CN111208453B - 一种基于磁电效应的多轴磁梯度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁电效应的多轴磁梯度计，包括读取单元及若干相互连接的多铁性磁传感器，所述读取单元输入端连接多铁性磁传感器，读取单元的输出端作为信号读取端，其中多铁性磁传感器分为若干方向。多铁性磁传感器感受到磁场后会产生电势差，利用相互连接的方式可以实现电势差的叠加或抵消，通过将若干多铁性磁传感器分为多个方向，可以同时检测多个方向的磁场强度，再通过电压的叠加或抵消得到输出值。本发明的实质性效果包括：通过特定结构及连接方式实现直接测量磁场强度差值，不再依赖额外的计算，测量简单快捷，且可以实现多方向的测量。

Description

一种基于磁电效应的多轴磁梯度计

技术领域

本发明涉及磁场测量领域，特别涉及一种基于磁电效应的多轴磁梯度计。

背景技术

磁电耦合效应是指材料在外加磁场作用下产生电极化或者材料在外加电场作用下产生磁化的现象。因此，在同时具有压电效应和磁致伸缩效应的材料系统中，外界磁场的变化可以通过磁电耦合效应产生电信号响应，并且该电信号响应与外界磁场幅值成一定范围的线性关系。目前，经过良好屏蔽处理，磁电材料在谐振频率下可以探测到1.2*10^-10 T的交流磁场；利用非晶层的高磁导率和强磁性各向异性，可以使得非晶合金/PZT纤维阵列叠层复合材料对直流磁场具有10^-9T的灵敏度，以及高达10^-5度的角度灵敏度。已有的研究案例展示了基于磁电材料的磁场传感器在航海航空、医学检测、地质勘探、信息处理等方面的应用前景，并且其具有灵敏度高、成本低、功耗小等优点。

如授权公告号 CN101047225B的发明提供一种磁电耦合器件，其包括：两个磁致伸缩材料片；压电器件，其位于两个磁致伸缩材料片之间并与其耦合，用以将磁致伸缩材料产生的位移转换为电信号；以及夹具，其上安装耦合在一起的压电器件和两个磁致伸缩材料片。

但是，许多情况下，需要检测的目标磁场往往叠加在干扰磁场中，现有技术读取的数值均为叠加后的磁场，而无法直接读取出目标磁场，给测量带来困难，另外面对不同方向的磁场，检测也存在困难。

发明内容

针对现有技术无法从多种磁场中直接获取目标磁场的磁场强度的问题，本发明提供了一种基于磁电效应的多轴磁梯度计，利用多铁性磁传感器的感应原理，将若干多铁性磁传感器以不同的方向相互连接，实现直接获取多种方向磁场强度的差值或叠加值，解决了上述问题。

以下是本发明的技术方案。

一种基于磁电效应的多轴磁梯度计，包括读取单元及若干相互连接的多铁性磁传感器，所述读取单元输入端连接多铁性磁传感器，读取单元的输出端作为信号读取端，其中多铁性磁传感器分为若干方向。多铁性磁传感器感受到磁场后会产生电势差，利用相互连接的方式可以实现电势差的叠加或抵消，如以抵消的方式相互连接，将多铁性磁传感器放置在不同磁场环境中，则可以测量出不同磁场的强度差，例如当待测磁场与其他干扰磁场叠加时，通过在干扰磁场及叠加磁场分别放置多铁性磁传感器的方式，可以一次性准确测量出待测磁场的单独磁场强度。通过将若干多铁性磁传感器分为多个方向，可以同时检测多个方向的磁场强度，再通过电压的叠加或抵消得到输出值。

作为优选，所述多铁性磁传感器包括至少一层压电层及至少一层磁致伸缩层，其中工作电动势最低的一端作为阴极，工作电动势最高的一端作为阳极，多铁性磁传感器之间以同极连接的方式相互连接。连接的形式包括串联和并联，依据需求而定，通过同极连接，可以使得相邻多铁性磁传感器电动势抵消，在读取整体数值时，即是磁场强度差对应的电动势。

