CN110988756A - 采用双磁致伸缩单元磁路结构的差分谐振式磁传感器 - Google Patents

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黄子军
朱志伟
李辉
王明洋
戎晓力
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Abstract

本发明提出了一种采用双磁致伸缩单元磁路结构的差分谐振式磁传感器，包括2个谐振式磁敏感单元、2个永磁体、振荡电路，所述永磁体设置在2个谐振式磁敏感单元之间，每个谐振式磁敏感单元均包括高Q值谐振器、磁致伸缩单元，所述磁致伸缩单元设置在高Q值谐振器下侧；所述永磁体被设置为磁力线由永磁体的N极发出，经由磁致伸缩单元回到另一个永磁体的S极，构成一个闭合的磁回路；所述高Q值谐振器任意一端的两个电极与振荡电路连接。本发明中双磁致伸缩单元差分磁路结构紧凑、体积小巧，可为谐振式磁传感器提供最佳偏置磁场。

Description

采用双磁致伸缩单元磁路结构的差分谐振式磁传感器
技术领域
本发明属于传感器技术，具体为一种采用双磁致伸缩单元磁路结构的差分谐振式磁传感器。
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，永磁体体积较大，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，这样就无谓的增大了传感器测量方向的尺寸，限制了传感器的使用，整个结构不够紧凑，整体尺寸难以减小。
同时，当环境中温度发生波动时，磁致伸缩层与高Q值谐振器的长度也会发生改变，由于磁致伸缩层与高Q值谐振器的热膨胀系数相差较大，导致高Q值谐振器两端受力发生较大改变，进而谐振频率也发生改变，这对磁场的测量造成了极大影响。故谐振式磁场传感器对温度的敏感限制了其应用。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种采用双磁致伸缩单元磁路结构的差分谐振式磁传感器。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种采用双磁致伸缩单元磁路结构的差分谐振式磁传感器，包括2个谐振式磁敏感单元、2个永磁体、振荡电路，所述永磁体设置在2个谐振式磁敏感单元之间，每个谐振式磁敏感单元均包括高Q值谐振器、磁致伸缩单元，所述磁致伸缩单元设置在高Q值谐振器下侧；所述永磁体被设置为磁力线由永磁体的N极发出，经由磁致伸缩单元回到另一个永磁体的S极，构成一个闭合的磁回路；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。
优选地，所述绝缘垫片设置在磁致伸缩单元的两端。
优选地，所述高Q值谐振器为石英谐振器。
优选地，所述石英谐振器为两梁或者多梁结构。
优选地，磁致伸缩单元的长度与石英谐振器的长度相等。
优选地，永磁体的外侧面分别与磁致伸缩单元的两端面平齐。
优选地，所述磁致伸缩单元、永磁体固定于同一平面。
优选地，所述谐振式磁敏感单元、永磁体均设置在基底上。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明中双磁致伸缩单元差分磁路结构紧凑、体积小巧，可为谐振式磁传感器提供最佳偏置磁场；本发明采用差分输出模式，能够有效抑制温漂，抗干扰能力强，同时可以有效提高传感器的灵敏度；本发明的差分磁路结构紧凑，有效减小磁漏；本发明抗干扰能力强，灵敏度高，能有效抑制温漂。
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是本发明的结构示意图。
图2是本发明的磁路示意图。
图3是本发明的工作原理示意图。
其中，1-磁致伸缩单元，2-绝缘垫片，3-高Q值谐振器，4-驱动电极，5-永磁体，6-基底，7-振荡电路，8-频率计，9-谐振式磁敏感单元。
具体实施方式
一种采用双磁致伸缩单元磁路结构的差分谐振式磁传感器，包括2个谐振式磁敏感单元9、2个永磁体5、振荡电路7，所述永磁体5设置在2个谐振式磁敏感单元2之间，每个谐振式磁敏感单元9均包括高Q值谐振器3、磁致伸缩单元1，所述磁致伸缩单元1设置在高Q值谐振器3下侧；所述永磁体5被设置为磁力线由永磁体5的N极发出，经由磁致伸缩单元1回到另一个永磁体的S极，构成一个闭合的磁回路；所述高Q值谐振器任意一端的两个电极4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。本发明采用差分式输出的工作模式。两个谐振式磁敏感单元9均与振荡电路7连接，振荡电路7与频率计8连接，当外界磁场改变时，如图3所示，两路输出的频率信号会发生改变，即一个增加、另一个减小，并且温度对两路信号造成的影响基本相同。将两路频率信号进行差分处理，差分后输出的频率变化倍增且有效抵消了温度的影响，从而本发明的灵敏度为单个谐振式传感器灵敏度的叠加，并且可以有效抑制温漂。
