CN110673063A - 一种基于非线性磁电效应磁场调制探测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感器领域，是一种基于非线性磁电效应磁场调制探测的方法。包括具体步骤为构建基于非线性磁电效应的弱磁场传感器系统，利用弱磁场传感器系统非线性磁电效应，以将低频待测磁场信号耦合至高频调制磁场中，减少外界低频磁场的干扰，以实现对弱磁信号的探测。该磁场调制的方法可将低频信号耦合到高频磁场中，可在一定范围内完成信号放大，实现弱磁探测，可适合制备具有高灵敏度、小型化、宽温度范围、低功耗、宽频带、大量程等明显综合优势的磁传感器。

Description

一种基于非线性磁电效应磁场调制探测的方法

技术领域

本发明涉及一种基于非线性磁电效应磁场调制探测的方法，属于传感器领域。

背景技术

近几年来西方国家在磁电复合材料及弱磁场传感器研究方面获得巨大的进展，使基于线性磁电效应的磁场传感器的探测能力逼近传统最灵敏的磁传感器-超导量子干涉仪(SQUID)的水平，在低频1Hz达到5pT/Hz1/2，谐振态下达到2fT/Hz1/2，在军事、工业、生物医学等领域展现出巨大的应用前景。

尽管基于线性磁电效应的弱磁场传感器的弱磁灵敏度非常的高，但是其具有一些难以克服的缺点，例如磁电材料直流电阻无法做到无穷大，直流漏电使得磁场-电场响应率存在下限截止频率，通常在10mHz左右，从而基于线性磁电效应的弱磁传感器不能探测直流磁场；在10mHz-10Hz区间内，磁电材料的热噪声以及专用前置放大器的1/f噪声非常的大，严重影响了传感器的低频探测极限，10mHz的灵敏度仅为nT量级；磁电复合材料中的压电相容易受到电场、振动和温度波动的干扰，限制了传感器的使用环境等等。

发明内容

本发明提出一种基于非线性磁电效应磁场调制探测的方法，可在一定范围内完成信号放大，实现弱磁低频探测。

实现本发明目的提供技术方案如下：

一种基于非线性磁电效应磁场调制探测的方法，具体为：构建基于非线性磁电效应的弱磁场传感器系统，利用弱磁场传感器系统非线性磁电效应，以将低频待测磁场信号耦合至高频调制磁场中，减少外界低频磁场的干扰，完成对弱磁信号的探测。

非线性磁电效应的弱磁场传感器系统包括：由锁相放大器产生待测磁场电流驱动；使用动态信号分析仪源信号提供调制磁场电流驱动，待测样品产生的电信号输入到动态信号分析仪通道中，读出电压信号，通过数据采集卡，再由计算机进行分析。

非线性磁电效应的弱磁场传感器系统调制磁场，首先使用动态信号分析仪进行调制；具体为，改变动态信号分析仪输出至螺线管的电流信号大小，以改变调制磁场的大小，以提供高频调制磁场；其中待测磁场利用锁相放大器提供；具体为改变锁相放大器输出至亥姆霍兹线圈的电流信号大小，以改变待测磁场的大小，以提供低频弱磁信号；最终将低频待测磁场信号与高频调制磁场信号发生相互作用，实现耦合。

待测样品为Metglas/PZT、Metglas/PMNT或Metglas/PIN-PMN-PT的三明治结构的高性能磁电异质结材料。

待测样品产生的电信号，使用动态信号分析仪通道端口接收并处理，可通过数据采集卡存储，再由计算机进行分析，及时显示在动态信号分析仪的屏幕上，在所高频磁场频率的两侧特定位置f_{调制±待测}处会出现调制信号峰。

本发明所述的磁电效应是指电极化对外磁场的响应和自旋磁矩对外电场的响应。

本发明的方法可以应用于柔性磁电异质结构或刚性磁电异质结构。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明使用非线性磁电效应磁场调制探测方法，可以很好的测量低频或直流状态下的磁场以及可以有效避开热噪声和低频1/f噪声，增大了磁传感器低频探测极限，提高磁电传感器的探测性能；2、本发明的方法可以应用于柔性磁电异质结构或刚性磁电异质结构。

附图说明

图1为基于非线性磁电效应的弱磁场传感器系统构建的框图。

图2为磁电异质结材料实物图。

图3为磁电异质结材料在1059Hz下(a)磁电电压随待测交流磁场的变化频谱图；(b)磁场探测极限测试图。

图4为实施例1中刚性磁电异质结材料结构示意图。

图5为实施例1中刚性磁电异质结材料在1059Hz下(a)磁电电压随待测交流磁场的变化频谱图；(b)磁场探测极限测试图。

图6为基于非线性磁电效应的弱磁场传感器系统实物图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详述。

图1为基于非线性磁电效应的弱磁场传感器系统构建框图。

如图1所示，人为的对磁电材料施加一个频率和幅度固定的交变调制磁场，由于磁电响应非线性项的磁场乘积特性，外部直流磁场被交变调制磁场所调制，磁电材料输出一个被调制的高频电信号，通过对相敏解调电路处理，可完成传感器的磁场-电压之间的转换过程，得到传感器的弱磁灵敏度，用于表征传感器的弱磁场探测能力。