作为优选，所述若干多铁性磁传感器通过共用一层压电层的方式连接。该结构是将共用的压电层类比成基座，每个多铁性磁传感器分别沿一定方向设置，以检测不同方向的磁场。

作为优选，所述多铁性磁传感器共分为三个相互垂直的方向，每个方向包含至少两个多铁性磁传感器。比较常见的三维直角坐标系可以表示出立体空间中任意向量，因此参照这种设计制作的多铁性磁传感器组合，可以简化多方向磁场强度的检测和记录。

作为优选，所述读取单元包括信号处理模块及反馈模块，信号处理模块的输入端连接多铁性磁传感器，信号处理模块的输出端连接反馈模块的输入端，反馈模块产生反馈磁场，其中信号处理模块的输出端作为信号读取端。通过反馈模块产生的反馈磁场，补偿选定的多铁性磁传感器所在的磁场，使其工作在稳定的线性工作区间内，提高测量的精确度。其中信号处理模块与多铁性磁传感器的连接，不是固定的，而是根据需要连接进行连接，以测量单方向或多方向的磁场强度。

作为优选，所述信号处理模块包括至少一个放大器，放大器的输入端连接多铁性磁传感器，放大器的输出端作为信号处理模块的输出端。

作为优选，所述信号处理模块还包括低通滤波器，所述低通滤波器的输入端连接放大器的输出端，低通滤波器的输出端作为信号处理模块的输出端。

作为优选，所述反馈模块包括反馈电路及磁场生成单元，反馈电路的输入端连接信号处理模块的输出端，反馈电路的输出端连接磁场生成单元，磁场生成单元产生反馈磁场。在现有的反馈电路基础上，连接磁场生成单元，将反馈的电信号转化为磁场强度，用以叠加在特定的被测磁场中，使得叠加后的磁场保持稳定在所需的磁场强度中，其中磁场生成单元可以是能根据电信号生成可控磁场的任意器件。

作为优选，所述磁场生成单元为线圈组，线圈组置于特定多铁性磁传感器的检测距离内。线圈能够产生磁场，且成本较低，结构简单。磁场生成单元影响任意一个多铁性磁传感器即可。

作为优选，所述多铁性磁传感器与信号处理模块之间通过变压器连接。

本发明的实质性效果包括：通过特定结构及连接方式实现直接测量磁场强度差值，不再依赖额外的计算，测量简单快捷，且可以实现多方向的测量，另外通过反馈的方式补偿被测磁场，锁定多铁性磁传感器的线性工作点，不再受到多铁性磁传感器本身的线性区间限制，保证最终输出电压信号与所检测的磁信号具有超宽的线性工作区间。

附图说明

图1为本发明实施例的示意图；

图中：1-第一多铁性磁传感器、2第二多铁性磁传感器、3-信号处理模块、4-反馈电路、5-磁场生成单元。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。另外，为了更好的说明本发明，在下文中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未做详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

实施例：

如图1所示是一种基于磁电效应的多轴磁梯度计，包括读取单元及六个相互连接的多铁性磁传感器，读取单元输入端连接多铁性磁传感器，读取单元的输出端作为信号读取端，其中多铁性磁传感器分为三个相互垂直的方向，每个方向包含两个多铁性磁传感器。常见的三维直角坐标系可以表示出立体空间中任意向量，因此参照这种设计制作的多铁性磁传感器组合，可以简化多方向磁场强度的检测和记录。

多铁性磁传感器感受到磁场后会产生电势差，利用相互连接的方式可以实现电势差的叠加或抵消，如以抵消的方式相互连接，将多铁性磁传感器放置在不同磁场环境中，则可以测量出不同磁场的强度差，例如当待测磁场与其他干扰磁场叠加时，通过在干扰磁场及叠加磁场分别放置多铁性磁传感器的方式，可以一次性准确测量出待测磁场的单独磁场强度。通过将若干多铁性磁传感器分为多个方向，可以同时检测多个方向的磁场强度，再通过电压的叠加或抵消得到输出值。

本实施例的多铁性磁传感器包括两层压电层及一层磁致伸缩层，其中工作电动势最低的一端作为阴极，工作电动势最高的一端作为阳极，多铁性磁传感器之间以共用一层压电层的方式连接。即通过同极连接，可以使得相邻多铁性磁传感器电动势抵消，在读取整体数值时，即是磁场强度差对应的电动势。该结构是将共用的压电层类比成基座，每个多铁性磁传感器分别沿一定方向设置，以检测不同方向的磁场。