每个谐振式磁敏感单元9的工作原理为：磁致伸缩单元1在磁场作用下产生磁致伸缩应力并将所述应力加载到所述高Q值谐振器3上。所述高Q值谐振器任意一端的两个电极接入振荡电路7中，振荡电路7用于输出载有所述高Q值谐振器谐振频率的谐振信号，谐振信号通过频率计数器直接转化为数字信号，从而实现对磁场的测量。
进一步的实施例中，所述高Q值谐振器3与磁致伸缩单元1之间设置有绝缘垫片2，磁致伸缩单元1产生的所述应力通过绝缘垫片2的传递加载到所述高Q值谐振器3上。
进一步的实施例中，所述高Q值谐振器3、绝缘垫片2以及磁致伸缩单元1通过强力胶粘接复合在一起。
进一步的实施例中，所述绝缘垫片2设置在磁致伸缩单元1的两端。
进一步的实施例中，所述高Q值谐振器3为石英谐振器。
进一步的实施例中，所述石英谐振器为两梁或者多梁结构。
进一步的实施例中，磁致伸缩单元1的长度与石英谐振器的长度相等。
进一步的实施例中，所述磁致伸缩单元1为矩形的磁致伸缩片。
进一步的实施例中，所述磁致伸缩单元1的数量为两个。
进一步的实施例中，所述永磁体5的横截面可以为矩形、圆形等。
进一步的实施例中，所述永磁体5沿长度方向磁化。
进进一步的实施例中，永磁体5的外侧面分别与磁致伸缩单元1的两端面平齐。
进一步的实施例中，所述的磁致伸缩单元1、永磁体5固定于同一平面。
进一步的实施例中，所述谐振式磁敏感单元9、永磁体5均设置在基底6上。
所述永磁体与磁致伸缩单元形成环形的闭合磁路结构，有效减小磁漏，为磁致伸缩单元提供最佳偏置磁场。磁路由永磁体作为磁场源，磁力线由永磁体的N极发出，经由磁致伸缩单元回到另一个永磁体的S极，构成一个闭合的磁回路，为一对磁致伸缩单元提供大小相同、方向相反的偏置磁场。
实施例
如图1所示，一种采用双磁致伸缩单元磁路结构的差分谐振式磁传感器，包括谐振式磁敏感单元9、永磁体5、振荡电路7，其中谐振式磁敏感单元包括1个磁致伸缩单元1、2个石英垫片2、1个石英谐振器3。
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7。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，获得复合的谐振式磁敏感单元9。
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，可以通过频率计直接读出频率值，实现对磁场的测量。
本发明的磁路结构包括两个磁致伸缩单元1、两个永磁体5，并都固定于基底6上。
如图2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两个磁致伸缩单元1的中间，一对永磁体的外侧面分别与磁致伸缩单元的两端面平齐。
两个永磁体单元5同一端的极性相反。
优选的，永磁体5与磁致伸缩单元1之间留有微小间距为0.1mm，以保证磁致伸缩单元1能够自由伸缩。
典型的，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。
优选的，基底6可由石英玻璃或氧化铝陶瓷制成。
谐振式磁传感器采用差分式输出的工作模式，工作原理如图3所示。
当不施加偏置磁场时谐振式磁传感器频率随磁场变化的函数为分别为
f1(H)＝g1(H)
f2(H)＝g2(H)
磁路结构为两个谐振式磁敏感单元提供大小相同、方向相反的偏置磁场即-Hbias与+Hbias。
设施加偏置磁场后谐振式磁传感器频率随磁场变化的函数为分别为
f1(H)＝g1(-Hbias+H)
f2(H)＝g2(+Hbias+H)
差分谐振式磁传感器频率随磁场变化的函数为
F(H)＝f1(H)-f2(H)＝g1(-Hbias+H)-g2(+Hbias+H)＝G(H)
当外界磁场改变ΔH时，两路输出的频率信号会发生改变，即一个增加ΔFre1、另一个减小ΔFre2。
f1(ΔH)＝f1(0)+ΔFre1＝g1(-Hbias+ΔH)
f2(ΔH)＝f2(0)-ΔFre2＝g2(+Hbias+ΔH)
考虑温度变化引起的频率变化为ΔFreT，则两路输出的频率变化为
f1(0)+ΔFre1+ΔFreT＝g1(-Hbias+ΔH)+ΔFreT
f2(0)-ΔFre2+ΔFreT＝g2(+Hbias+ΔH)+ΔFreT
将两路频率信号进行差分处理
F(ΔH)＝f1(0)-f2(0)+ΔFre1+ΔFre2＝F(0)+ΔFre1+ΔFre2＝G(ΔH)
差分后输出的频率变化倍增即变化ΔFre1+ΔFre2，从而具有差分磁路结构的谐振式磁传感器的灵敏度为单个谐振式传感器的叠加，并且差分式输出的工作模式将由温度等环境因素变化引起的漂移消除，提升了谐振式传感器的抗干扰能力。

