CN110389308A - 磁致伸缩/压电复合灵敏度倍增的磁力梯度探头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁致伸缩/压电复合灵敏度倍增的磁梯度探头。包括成对的磁电复合敏感单元，每个磁电复合敏感单元包括磁电复合材料和线圈；磁电复合材料由磁致伸缩层‑压电层‑磁致伸缩层三层材料粘结而成，压电层引出导线用于输出电信号；线圈绕于磁电复合材料外部；在线圈中同时通入直流信号和交流信号，直流信号用以产生偏置磁场，使所述磁电复合材料工作在线性区间；交流信号用来产生激励磁场，使所述磁电复合材料输出电信号；电信号送后端调理电路；成对的两个磁电复合敏感单元所通入直流信号方向相反，且两个磁电复合敏感单元产生的电信号采用差分式输出。本发明结构简单、灵敏度高、抗干扰能力强。

Description

磁致伸缩/压电复合灵敏度倍增的磁力梯度探头

技术领域

本发明属于电磁检测技术领域，具体涉及一种采用磁致伸缩/压电复合材料的高灵敏度磁力梯度探头。

背景技术

磁场测量在医学、军事、地质等方面有广泛的应用，是现代测量领域的重要组成部分。在军事方面，舰船消磁、探测隐匿物体如地雷、探测未爆弹等，都离不开磁场传感技术；在地质勘探方面，利用磁传感器测量地球磁场的微变，可为探矿、沉积盆地及大地构造研究、火山活动监测研究等提供依据；在生物医学方面，可以应用磁传感器测量人体血清磁化率的变化以及人体心脏跳动和大脑内磁场的变化，以绘制图像来诊断疾病。

目前，常用的磁传感器包括磁通门传感器、霍尔元件、磁阻式磁传感器、光泵式磁传感器、超导量子干涉元件等。其中，霍尔元件的磁场测量精度较低，虽然根据法拉第电磁感应定律做成的搜索线圈可达约10^-10T的精度，但是不能测量静态磁场或者缓慢变化的磁场；磁阻式磁传感器受到温度变化的影响较大，而且输出信号中噪声较大；磁通门、超导量子干涉元件有很高的精度，但是这些磁场测量结构都非常复杂，设备体积大，而且价格昂贵，需要较大功率的电源供给。

以各种磁传感器改进而成的磁力梯度仪在相关文献中也有报道。以磁阻式传感器为例，Jan Vyhnanek等运用磁阻式传感器制成的AMR梯度仪，可以在20cm远处识别50×50×1.5mm的铝块。但是，磁阻式传感器本身噪声为限制因素，易受环境因素影响。以磁通门传感器制成的磁力梯度计也已经被广泛研究，可以达到很高的灵敏度，但是磁通门传感器价格昂贵，并且长时间工作线圈发热会影响测量精度。

磁致伸缩/压电复合材料(磁电复合材料)具有结构简单、制备容易、磁电电压系数高等特点，在磁传感器领域具有广阔的应用前景，引起了众多研究者的关注。磁致伸缩材料的磁化过程、磁致伸缩应变以及磁化方向对磁场的变化非常敏感，将压电材料与磁致伸缩材料复合之后，通过磁致伸缩/压电复合材料的磁电转换，可显著增强磁场灵敏度，因而可以进一步提高磁传感器的性能。利用磁电复合材料的输出电信号与外磁场的对应关系，可以实现对交流磁场和直流磁场的探测。

发明内容

本发明提出一种磁致伸缩/压电复合灵敏度倍增的磁梯度探头，具有结构简单、材料制备方便、灵敏度高、抗干扰能力强、使用范围广等优点。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种磁力梯度探头，包括成对的磁电复合敏感单元，每个磁电复合敏感单元包括磁电复合材料和线圈；磁电复合材料由磁致伸缩层-压电层-磁致伸缩层三层材料粘结而成，压电层引出导线用于输出电信号；线圈绕于磁电复合材料外部；

在线圈中同时通入直流信号和交流信号，直流信号用以产生偏置磁场，使所述磁电复合材料工作在线性区间；交流信号用来产生激励磁场，使所述磁电复合材料输出电信号；电信号送后端调理电路；

