CN110441718B - 宽频带感应式磁场传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了宽频带感应式磁场传感器，包括激励线圈、感应线圈、磁通门磁芯和TMR传感器；磁通门磁芯是一个空心圆柱体，激励线圈、感应线圈绕制于磁通门磁芯上，TMR传感器置于磁通门磁芯的内部中心处；宽频带感应式磁场传感器在激励线圈作用下，感应线圈输出与低频磁场相关的感应电信号，TMR传感器输出与高频磁场相关的感应电信号，以实现对矢量磁场的宽频带测量。激励线圈在外部激励信号的作用下，感应线圈输出与低频磁场相关的感应电信号，TMR传感器输出与高频磁场相关的感应电信号，从而实现对矢量磁场的宽频带测量。

Description

宽频带感应式磁场传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及宽频带感应式磁场传感器。

背景技术

目前的磁力仪根据测量原理可大致分为三类：机械式、感应式以及量子式。机械式在测量精度、稳定性等性能较差，已逐步淘汰。量子式采用最新量子效应，可实现极高测量精度与准确度，但是存在仪器结构复杂或无法测量磁场矢量等问题。因此，目前应用最广泛的磁力仪是利用感应式原理的磁通门、磁阻等。

感应式传感器的结构不同，导致敏感频率区间存在差异，单个传感器无法实现宽频带高精度测量。磁通门的磁芯感应其轴向磁通变化响应磁场信息，传感器灵敏度决定其磁测矢量分辨率与测量精度，受趋肤效应等问题影响，难以准确测量高频磁场。TMR磁阻传感器的隧道结感应其轴向磁通变化响应磁场信息，其变化速度仅由外磁场决定，因此响应速度极快。然而由于传感器存在巴克豪森等效应，使得其低频段1/f噪声较大，影响其低频测量精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述目前的单个传感器无法实现宽频带高精度测量的技术问题，提供宽频带感应式磁场传感器解决上述技术缺陷。

宽频带感应式磁场传感器，包括激励线圈、感应线圈、磁通门磁芯和TMR传感器；磁通门磁芯是一个空心圆柱体，激励线圈、感应线圈绕制于磁通门磁芯的表面上，激励线圈与感应线圈正交绕制；激励线圈穿过磁通门磁芯圆柱体的上、下圆周面，紧密排列缠绕在磁通门磁芯圆柱体侧壁上，将整个圆柱体侧壁排列满；感应线圈平行于磁通门磁芯圆柱体的上、下圆周面，在圆柱体侧壁表面任意位置处紧密排列绕制；激励线圈和感应线圈都需要紧密排列，以避免信号互扰；在激励线圈与感应线圈的交汇处，感应线圈更贴近磁通门磁芯，激励线圈在外侧；TMR传感器使用无磁基板固定在磁通门磁芯内壁中心，TMR传感器的敏感轴与磁通门磁芯轴线平行放置；

激励线圈在外部激励信号的作用下，感应线圈输出与低频磁场相关的感应电信号，TMR传感器输出与高频磁场相关的感应电信号，从而实现对矢量磁场的宽频带测量。

进一步的，低频磁场测量由磁通门传感器组件完成，磁通门传感器组件包括激励线圈、感应线圈以及磁通门磁芯；对激励线圈通入音频段正弦或方波激励信号，磁通门磁芯的磁感应强度被激励信号调制，调制后磁化强度被感应线圈采集，感应线圈向外输出与磁通门磁芯上磁化强度同步变化的电信号；激励线圈的激励信号为：

V＝V_ac sin(2πft)，

其中，V为激励信号，V_ac为激励信号幅度峰峰值，f为激励信号频率，t为持续时间。

进一步的，高频磁场测量由TMR传感器组件完成，TMR传感器组件包括激励线圈、磁通门磁芯以及TMR传感器；TMR传感器内部由4组磁阻器件构成的文氏电桥，磁阻器件电阻随其轴向上磁场感应强度变化而变化，TMR传感器的输出为随磁场线性变化的电压；在激励线圈的激励下，磁通门磁芯对在TMR传感器周围产生磁聚通效应，并对磁场调制，该条件下TMR传感器的输出电压为：

