CN110673068A - 具有微小型偏置磁路结构的谐振式磁传感器 - Google Patents

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朱志伟
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Abstract

本发明公开了一种具有微小型偏置磁路结构的谐振式磁传感器，包括高Q值谐振器、磁致伸缩单元、振荡电路以及永磁体，所述磁致伸缩单元设置在高Q值谐振器，所述永磁体平行与磁致伸缩单元平行设置，永磁体作为磁场源，磁力线由永磁体的N极发出，经由磁致伸缩单元回到永磁体的S极，所述高Q值谐振器任意一端的两个电极与振荡电路连接，所述振荡电路用于输出载有所述高Q值谐振器谐振频率的谐振信号。本发明漏磁较小，且可以使谐振式磁传感器的灵敏度倍增。

Description

具有微小型偏置磁路结构的谐振式磁传感器
技术领域
本发明属于传感器技术，具体为一种具有微小型偏置磁路结构的谐振式磁传感器。
背景技术
磁致伸缩材料被广泛用于设计磁传感器和执行器。磁致伸缩材料的磁致伸缩效应具有非线性的特性，一般需要施加偏置磁场使其工作在压磁系数最大的位置或线性区。已经公开的专利(一种谐振型磁场传感器敏感单元及数字频率输出磁传感器,申请号2016111746556；一种频率转换输出的高Q值谐振磁传感器,申请号201510924509X；)发明了一种利用磁致伸缩材料的谐振式磁传感器，具有Q值高、功耗低、线性测量范围宽、输出为数字信号等优点，有较广的应用前景。上诉专利中谐振式磁传感器的工作原理为：在一定的直流磁场下，磁致伸缩层产生的磁致伸缩力传递到高Q值谐振器，从而改变高Q值谐振器的谐振频率。高Q值谐振器通过门振荡电路输出数字频率信号，其频率值与直流磁场成一个函数关系。实践表明，存在一个最佳偏置磁场，在该磁场下，所述谐振式磁场传感器的灵敏度最大且工作于线性区域。为了发挥谐振式磁传感器的最大性能，需要施加一定的偏置磁场。
通常，使用通电线圈和永磁体产生直流偏置磁场。相比于通电线圈，使用永磁体是一个较好的方法，它不需要额外的功率输入，也不会引入热噪声。除此之外，永磁体易制造，成本低，可大批量生产。故使用永磁体施加偏置磁场是一个较好的方法，其中大多传感器使用一对永磁体施加偏置磁场，参考文献[1]Apicella,V.,et al.,A magnetostrictivebiased magnetic field sensor with geometrically controlled full-scalerange.Sensors and Actuators A:Physical,2018.280:p.475-483.；Yu,X.,et al.和[2]ASlice-Type Magnetoelectric Laminated Current Sensor.IEEE Sensors Journal,2015.15(10):p.5839-5850.通过改变两个永磁体的间距来改变施加的偏置磁场的大小。上诉参考文献的磁路结构是一个开放式的磁路结构，漏磁较大，并且永磁体的磁性较强，需要增大两个永磁体间距来减小磁场，整个结构不够紧凑，整体尺寸难以减小。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种具有微小型偏置磁路结构的谐振式磁传感器。
实现本发明目的的技术方案为：一种具有微小型偏置磁路结构的谐振式磁传感器，包括高Q值谐振器、磁致伸缩单元、振荡电路以及永磁体，所述磁致伸缩单元设置在高Q值谐振器，所述永磁体平行与磁致伸缩单元平行设置，永磁体作为磁场源，磁力线由永磁体的N极发出，经由磁致伸缩单元回到永磁体的S极，所述高Q值谐振器任意一端的两个电极与振荡电路连接，所述振荡电路用于输出载有所述高Q值谐振器谐振频率的谐振信号。
优选地，所述高Q值谐振器与磁致伸缩单元之间设置有绝缘垫片，磁致伸缩单元产生的应力通过绝缘垫片的传递加载到所述高Q值谐振器上。
优选地，所述高Q值谐振器为石英谐振器。
优选地，所述永磁体的个数为2，对称设置于磁致伸缩单元两侧。
优选地，磁致伸缩单元的长度与高Q值谐振器的长度相等。
优选地，所述磁致伸缩单元两端设置高磁导率单元。
优选地，所述永磁体沿与磁致伸缩单元平行方向磁化。
优选地，所述磁致伸缩单元为磁致伸缩片。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1)本发明为基于磁致伸缩材料的谐振式传感器提供合适的偏置磁场，使谐振式磁传感器工作在灵敏度大且线性的区域；
2)本发明的磁路结构不改变传感器测量方向的尺寸，且磁路结构紧凑，总体积小；
3)本发明漏磁较小，且可以使谐振式磁传感器的灵敏度倍增。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图。
图2是本发明实施例1的磁路示意图。
图3是本发明实施例2的结构示意图。
图4是本发明实施例2的磁路示意图。
图5是本发明实施例3的结构示意图。
图6是本发明实施例3的磁路示意图。
图7是本发明实施例1和2的工作原理示意图。
图8是本发明实施例3的工作原理示意图。
其中，1-磁致伸缩单元，2-石英垫片，3-石英谐振器，4-驱动电极，5-永磁体，6-高磁导率单元，7-基底，8-振荡电路，9-频率计。
具体实施方式