成对的两个磁电复合敏感单元所通入直流信号方向相反，且两个磁电复合敏感单元产生的电信号采用差分式输出。

进一步，成对的两个磁电复合敏感单元在长度方向上依次放置并间隔一定距离。

进一步，两个磁电复合敏感单元放置在底座上。

进一步，包括两个三轴磁电复合敏感单元模块，每个三轴磁电复合敏感单元模块包括三个磁电复合敏感单元，所述三个磁电复合敏感单元在长度方向上分别沿互相垂直的X、Y和Z三个方向放置；两个三轴磁电复合敏感单元模块中，沿同一方向放置的两个磁电复合敏感单元构成成对的磁电复合敏感单元。

进一步，两个三轴磁电复合敏感单元模块间隔一定距离放置在底座上。

进一步，磁电复合材料安装于外壳一内，压电层引出导线由外壳一上的导线孔引出；包含所述磁电复合材料的外壳一放置在外壳二的中心通孔中；线圈绕于外壳二外表面。

进一步，外壳二两端设置有凸台使得外壳二外表面形成一个凹槽，线圈位于凹槽内；外壳二的端部设置有绕线圆柱，线圈的两个线头缠绕在绕线圆柱上。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于，本发明采用磁致伸缩材料和压电陶瓷层合而成的磁电复合材料作为敏感元件，具有成本低廉、结构简单、灵敏度高、稳定性好等优点；磁电复合敏感单元用差分输出模式，能够有效抑制信号漂移，抗干扰能力强，同时差分式输出模式能有效提高探头的灵敏度。

附图说明

图1是磁力梯度探头差分式输出的工作原理示意图；

图2是本发明实施例的磁电复合敏感单元内部封装结构示意图；

图3是本发明实施例的磁电复合敏感单元完整结构示意图；

图4是本发明实施例的一种可选的磁力梯度探头的结构示意图；

图5是本发明实施例的一种可选的三轴磁电复合敏感单元封装结构示意图；

图6是本发明实施例的一种可选的三轴磁力梯度探头结构示意图；

图中的附图标记分别表示为：

1为磁致伸缩与压电陶瓷层状复合材料；2为外壳一；21为外壳一上的导线孔21；22为外壳一内部横梁；3为外壳二；31为外壳二凸台；32为外壳二中心矩形通孔；33为绕线圆柱；4为密绕线圈；5为放置敏感单元的底座；A、B为两个性能完全相同的磁电复合敏感单元；6为三轴敏感单元封装结构；61为三轴敏感单元X方向凹槽；62为三轴敏感单元Y方向凹槽；63为三轴敏感单元Z方向凹槽；64为导线槽；C、D为两个性能完全相同的三轴磁电复合敏感单元。

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磁致伸缩/压电复合灵敏度倍增的磁力梯度探头的多种实施方式。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。

将洁净的磁致伸缩材料和压电材料用环氧树脂粘结在一起，在磁场的作用下，磁致伸缩材料产生应变，此机械运动通过粘结层传递到压电材料上，由于正压电效应，压电层输出一个电信号，从而实现了磁电转换。压电层上的电信号经过信号调理电路处理后输送到仪表显示或计算机采集。

磁致伸缩材料在交变磁场的作用下具有倍频效应：在交变磁场的作用下磁致伸缩材料的形变输出频率是激励磁场频率的2倍。倍频效应会带来一定的非线性影响，应予以消除，故在所述磁电复合敏感单元的外围缠绕一个线圈，可以产生一个恒定的磁场用以消除倍频效应。