V_TMR＝MRi_ac＝2πfMRCV_ac sin(2πft)，

其中，V_TMR为TMR磁传感器4输出电压信号，MR为TMR传感器的磁阻器件磁阻大小，i_ac为TMR传感器的磁阻结电流，C为比例常数。

进一步的，TMR传感器对低频磁场测量被调制到频率f段，避免低频1/f噪声干扰，提高了低频测量灵敏度；由于磁通聚集的作用传感器穿过磁通量增加了G倍：

其中，变量为：B_gap为磁通聚集器中穿过TMR感应磁场，B_ext在外磁场下穿过TMR磁通，随着磁通量的增加，TMR磁阻传感器灵敏度得到加强。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、将TMR与磁通门一体化设计成新型宽频带矢量磁场传感器，实现宽频带高精度矢量磁场测量。

2、使用磁场调制方法，将TMR传感器对低频磁场测量变为高频磁场测量，提高TMR低频磁场测量精度。

3、使用磁通聚集效应，提高TMR传感器灵敏度，从而保证高频磁场测量精度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明的宽频带感应式磁场传感器的剖面图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

宽频带感应式磁场传感器，包括激励线圈1、感应线圈2、磁通门磁芯3和TMR传感器4(Tunneling Magnetoresistance，隧道磁阻传感器)。如图1所示，磁通门磁芯3是一个空心圆柱体，激励线圈1、感应线圈2绕制于磁通门磁芯3的表面上，激励线圈1与感应线圈2正交(呈90°)绕制；激励线圈1穿过磁通门磁芯3圆柱体的上、下圆周面，紧密(一根挨一根)排列缠绕在磁通门磁芯3圆柱体侧壁上，将整个圆柱体侧壁排列满；感应线圈2平行于磁通门磁芯3圆柱体的上、下圆周面，在圆柱体侧壁表面任意位置处紧密排列绕制，根据实际需要确定匝数；激励线圈1和感应线圈2都需要紧密排列，以避免信号互扰；在激励线圈1与感应线圈2的交汇处，感应线圈2更贴近磁通门磁芯3，激励线圈1在外侧；TMR传感器4使用无磁基板固定在磁通门磁芯3内壁中心(二分之一高度处)，TMR传感器4的敏感轴与磁通门磁芯3轴线平行放置；

激励线圈1在外部激励信号的作用下，感应线圈2输出与低频磁场相关的感应电信号，TMR传感器输出与高频磁场相关的感应电信号，从而实现对矢量磁场的宽频带测量。

低频磁场测量由磁通门传感器组件完成，磁通门传感器组件包括激励线圈1、感应线圈2以及磁通门磁芯3。对激励线圈1通入音频段正弦或方波激励信号，磁通门磁芯3的磁感应强度被激励信号调制，调制后磁化强度被感应线圈采集2，感应线圈2向外输出与磁芯3上磁化强度同步变化的电信号。激励线圈1的激励信号为：

V＝V_ac sin(2πft)，

其中，V为激励信号，V_ac为激励信号幅度峰峰值，f为激励信号频率，t为持续时间。

高频磁场测量由TMR传感器组件完成，TMR传感器组件包括激励线圈1、磁通门磁芯3以及TMR传感器4。TMR传感器4内部由4组磁阻器件构成的文氏电桥，磁阻器件电阻随其轴向上磁场感应强度变化而变化，TMR传感器4的输出为随磁场线性变化的电压。在激励线圈1的激励下，磁通门磁芯3对在TMR传感器4周围产生磁聚通效应，并对磁场调制，该条件下TMR传感器4的输出电压为：