一种具有微小型偏置磁路结构的谐振式磁传感器，包括高Q值谐振器、磁致伸缩单元、振荡电路以及永磁体，所述磁致伸缩单元设置在高Q值谐振器，所述永磁体平行与磁致伸缩单元平行设置，永磁体作为磁场源，磁力线由永磁体的N极发出，经由磁致伸缩单元回到永磁体的S极，所述高Q值谐振器任意一端的两个电极与振荡电路连接，所述振荡电路用于输出载有所述高Q值谐振器谐振频率的谐振信号。
进一步的实施例中，所述高Q值谐振器与磁致伸缩单元之间设置有绝缘垫片，磁致伸缩单元产生的应力通过绝缘垫片的传递加载到所述高Q值谐振器上。在某些实施例中，所述高Q值谐振器、绝缘垫片以及磁致伸缩单元之间通过强力胶粘接复合在一起。
进一步的实施例中，所述高Q值谐振器为石英谐振器。
进一步的实施例中，所述永磁体的个数为2，对称设置于磁致伸缩单元两侧，且同名端相对，产生更均匀的偏置磁场，一对永磁体与磁致伸缩单元构成对称的磁路结构，磁力线分别由一对永磁体的N极发出，经由磁致伸缩单元回到各自永磁体的S极。
进一步的实施例中，磁致伸缩单元的长度与高Q值谐振器的长度相等。
进一步的实施例中，所述磁致伸缩单元两端设置高磁导率单元，有效减小漏磁并提高谐振式磁传感器性能，由于高磁导率单元的磁汇聚能力，可以有效减小漏磁并提高传感器的灵敏度。磁力线由一对永磁体的N极发出，更多的磁力线通过高磁导率单元进入磁致伸缩单元，再通过高磁导率单元回到一对永磁体各自的S极。
进一步的实施例中，所述永磁体沿与磁致伸缩单元平行方向磁化。在某些实施例中，永磁体的为长条形。
进一步的实施例中，所述磁致伸缩单元为矩形的磁致伸缩片。
本发明中永磁体与磁致伸缩单元形成磁路结构，为谐振式磁传感器提供最佳偏置磁场。
实施例1
如图1所示，本实施例中，一种具有微小型偏置磁路结构的谐振式磁传感器，包括永磁体5、基底7、1个磁致伸缩单元1、2个石英垫片2、1个石英谐振器3、振荡电路8。
石英谐振器3为双端固定的双梁石英音叉，音叉两端有驱动电极4用于连接外部振荡电路8。石英谐振器3工作在弯曲振动模态，两个梁的振动方向对称相反。
石英垫片2作为石英谐振器3复合到磁致伸缩单元上1的传递结构，分别位于磁致伸缩单元1的两端，其作用之一在于使石英谐振器3中部的振动梁与磁致伸缩单元1分隔开一定距离，保证石英谐振器3中部的振动梁能够自由振动，其作用之二在于使石英谐振器3表面电极与磁致伸缩单元不接触，防止造成电极短路。
磁致伸缩单元1为矩形的磁致伸缩片，磁致伸缩单元与石英谐振器长度相等。
将一个磁致伸缩单元1，两个石英垫片2，以及石英谐振器3通过强力胶(例如环氧树脂胶)粘接的方法复合在一起构成谐振式磁敏感单元。
在待测的磁场下，磁致伸缩单元1由于磁致伸缩效应产生的应力/应变传递到双端固定音叉谐振器3的纵向上，使双端固定音叉谐振器受到拉伸或压缩作用，从而改变石英谐振器3的谐振频率。石英谐振器3通过驱动电极4(任意一端的两个电极)接入振荡电路8能够直接输出数字频率信号，可以通过频率计9直接读出频率值，实现对磁场的测量。
本发明的磁路结构由磁致伸缩单元1和永磁体5构成，并都固定于基底7上。
如图2所示，永磁体单元5沿与磁致伸缩单元平行方向磁化，放置于永磁体的一侧。
永磁体单元5的长度与磁致伸缩单元1的长度相等。
永磁体单元5与磁致伸缩单元1之间留有间距0.1mm-0.2mm，以保证磁致伸缩单元能够自由伸缩。
永磁体单元5为磁源，磁力线由永磁体单元N极发出，经由磁致伸缩单元回到永磁体5的S极构成磁路结构。
磁致伸缩单元1可以由非晶合金、FeGa合金、TbDyFe超磁致伸缩材料构成。非晶合金需要施加较弱的偏置磁场，可采用半硬磁材料。FeGa合金、TbDyFe超磁致伸缩材料需要施加较强的偏置磁场，采用NdFeB永磁体等。
基底7可由石英玻璃或氧化铝陶瓷制成。
本实施例的工作原理如图7所示，在无磁路结构时，谐振式磁传感器工作在灵敏度低且非线性的区域。添加磁路结构后，使谐振式磁场传感器工作在灵敏度大且线性的区域，极大提升谐振式磁传感器的性能。
实施例2
如图3所示，相比实施例1，本实施例使用2个永磁体单元5与磁致伸缩单元1构成对称的磁路，可以提供更加均匀的偏置磁场。本实施例的磁路结构包括一个磁致伸缩单元1、一对永磁体5，并都固定于基底7上。
如图4所示，一对永磁体单元5沿长度方向磁化，平行且对称地放置于磁致伸缩单元的两侧。一对永磁体单元5同一端的极性相同。
永磁体单元与磁致伸缩单元1之间留有微小间距，以保证磁致伸缩单元能够自由伸缩。
一对永磁体单元5为磁源，磁力线分别从一对永磁体单元5的N极发出经由磁致伸缩单元1回到永磁体5各自的S极构成对称的磁路结构，为磁致伸缩单元提供最佳的偏置磁场，以发挥其最佳的性能。
工作原理与实施例1相同。
实施例3
本实施例在磁致伸缩单元1两端添加高磁导率单元6以减小漏磁。虽然添加高磁导率单元6增大了体积，但其具有磁汇聚能力，不仅可以减小漏磁还可以提高谐振式磁传感器的灵敏度。
如图5所示，两个永磁体单元5沿长度方向磁化，对称且平行地放置于磁致伸缩单元1的两侧，同一端的极性相同。
两个高磁导率单元6放置于磁致伸缩单元1的两端，高磁导率单元6的两外侧面分别与两个永磁体5的外侧面平齐。
如图6所示，所述永磁体5与磁致伸缩单元1通过高磁导率单元6形成对称的磁路结构，为谐振式磁传感器提供最佳偏置磁场。磁路由永磁体作为磁场源，磁力线由永磁体的N极发出，先经由高磁导率单元6至磁致伸缩单元1，再经由高磁导率单元6回到永磁体的S极。
优选的，高磁导率单元6可以由坡莫合金、可伐合金等制成。
工作原理如图8所示，在无磁路结构时，谐振式磁传感器工作在灵敏度低且非线性的区域。添加磁路结构后，使谐振式磁场传感器工作在灵敏度大且线性的区域，极大提升谐振式磁传感器的性能。由于高磁导率单元的磁汇聚能力，还可以进一步提高谐振式磁传感器的灵敏度。

