CN109001817A - 一种基于隧道磁电阻传感器的安全门 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于隧道磁电阻传感器的安全门，包括隧道磁电阻传感器阵列、信号采集装置、位置分析装置、显示板、存储单元和外壳；隧道磁电阻传感器阵列包括至少两个隧道磁电阻传感器，隧道磁电阻传感器均设置在外壳内，并沿着垂直于地面的方向等间距平行排列，隧道磁电阻传感器两侧对称设置有聚磁材料，聚磁材料的形状为渐变型，隧道磁电阻传感器敏感方向为平行于地平面并且垂直于被检测对象通过路径的方向；信号采集装置包括依次连接的信号采集卡、电压运算放大器和低通滤波器，本发明中的新型安全门，具有灵敏度高，探测距离远，效率高，适合用于机场、展会、文化节等人群聚集的公共场所。

Description

一种基于隧道磁电阻传感器的安全门

技术领域

本发明涉及安全门，具体涉及一种基于隧道磁电阻传感器的安全门，属于安全检测领域。

背景技术

随着现代物质文明的发展，公共场所尤其是人口密度大、潜在安全冲突大的地方，如机场、车站、展会、文化节、音乐会等对于社会安全方面的监察需求不断提升。因此，在安全隐患潜伏大的场所使用安全门是非常重要的。但是在很多情况下，很难找到效率高、可靠度高、快速反应的安全门，因此需要新型可以准确定位并且提高检测速率和效率的安全门。有许多新式的安全门检测方法，比如微波、毫米波、太赫兹探测等。此类传感器虽然可以对目标物实现较准确的探测，但是存在一定的局限性。如毫米波和太赫兹探测会穿透衣物，对被探测者的隐私有侵犯；太赫兹探测设备的造价昂贵；它们都需要固定的检测空间，检测速度也比较慢。

随着薄膜技术和材料科学的不断发展，基于各种物理效应的高性能固态磁传感器逐渐进入产业化和商用阶段。基于半导体镀膜工艺和封装工艺的飞速发展，磁阻传感器也不断在技术上推陈出新，包括霍尔(Hall)元件，各向异性磁电阻(AnisotropicMagnetoresistance,AMR)、巨磁电阻(Giant Magnetoresistance,GMR)和隧道磁电阻(Tunnel MagnetoResistance，TMR)传感器。相比于其他磁阻传感器，TMR磁传感器具有更好的温度稳定性，更高的灵敏度，更低的功耗，更低的本底噪音、更好的线性度、不需要额外的Set/Reset线圈结构。从传感器的可集成性、磁场测量类型和工作带宽来讲，磁阻传感器尤其是TMR代表了当前矢量磁传感器的发展方向。

隧道磁电阻(Tunnel MagnetoResistance，TMR)传感器是近年来开始工业应用的新一代磁电阻效应传感器。隧穿现象基于量子的波动性，束缚在某个区域的粒子能隧穿一个能量势垒进入另一个能量区域。出现明显隧穿效应需要同时具备两个基本条件：势垒一边有填充态，而势垒另一边同样能级位置处存在未填充态；另一个条件是势垒层的厚度必须很薄，通常为1nm左右。由两层铁磁薄膜材料和中间势垒绝缘层组成的三明治结构称为磁隧道结。当改变两个铁磁层的磁矩方向时，磁隧道结的隧穿电阻将发生改变，这种现象被称为TMR效应。在无外加电压时，势垒层上下两电极的费米面相等，故没有隧穿效应；加上偏置电压后，上下两极的费米面将发生相对位移。若两层磁化方向互相平行，则在一个磁性层中，多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，总的隧穿电流较大；若两磁性层的磁化方向反平行，情况则刚好相反，即在一个磁性层中，多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态,而少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态,这种状态的隧穿电流比较小。因此,隧穿电阻随着两铁磁层磁化方向的改变而变化，磁化矢量平行时的电阻低于反平行时的电阻。通过施加外部磁场可以改变两铁磁层的磁化方向，从而使得隧穿电阻发生变化，引起TMR效应的出现。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种灵敏度高，探测距离远，效率高，适合用于机场、展会、文化节等人群聚集的公共场所的基于隧道磁电阻(TMR)传感器的安全门。

为解决上述技术问题，本发明一种基于隧道磁电阻传感器的安全门，包括隧道磁电阻传感器阵列、信号采集装置、位置分析装置、显示板、存储单元和外壳；隧道磁电阻传感器阵列包括至少两个隧道磁电阻传感器，所述隧道磁电阻传感器均设置在外壳内，并沿着垂直于地面的方向等间距平行排列，隧道磁电阻传感器两侧对称设置有聚磁材料，聚磁材料的形状为渐变型，隧道磁电阻传感器敏感方向为平行于地平面并且垂直于被检测对象通过路径的方向；包括依次连接的信号采集卡、电压运算放大器和低通滤波器；