V_TMR＝MRi_ac＝2πfMRCV_ac sin(2πft)，

其中，V_TMR为TMR传感器4输出电压信号，MR为TMR传感器4的磁阻器件磁阻大小，i_ac为TMR传感器4的磁阻结电流，C为比例常数。

此时，TMR传感器4对低频磁场测量被调制到频率f段，避免低频1/f噪声干扰，提高了低频测量灵敏度。由于磁通聚集的作用传感器穿过磁通量增加了G倍：

其中，变量为：B_gap为磁通聚集器中穿过TMR感应磁场，B_ext在外磁场下穿过TMR磁通。随着磁通量的增加，TMR磁阻传感器灵敏度得到加强。

本发明宽频带感应式磁场传感器将磁通门与TMR磁阻传感器集成一体化，使用磁通门测量低频磁场，TMR测量高频磁场，实现矢量磁场宽频带测量；在激励磁场作用下，将TMR传感器对低频磁场测量被调制到频率f段，避免低频1/f噪声干扰；磁通门磁芯在TMR附近形成磁聚通效应，提高TMR传感器灵敏度。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.宽频带感应式磁场传感器，其特征在于，包括激励线圈、感应线圈、磁通门磁芯和TMR传感器；磁通门磁芯是一个空心圆柱体，激励线圈、感应线圈绕制于磁通门磁芯的表面上，激励线圈与感应线圈正交绕制；激励线圈穿过磁通门磁芯圆柱体的上、下圆周面，紧密排列缠绕在磁通门磁芯圆柱体侧壁上，将整个圆柱体侧壁排列满；感应线圈平行于磁通门磁芯圆柱体的上、下圆周面，在圆柱体侧壁表面任意位置处紧密排列绕制；激励线圈和感应线圈都需要紧密排列，以避免信号互扰；在激励线圈与感应线圈的交汇处，感应线圈更贴近磁通门磁芯，激励线圈在外侧；TMR传感器使用无磁基板固定在磁通门磁芯内壁中心，TMR传感器的敏感轴与磁通门磁芯轴线平行放置；

激励线圈在外部激励信号的作用下，感应线圈输出与低频磁场相关的感应电信号，TMR传感器输出与高频磁场相关的感应电信号，从而实现对矢量磁场的宽频带测量；

其中，低频磁场测量由磁通门传感器组件完成，磁通门传感器组件包括激励线圈、感应线圈以及磁通门磁芯；对激励线圈通入音频段正弦或方波激励信号，磁通门磁芯的磁感应强度被激励信号调制，调制后磁化强度被感应线圈采集，感应线圈向外输出与磁通门磁芯上磁化强度同步变化的电信号；激励线圈的激励信号为：

V＝V_ac sin(2πft)，

其中，V为激励信号，V_ac为激励信号幅度峰峰值，f为激励信号频率，t为持续时间。

2.根据权利要求1所述的宽频带感应式磁场传感器，其特征在于，高频磁场测量由TMR传感器组件完成，TMR传感器组件包括激励线圈、磁通门磁芯以及TMR传感器；TMR传感器内部由4组磁阻器件构成的文氏电桥，磁阻器件电阻随其轴向上磁场感应强度变化而变化，TMR传感器的输出为随磁场线性变化的电压；在激励线圈的激励下，磁通门磁芯对在TMR传感器周围产生磁聚通效应，并对磁场调制，该条件下TMR传感器的输出电压为：

V_TMR＝MRi_ac＝2πfMRCV_ac sin(2πft)，

其中，V_TMR为TMR磁传感器输出电压信号，MR为TMR传感器的磁阻器件磁阻大小，i_ac为TMR传感器的磁阻结电流，C为比例常数。

3.根据权利要求2所述的宽频带感应式磁场传感器，其特征在于，TMR传感器对低频磁场测量被调制到频率f段，避免低频1/f噪声干扰，提高了低频测量灵敏度；由于磁通聚集的作用传感器穿过磁通量增加了G倍：

其中，变量为：B_gap为磁通聚集器中穿过TMR感应磁场，B_ext在外磁场下穿过TMR磁通，随着磁通量的增加，TMR磁阻传感器灵敏度得到加强。