本实施例通过多个方向的多铁性磁传感器，可以一次性准确测量出待测磁场中的不同方向磁场强度的差值。同时通过改变多铁性磁传感器的接地点及与读取单元模块的连接点，可以单独检测一个方向上不同的磁场强度的差值。

本实施例的读取单元包括信号处理模块3及反馈模块，信号处理模块3的输入端连接第一多铁性磁传感器1，信号处理模块3的输出端连接反馈模块的输入端，反馈模块产生反馈磁场，其中信号处理模块3的输出端作为信号读取端。通过反馈模块产生的反馈磁场，补偿第二多铁性磁传感器2所在的磁场，使其工作在稳定的线性工作区间内，提高测量的精确度。

其中信号处理模块3包括一个放大器及低通滤波器，放大器的输入端连接多铁性磁传感器，低通滤波器的输入端连接放大器的输出端，低通滤波器的输出端作为信号处理模块3的输出端。

反馈模块包括反馈电路4及磁场生成单元5，反馈电路4的输入端连接信号处理模块3的输出端，反馈电路4的输出端连接磁场生成单元5，磁场生成单元5产生反馈磁场。在现有的反馈电路4基础上，连接磁场生成单元5，将反馈的电信号转化为磁场强度，用以叠加在特定的被测磁场中，使得叠加后的磁场保持稳定在所需的磁场强度中，其中磁场生成单元5可以是能根据电信号生成可控磁场的任意器件。

磁场生成单元5为线圈组，线圈组置于第二多铁性磁传感器2的检测距离内。线圈能够产生磁场，且成本较低，结构简单。磁场生成单元5影响任意一个多铁性磁传感器即可。

通过以上实施方式的描述，所属领域的技术人员可以了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将具体装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的结构和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的关于结构的实施例仅仅是示意性的，例如，模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个结构，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，结构或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是一个物理单元或多个物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个不同地方。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(read only memory，ROM)、随机存取存储器(random access memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上内容，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于磁电效应的多轴磁梯度计，其特征在于，包括读取单元及若干相互连接的多铁性磁传感器，所述若干多铁性磁传感器通过共用一层压电层的方式连接，所述读取单元输入端连接多铁性磁传感器，读取单元的输出端作为信号读取端，其中多铁性磁传感器分为若干方向，所述多铁性磁传感器包括至少一层压电层及至少一层磁致伸缩层，其中工作电动势最低的一端作为阴极，工作电动势最高的一端作为阳极，多铁性磁传感器之间以同极连接的方式相互连接，所述若干多铁性磁传感器共分为三个相互垂直的方向，每个方向包含至少两个多铁性磁传感器。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁电效应的多轴磁梯度计，其特征在于，所述读取单元包括信号处理模块及反馈模块，信号处理模块的输入端连接多铁性磁传感器，信号处理模块的输出端连接反馈模块的输入端，反馈模块产生反馈磁场，其中信号处理模块的输出端作为信号读取端。

3.根据权利要求2所述的一种基于磁电效应的多轴磁梯度计，其特征在于，所述信号处理模块包括至少一个放大器，放大器的输入端连接多铁性磁传感器，放大器的输出端作为信号处理模块的输出端。

4.根据权利要求3所述的一种基于磁电效应的多轴磁梯度计，其特征在于，所述信号处理模块还包括低通滤波器，所述低通滤波器的输入端连接放大器的输出端，低通滤波器的输出端作为信号处理模块的输出端。

5.根据权利要求3所述的一种基于磁电效应的多轴磁梯度计，其特征在于，所述反馈模块包括反馈电路及磁场生成单元，反馈电路的输入端连接信号处理模块的输出端，反馈电路的输出端连接磁场生成单元，磁场生成单元产生反馈磁场。

6.根据权利要求5所述的一种基于磁电效应的多轴磁梯度计，其特征在于，所述磁场生成单元为线圈组，线圈组置于特定多铁性磁传感器的检测距离内。

7.根据权利要求2所述的一种基于磁电效应的多轴磁梯度计，其特征在于，所述多铁性磁传感器与信号处理模块之间通过变压器连接。

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