优选的，为了便于在压电材料上引出导线，选用的压电材料在长度方向上应比磁致伸缩材料长2-3mm，用于焊接导线。

进一步的，为了获得较大的磁电转换系数，磁致伸缩材料和压电复合材料的厚度应尽量保持一致。

优选的，为了磁电复合材料与外界接触，采用上下两片相同的封装外壳2将磁电复合材料封装其中，在所述封装外壳2的一端留有小孔21，便于将所述压电材料上的导线引出。

进一步的，为了防止磁电复合材料1在封装外壳2(非铁磁性材料制作)中移动，在所述封壳的内部中心位置具有一道沿宽度方向的横梁22，使敏感材料处于中间夹持状态。

优选的，为了便于整体封装，将装有敏感材料的所述封壳嵌入外壳二3之中，采用少量的过盈配合以避免使用连接件。

优选的，为了便于施加偏置磁场，磁电复合敏感单的外壳二上设有凹槽，在凹槽内绕制紧密线圈4，通过给线圈供电以实现施加偏置磁场。为了防止线圈脱落或松弛，在外壳的一端有两个细小的圆柱33突起，所述传感单元外壳上线圈的线头可以缠绕在细小圆柱上。

灵敏度倍增磁力梯度探头采用差分式输出的工作模式，工作原理如图1所示。探头中的两个磁电复合敏感单元工作在大小相等、方向相反的直流偏置磁场环境中，而给两个磁电复合敏感单元的激励是大小相等，方向相同的交流磁场，当外界磁场改变时，两个敏感单元所受到的偏置磁场也会随之改变，即一个增大，另一个减小，此时，两个敏感单元输出的电信号也会改变，即一个增大，另一个减小，将两路信号接入后续信号调理电路进行差分处理，差分后的输出信号幅值为单个磁电复合敏感单元信号幅值的两倍。

实施例1

如图2所示，磁电复合敏感单元包括壳体、磁电复合材料1以及线圈4。

磁电复合材料1由磁致伸缩层-压电层-磁致伸缩层三层材料粘结而成，为了获得较大的磁电转换系数，磁致伸缩层和压电层的厚度、宽度均保持一致，长度方向上压电层比磁致伸缩层略大，便于焊出导线引出输出信号。

磁电复合材料1安装于壳体一2内。壳体一2内部设置横梁以在沿宽度方向夹紧磁电复合材料1，将磁电复合材料1固定在壳体一2内，磁电复合材料1上的导线由外壳一2上的导线孔21引出。

将包含所述磁电复合材料1的外壳一2插入外壳二3的中心矩形通孔32中。有利的，为避免使用连接件，采用过盈配合的方式使得壳体一2不会在通孔32中滑动。外壳二3两端的凸台31使得外壳二3外表面形成一个凹槽，在凹槽内绕制紧密的线圈4。有利的，可以在凹槽内绕制多层线圈，这样可以用较小的电流产生足够大的偏置磁场，但是需要注意多层线圈的绕向应保持一致，避免出现磁场抵消的情况。进一步的，为防止线圈4松弛或脱落，将线圈4的两个线头缠绕在外壳二3的绕线圆柱33上。在线圈4中同时通入直流和交流信号，直流信号用以产生偏置磁场，使所述磁电复合材料1工作在灵敏度较大的线性区间；交流信号用来产生激励磁场，使所述磁电复合材料1能够输出一个随激励磁场变化的电信号。

进一步的，将两个输出特性相同的所述磁电复合敏感单元A、B放置在底座5上组成磁力梯度探头，磁电复合敏感单元A、B沿长度方向对齐防止，两者相距50mm左右，如附图4所示。给A、B两个磁电复合敏感单元的线圈同时通入交流和直流信号，将A、B两个磁电复合敏感单元输出的电信号接入外部调理电路进行滤波、放大、差分，处理后的信号送入数据采集系统。

有利的，为使得灵敏度倍增，磁电复合敏感单元A、B中的偏置磁场应为相反的方向，即A、B中通入的直流信号应为相反的方向。

当外界铁磁性物体经过磁力梯度探头时，A、B两个磁电复合敏感单元中的磁电复合材料1受到的激励磁场不等，从而产生一个梯度磁场，两个敏感单元输出的电信号也不相等，经调理电路差分输出后，送入后续数据采集系统，即可获得铁磁性物体的位置、形状等信息。相比于单个磁电复合敏感单元，采用两个磁电复合敏感单元进行差分式输出，可以使得所述磁力梯度探头的灵敏度增大，同时可以抵消外界背景场对探头输出的影响。

