才能被检测到[2]。与单相磁电材料相比，磁电复合材料具有较强的磁电效应，可以被广泛应用在传感器等领域[3-6]。磁电传感器是利用磁电材料的磁电效应，即施加磁场导致磁致伸缩材料发生磁致伸缩效应，产生的应变传递给压电材料，压电材料由于压电效应产生电极化。磁电效应是一种新型的传感原理，同时具有压电效应和磁致伸缩效应，可以设计多种新型电子元件。采用非晶材料和压电材料制作的磁电复合材料，在低磁场检测、非线性效应方面已经有了很多的研究案例。
磁通门传感器是利用被测磁场中高导磁铁芯在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量磁场的一种传感器，在弱直流磁场检测方面有很大的应用[7-9]。磁通门传感器的基本原理是基于铁芯材料的非线性磁化特性，其敏感元件为高磁导率、易饱和材料制成的铁芯，通常是非晶合金的带材。磁通门的工作原理为：两个线圈围绕该铁芯：一个是激励线圈，另一个是信号线圈。在交变激励信号的磁化作用下，铁芯的导磁特性发生周期性饱和与非饱和的变化，从而使围绕在铁芯上的感应线圈感应出反应外界磁场的信号。虽然这种磁通门传感器价格是相对便宜的，但由于磁铁芯材料需要交变磁场的周期性饱和激励，因此他们的功耗往往是相当高的。
参考文献：
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发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的上述问题，提供具有结构简单、成本低、质量轻、柔韧性好、各向异性等优点，可用于测量地磁场等微弱直流磁场的强度及方向，用于航海、军事、工业、医疗和探矿业等领域的弱磁场探测的一种基于磁电效应的磁通门磁场传感器。
本发明设有层状磁电复合材料、激励线圈和压电层信号输出引线；所述层状磁电复合材料为非晶带材Metal-glass/PVDF层状磁电复合材料，所述激励线圈为对称反向串联的激励线圈，对称反向串联的激励线圈绕在层状磁电复合材料Metal-glass/PVDF上，并由函数信号发生器输出交流正弦电压信号驱动激励线圈，由锁相放大器测量压电层的二倍频输出信号，当直流磁场通过磁通门磁场传感器时，锁相放大器测量的输出信号包括相位和幅值，能够直接反映出施加的直流磁场大小和方向。
本发明采用磁电复合材料作为磁芯，采用电磁线圈作为激励线圈，采用磁电复合材料中压电层的两个电极为输出信号。本发明可用于测量地磁场等微弱直流磁场的强度和方向。
本发明采用非晶铁合金Metal-glass作为磁性相，聚偏氟乙烯PVDF作为压电相，二者通过粘接得到长条形的层状磁电复合材料。在长条形层状磁电复合材料的外层绕制对称反向串联的激励线圈。激励线圈由函数信号发生器驱动，压电层的输出信号由锁相放大器测量，测量激励信号的2倍频信号的大小和相位。
本发明利用磁电复合材料的磁电效应和磁通门原理工作，而且具有结构简单、成本低、质量轻、柔韧性好、各向异性等优点，可用于测量地磁场等微弱的直流磁场的强度及方向，用于航海、军事、工业、医疗和探矿业等领域的弱磁场探测。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例在水平面不同角度对地球磁场的响应。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参见图1，本发明实施例包括非晶带材Metal-glass/PVDF层状磁电复合材料1、对称反向串联的激励线圈2、压电层信号输出引线3。对称反向串联的激励线圈绕在层状磁电复合材料Metal-glass/PVDF上，并由函数信号发生器输出交流正弦电压信号驱动激励线圈，由锁相放大器测量压电层的二倍频输出信号。当有直流磁场通过该传感器时，锁相放大器测量的输出信号包括相位和幅值，能够直接反映出施加的直流磁场大小和方向。采用该传感器测量水平面的地球磁场的输出随角度变化关系如图2所示。

Claims (1)

1.一种基于磁电效应的磁通门磁场传感器，其特征在于设有层状磁电复合材料、激励线圈和压电层信号输出引线；所述层状磁电复合材料为非晶带材Metal-glass/PVDF层状磁电复合材料，所述激励线圈为对称反向串联的激励线圈，对称反向串联的激励线圈绕在层状磁电复合材料Metal-glass/PVDF上，并由函数信号发生器输出交流正弦电压信号驱动激励线圈，由锁相放大器测量压电层的二倍频输出信号，当直流磁场通过磁通门磁场传感器时，锁相放大器测量的输出信号包括相位和幅值，直接得到施加的直流磁场大小和方向。
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