隧道磁电阻传感器检测待测目标附近磁感应强度，通过信号采集装置将隧道磁电阻传感器检测到的磁感应强度的模拟信号放大、滤波并转换成数字信号，位置分析装置根据接收的数字信号分析得到磁异常位置，显示板显示磁异常位置在待测目标上的区段位置，存储单元存储磁异常位置、检测目标数量和检测到磁异常目标数量。

作为本发明的一种优选，聚磁材料为坡莫合金。

作为本发明的另一种优选，隧道磁电阻传感器为单轴传感器。

作为本发明的又一种优选，隧道磁电阻传感器阵列包括六个隧道磁电阻传感器。

相较于现有技术，本发明有益效果：

(1)TMR磁传感器体积小、质量轻、灵敏度高，探测距离远、覆盖范围大。

(2)无须像传统安全门采用的主动探测的方法，不需要电磁线圈的激励，探测系统更加简单。

(3)开机后不需要进行预热等待，即开即用，反应快速。

(4)功耗低，可以采用锂电池供电，使用便携，并可以隐蔽性探测。

(5)安装环境友好，无需远离电力线和通讯电缆。

附图说明

图1是本发明的一种基于隧道磁电阻传感器的安全门装置中TMR传感器和附近的聚磁材料的设计俯视示意图；

图2是本发明的一种基于隧道磁电阻传感器的安全门装置中TMR传感器和聚磁材料对附近的磁感应线汇聚效应的示意图；

图3是本发明的一种基于隧道磁电阻传感器的安全门装置的工作流程示意框图；

图4是本发明的一种基于隧道磁电阻传感器的安全门整体设备的框架示意图，其中包括TMR传感器阵列、信号采集和位置分析装置、显示面板和安全门外壳，以及待测行人及其身上携带的危险物品。

图5是本发明的一种基于隧道磁电阻传感器的安全门装置中TMR传感器和附近的聚磁材料的立体图；

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明实例中的技术方案进行详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施者，本领域普通技术人员在没有做出创作性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1和图5所示为本发明的TMR传感器和其附近的聚磁材料的设计示意图，包括其中的TMR敏感元件1和其两侧的坡莫合金聚磁材料2，其中坡莫合金2在所述的TMR敏感元件1的两侧对称放置，所述的聚磁材料2的形状为渐变型,厚度为2mm。

如图2所示，聚磁材料2对TMR敏感元件1附近的背景磁感应线密度有汇聚作用，使得磁感应线密度增大，并且使得通过TMR敏感元件1的磁感应线密度均匀。

如图4所示，本发明提出了一种基于隧道磁电阻传感器的新型安全门装置，包括至少2个TMR传感器1，本实施例为6个TMR传感器1，信号采集装置7和位置分析装置3，显示面板4，装置外壳5，以及行人身上携带的危险物品6，其中所述的TMR传感器1在沿着垂直于地面的方向上平行排列，所述的TMR传感器1的敏感方向为平行于地面且垂直于被测行人的运动方向。所述位置分析装置3用于根据所述待测危险物品6引起的磁异常信号在各个TMR传感器输出信号的强弱，从而可以得到危险品所对应的位置。信号采集装置7、位置分析装置3、存储单元均设置在外壳内。

如图3所示，具体的工作原理如下：通过TMR传感器1在经过的行人附近检测磁感应强度，通过信号采集装置7将TMR磁场传感器检测到的磁感应强度的模拟信号放大、滤波并转换成数字信号，并将所处理的信号发送到分析装置中，分析装置根据TMR传感器所处在阵列中的位置和检测到的磁感应强度值得到危险物品6的相对位置。另外显示设备会显示隐藏危险品6的位置和检测到的对应的磁感应强度值。存储单元可以存储上述位置以及磁感应强度值共后续查询检索。

待测危险品包括枪械、刀具、钢管。

本发明的具体实施方式还包括：

一种基于隧道磁电阻传感器的新型安全门检测装置，包括外壳、TMR传感器以及聚磁材料，所述的聚磁材料包含两个渐变型坡莫合金，其中所述的两个镍铁合金在所述的TMR传感器两侧对称放置。所述的6个TMR传感器阵列在垂直于地面的方向上按照一定的间距平行排列，所述的TMR传感器的敏感性方向垂直于穿过安全门的行人的行进方向且平行于地面。

坡莫合金会对所述的TMR磁传感器附近的地球背景磁场起到磁通密度聚集的作用，可以间接的提高传感器的灵敏度。

TMR传感器检测待测铁磁目标物产生的地磁异常信号，并产生相应的电压输出信号；所述的外壳覆盖所述的TMR传感器，屏蔽外界的磁场干扰。

安全门检测装置还包括信号采集装置、位置分析装置、显示板以及存储单元，信号采集装置与所述TMR传感器连接，所述分析装置与所述信号采集装置相连，所述显示面板和存储单元与所述位置分析装置相连。