该基于非线性磁电效应磁场调制探测的方法，包括以下步骤：

步骤一：制备磁电异质结材料。具体方法为：使用磁控溅射系统在压电片上生长Pt薄膜电极，使用环氧树脂将极化完全的压电片与磁致伸缩材料粘结在一起，将其放置在真空袋中，使用真空封装机抽真空，固化24小时后取出。最后从压电材料上引出电极，得到磁电异质结材料，如图2所示。

步骤二：研究交流磁场大小对非线性磁电响应的影响。具体方法为：在零偏置的情况，固定待测交流磁场的频率为1Hz，改变交流磁场的大小，观察磁电电压的变化，首先选用的是调制频率为1059Hz的低频研究，且固定调制磁场为0.5Oe，结果如图3所示，随着待测交流磁场的减小，磁电电压减小，噪声基本不变。交流磁场大小降低到66.1nT左右后，磁电电压逐渐被噪声所淹没，故我们得出在调制磁场频率为1059Hz下，待测磁场1Hz时传感器的探测极限约为66.1nT。

通过此方法可将待测的1Hz磁场调制到1059Hz下，减少了低频下公频干扰、振动噪声等干扰，极大地提高了传感器系统的抗干扰能力，可以实现对直流磁场的有效探测。

实施例1

本实施例选用的压电材料为PMN-PT压电单晶纤维，磁致伸缩材料为Metglas，其结构如图4所示。首先将切好的一定尺寸的压电片减薄到一定的厚度，使用丝网印刷的方法给压电片的上下表面刷上银浆电极，丝网印刷的过程首先是使用刮刀将电极浆料通过网版的孔口印制在压电片上，随后将银浆烘干，放置到600℃的炉子中加热15分钟取出。一般是控制电极的厚度在小于10μm，并且银浆烘干之后的电极表面光滑平整。取出烧好电极的压电片，对其进行极化处理，使用环氧树脂将极化完全的压电片与磁致伸缩材料粘结在一起，将其放置在真空袋中，使用真空封装机抽真空，固化24小时后取出。最后从上下磁致伸缩材料上引出上下电极，得到刚性的磁电异质结材料。

其次，固定待测交流磁场的频率为1Hz，改变交流磁场的大小，观察磁电电压的变化。选用调制频率为1059Hz的低频研究，且固定调制磁场为1Oe，结果如图5所示，随着待测交流磁场的减小，磁电电压减小，噪声基本不变。交流磁场大小降低到1.65nT左右后，磁电电压逐渐被噪声所淹没，我们可以得出在调制磁场频率为1059Hz下，待测磁场1Hz时传感器的探测极限约为1.65nT。

本实施例说明，磁场调制探测的方法可适用于刚性磁电异质结材料对磁场的探测。

实施例2

本实施例以层状二维云母为衬底，利用旋涂法制备柔性锆钛酸铅压电厚膜，再与柔性磁致伸缩材料Metglas进行复合，构筑柔性磁电异质结构。

本实施例的特点是，磁电异质结材料具有柔性。

如步骤二所述，研究交流磁场大小对非线性磁电响应的影响，可以得出磁场调制探测的方法也适用于柔性磁电异质结材料对磁场的探测。

Claims (5)

1.一种基于非线性磁电效应磁场调制探测的方法，其特征在于，具体为：构建基于非线性磁电效应的弱磁场传感器系统，利用弱磁场传感器系统非线性磁电效应，以将低频待测磁场信号耦合至高频调制磁场中，减少外界低频磁场的干扰，完成对弱磁信号的探测。

2.根据权利要求1所述的基于非线性磁电效应磁场调制探测的方法，其特征在于，非线性磁电效应的弱磁场传感器系统包括：由锁相放大器产生待测磁场电流驱动；使用动态信号分析仪源信号提供调制磁场电流驱动，待测样品产生的电信号输入到动态信号分析仪通道中，读出电压信号，通过数据采集卡，再由计算机进行分析。

3.根据权利要求2所述的基于非线性磁电效应磁场调制探测的方法，其特征在于，非线性磁电效应的弱磁场传感器系统调制磁场，首先使用动态信号分析仪进行调制；具体为，改变动态信号分析仪输出至螺线管的电流信号大小，以改变调制磁场的大小，以提供高频调制磁场；其中待测磁场利用锁相放大器提供；具体为改变锁相放大器输出至亥姆霍兹线圈的电流信号大小，以改变待测磁场的大小，以提供低频弱磁信号；最终将低频待测磁场信号与高频调制磁场信号发生相互作用，实现耦合。

4.根据权利要求2所述的基于非线性磁电效应磁场调制探测的方法，其特征在于，待测样品为Metglas/PZT、Metglas/PMNT或Metglas/PIN-PMN-PT的三明治结构的高性能磁电异质结材料。

5.根据权利要求2所述的基于非线性磁电效应磁场调制探测的方法，其特征在于，待测样品产生的电信号，使用动态信号分析仪通道端口接收并处理，可通过数据采集卡存储，再由计算机进行分析，及时显示在动态信号分析仪的屏幕上，在所高频磁场频率的两侧特定位置f_{调制±待测}处会出现调制信号峰。

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