Claims (8)

1.一种具有微小型偏置磁路结构的谐振式磁传感器，其特征在于，包括高Q值谐振器、磁致伸缩单元、振荡电路以及永磁体，所述磁致伸缩单元设置在高Q值谐振器，所述永磁体平行与磁致伸缩单元平行设置，永磁体作为磁场源，磁力线由永磁体的N极发出，经由磁致伸缩单元回到永磁体的S极，所述高Q值谐振器任意一端的两个电极与振荡电路连接，所述振荡电路用于输出载有所述高Q值谐振器谐振频率的谐振信号。
2.根据权利要求1所述的具有微小型偏置磁路结构的谐振式磁传感器，其特征在于，所述高Q值谐振器与磁致伸缩单元之间设置有绝缘垫片，磁致伸缩单元产生的应力通过绝缘垫片的传递加载到所述高Q值谐振器上。
3.根据权利要求1所述的具有微小型偏置磁路结构的谐振式磁传感器，其特征在于，所述高Q值谐振器为石英谐振器。
4.根据权利要求1所述的具有微小型偏置磁路结构的谐振式磁传感器，其特征在于，所述永磁体的个数为2，对称设置于磁致伸缩单元两侧。
5.根据权利要求1所述的具有微小型偏置磁路结构的谐振式磁传感器，其特征在于，磁致伸缩单元的长度与高Q值谐振器的长度相等。
6.根据权利要求1所述的具有微小型偏置磁路结构的谐振式磁传感器，其特征在于，所述磁致伸缩单元两端设置高磁导率单元。
7.根据权利要求1所述的具有微小型偏置磁路结构的谐振式磁传感器，其特征在于，所述永磁体沿与磁致伸缩单元平行方向磁化。
8.根据权利要求1所述的具有微小型偏置磁路结构的谐振式磁传感器，其特征在于，所述磁致伸缩单元为磁致伸缩片。
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