分析装置用于根据所述待检测的目标物以及所述磁异常对应的输出信号得到异样的位置，显示面板用于显示待测目标物在行人身体上所处的相对区段位置，存储单元用于存储所述待测危险物体的位置、磁异常数据、经过总人数、检测到携带危险物品人数的数据。

信号采集装置包括依次连接的信号采集卡、电压运算放大器和低通滤波器。

TMR磁传感器为单轴传感器。

TMR传感器的个数至少为2个，所有TMR单轴传感器在沿着垂直于地面的方向上排列成阵列结构。

本发明具体实施方式还包括：

本发明公开了一种基于隧道磁电阻传感器的新型安全门，其特征在于：包括隧道磁电阻磁信息采集元件阵列、运算放大电路，滤波处理和信号采集系统。所述的隧道磁电阻磁信息采集元件阵列包括至少两个高灵敏TMR传感器和相对应的聚磁材料，每个TMR磁传感器置于一对聚磁材料中间。所述的TMR传感器检测所述待测危险目标物引起的地磁异常信号，并产生相应的电压输出信号；所述的TMR传感器阵列安装在所述的外壳内部。所述运算放大电路为自主设计的模拟电路，包含对微弱源电压的二级放大功能、低频滤波功能。所述的信号采集和分析处理装置也安装在所述外壳的内部，为自主设计的数字电路，输入端连接着模拟电路的输出端，对获取的模拟信号进行转化，输出数字信号。

隧道磁电传感器的灵敏度为350mV/V/Oe,尺寸为6mm×5mm×1.5mm，本底噪音为150pT/√Hz，磁滞0.1Oe。

包含至少六个隧道磁电阻传感器，所有所述的隧道磁电阻传感器沿着垂直于地表面的方向从低到高依次排列形成阵列布局。

隧道磁电阻传感器阵列敏感方向为平行于地平面、并且垂直于被检测对象通过路径的方向。

聚磁材料为坡莫合金,可对隧道磁电阻传感器附近的磁感应线密度起到汇聚加强的作用，间接的增强磁场信息探测元件的灵敏度，经过有限元仿真计算在现有的装配空间条件下设计特定的尺寸和形状，使得坡莫合金的聚磁效果达到最佳。

运算放大电路为自主设计的模拟电路其尺寸为5cm×4cm×0.5cm。

运算放大电路通过二级放大对微弱的磁信号输出电压放大增益为5000。

低频滤波电路的频带范围为DC-5Hz。

信号采集和分析处理电路为自主设计的数字电路，对获取的模拟信号进行A/D转化。

本发明公开了一种基于隧道磁电阻传感器的新型安全门，包括隧道磁电阻磁信息采集元件阵列、运算放大电路，滤波处理和信号采集系统。所述的隧道磁电阻磁信息采集元件阵列包括至少六个高灵敏TMR传感器和相对应的聚磁材料，每个TMR磁传感器置于一对聚磁材料中间。所述的TMR传感器检测所述待测铁磁目标物引起的地磁异常信号，并产生相应的电压输出信号；所述的TMR传感器阵列安装在所述的外壳内部。所述运算放大电路为自主设计的模拟电路，包含对微弱源电压的二级放大功能、低频滤波功能。所述的信号采集和分析处理装置也安装在所述外壳的内部，为自主设计的数字电路，输入端连接着模拟电路的输出端，对获取的模拟信号进行转化，输出数字信号。本发明中的新型安全门，具有灵敏度高，探测距离远，效率高，适合用于机场、展会、文化节等人群聚集的公共场所。

以上实施例仅说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解；其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种基于隧道磁电阻传感器的安全门，其特征在于：包括隧道磁电阻传感器阵列、信号采集装置、位置分析装置、显示板、存储单元和外壳；隧道磁电阻传感器阵列包括至少两个隧道磁电阻传感器，所述隧道磁电阻传感器均设置在外壳内，并沿着垂直于地面的方向等间距平行排列，隧道磁电阻传感器两侧对称设置有聚磁材料，聚磁材料的形状为渐变型，隧道磁电阻传感器敏感方向为平行于地平面并且垂直于被检测对象通过路径的方向；信号采集装置包括依次连接的信号采集卡、电压运算放大器和低通滤波器；

隧道磁电阻传感器检测待测目标附近磁感应强度，通过信号采集装置将隧道磁电阻传感器检测到的磁感应强度的模拟信号放大、滤波并转换成数字信号，位置分析装置根据接收的数字信号分析得到磁异常位置，显示板显示磁异常位置在待测目标上的区段位置，存储单元存储磁异常位置、检测目标数量和检测到磁异常目标数量。

2.根据权利要求1所述的一种基于隧道磁电阻传感器的安全门，其特征在于：所述聚磁材料为坡莫合金。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于隧道磁电阻传感器的安全门，其特征在于：所述隧道磁电阻传感器为单轴传感器。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于隧道磁电阻传感器的安全门，其特征在于：隧道磁电阻传感器阵列包括六个隧道磁电阻传感器。