Claims (9)

1.一种采用双磁致伸缩单元磁路结构的差分谐振式磁传感器，其特征在于，包括2个谐振式磁敏感单元(9)、2个永磁体(5)、振荡电路(7)，所述永磁体(5)设置在2个谐振式磁敏感单元(2)之间，每个谐振式磁敏感单元(9)均包括高Q值谐振器(3)、磁致伸缩单元(1)，所述磁致伸缩单元(1)设置在高Q值谐振器(3)下侧；所述永磁体(5)被设置为磁力线由永磁体(5)的N极发出，经由磁致伸缩单元(1)回到另一个永磁体的S极，构成一个闭合的磁回路；所述高Q值谐振器任意一端的两个电极(4)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所述的采用双磁致伸缩单元磁路结构的差分谐振式磁传感器，其特征在于，所述高Q值谐振器(3)与磁致伸缩单元(1)之间设置有绝缘垫片(2)。
3.根据权利要求1所述的采用双磁致伸缩单元磁路结构的差分谐振式磁传感器，其特征在于，所述绝缘垫片(2)设置在磁致伸缩单元(1)的两端。
4.根据权利要求1所述的采用双磁致伸缩单元磁路结构的差分谐振式磁传感器，其特征在于，所述高Q值谐振器(3)为石英谐振器。
5.根据权利要求4所述的采用双磁致伸缩单元磁路结构的差分谐振式磁传感器，其特征在于，所述石英谐振器为两梁或者多梁结构。
6.根据权利要求4所述的采用双磁致伸缩单元磁路结构的差分谐振式磁传感器，其特征在于，磁致伸缩单元(1)的长度与石英谐振器的长度相等。
7.根据权利要求1所述的采用双磁致伸缩单元磁路结构的差分谐振式磁传感器，其特征在于，永磁体(5)的外侧面分别与磁致伸缩单元(1)的两端面平齐。
8.根据权利要求1所述的采用双磁致伸缩单元磁路结构的差分谐振式磁传感器，其特征在于，所述磁致伸缩单元(1)、永磁体(5)固定于同一平面。
9.根据权利要求1所述的采用双磁致伸缩单元磁路结构的差分谐振式磁传感器，其特征在于，所述谐振式磁敏感单元(9)、永磁体(5)均设置在基底(6)上。
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