实施例2

本实施例提供了一种采用磁致伸缩/压电复合材料的三轴磁力梯度探头。三轴磁力梯度探头可以探测空间磁场的变化。

三轴磁力梯度探头包括两个三轴磁电复合敏感单元模块，每个三轴磁电复合敏感单元模块包括三个磁电复合敏感单元。三个磁电复合敏感单元在长度方向上互相垂直放置。

图5给出了一个用于封装三个磁电复合敏感单元的封装结构。三个磁电复合敏感单元分别嵌入封装结构的X方向凹槽61，Y方向凹槽62，Z方向凹槽63中，X、Y和Z分别为直角坐标系中的三个方向。为避免连线复杂，磁电复合敏感单元的输出导线可经由导线孔64与后续外部调理电路连接。

如图6所示，进一步的，将两个输出性能相同的三轴磁电复合敏感单元模块C、D平行放置在底座5上，构成三轴磁力梯度探头。

与实施例1类似，给每一个磁电复合敏感单元的线圈4中同时通入交流信号和直流信号，交流信号给磁电复合材料1提供激励磁场，直流信号给磁电复合敏感材料1提供偏置磁场；需要注意的是，同方向的两个磁电复合敏感单元通入的交流信号应保持一致。即X方向两个磁电复合敏感单元交流信号保持一致，Y方向两个磁电复合敏感单元交流信号保持一致，Z方向两个磁电复合敏感单元交流信号保持一致。

有利的，为使三轴磁力梯度探头灵敏度倍增，在C、D两个三轴磁电敏感单元中，每个方向分量上应施加相反方向的偏置磁场，如附图6中所示。

当环境中有铁磁性物体通过时，将会引起三轴磁力梯度探头附近磁场的变化，产生一个磁梯度。根据图1所示原理可知，由于此时相同方向的两个磁电复合敏感单元的偏置磁场不同，两个磁电复合敏感单元中磁电复合材料1输出的电信号幅值也不同，经过滤波、放大、差分后，即可得到磁力梯度探头的输出信号。

除实施例1中所述优点之外，三轴磁力梯度探头能够探测空间磁场变化，灵敏度高，能够消除空间环境中背景场的干扰。

Claims (7)

1.磁力梯度探头，其特征在于，包括成对的磁电复合敏感单元，每个磁电复合敏感单元包括磁电复合材料和线圈；磁电复合材料由磁致伸缩层-压电层-磁致伸缩层三层材料粘结而成，压电层引出导线用于输出电信号；线圈绕于磁电复合材料外部；

在线圈中同时通入直流信号和交流信号，直流信号用以产生偏置磁场，使所述磁电复合材料工作在线性区间；交流信号用来产生激励磁场，使所述磁电复合材料输出电信号；电信号送后端调理电路；

成对的两个磁电复合敏感单元所通入直流信号方向相反，且两个磁电复合敏感单元产生的电信号采用差分式输出。

2.如权利要求1所述的磁力梯度探头，其特征在于，成对的两个磁电复合敏感单元在长度方向上依次放置并间隔一定距离。

3.如权利要求2所述的磁力梯度探头，其特征在于，两个磁电复合敏感单元放置在底座上。

4.如权利要求1所述的磁力梯度探头，其特征在于，包括两个三轴磁电复合敏感单元模块，每个三轴磁电复合敏感单元模块包括三个磁电复合敏感单元，所述三个磁电复合敏感单元在长度方向上分别沿互相垂直的X、Y和Z三个方向放置；两个三轴磁电复合敏感单元模块中，沿同一方向放置的两个磁电复合敏感单元构成成对的磁电复合敏感单元。

5.如权利要求4所述的磁力梯度探头，其特征在于，两个三轴磁电复合敏感单元模块间隔一定距离放置在底座上。

6.如权利要求1、2或者4所述的任意一种磁力梯度探头，其特征在于，磁电复合材料安装于外壳一内，压电层引出导线由外壳一上的导线孔引出；包含所述磁电复合材料的外壳一放置在外壳二的中心通孔中；线圈绕于外壳二外表面。

7.如权利要求6所述的磁力梯度探头，其特征在于，外壳二两端设置有凸台使得外壳二外表面形成一个凹槽，线圈位于凹槽内；外壳二的端部设置有绕线圆柱，线圈的两个线头缠绕在绕线圆柱上。