CN111323737A - 一种阻抗敏感型磁传感器及其硬件检测电路 - Google Patents

一种阻抗敏感型磁传感器及其硬件检测电路 Download PDF

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Abstract

一种阻抗敏感型磁传感器及其硬件检测电路，包括电感L、分布电容C、直流电阻和交流电阻；直流电阻和电感L串联形成第一串联组，交流电阻和分布电容C串联形成第二串联组，第一串联组和第二串联组并联形成阻抗敏感型磁传感器；本发明使用了技术成熟的磁芯绕线电感，结构简单、成本低廉、工艺成熟。本发明利用了磁芯绕线电感的巨磁阻抗(GMI)原理，相比于使用CoFeSiB等非晶丝GMI传感器的变化率要高得多，其灵敏度也更高。

Description

一种阻抗敏感型磁传感器及其硬件检测电路
技术领域
本发明属于磁传感器技术领域，特别涉及一种阻抗敏感型磁传感器及其硬件检测电路。
背景技术
磁传感器是将磁场、电流、应力应变、温度、光等引起敏感元件磁性能的变化转换成电信号，以这种方式来检测相应的物理量。磁传感器具有非接触测量、抗干扰、恶劣条件适应性强等特点，使得其在生产控制、自动驾驶、导航系统、无损检测等各个领域内都具有广泛的应用。磁传感器已经深入了人类社会生产生活的方方面面。随着生产生活朝着智能化，对磁传感器也提出了更高的要求。未来，灵敏度更高、功耗更低、尺寸更小、成本更低、可无线测量的新型磁传感器的应用必将会成为万物互联、智能工业的基础。
现有的磁传感器主要是以下几种：霍尔型、磁电阻(AMR、GMR、TMR)、磁通门、磁阻抗、SQUID(超导量子干涉仪)。这些传感器自身都存在一些无法避免的缺陷：霍尔传感器灵敏度低，磁电阻和磁阻抗传感器工艺复杂、性能差，GMR传感器的磁滞和温漂较大，磁通门传感器功耗较大、响应速度慢，SQUID仪器庞大，造价昂贵。所以磁阻抗传感器因其灵敏度高、尺寸小、成本低的优势在未来磁传感器应用的竞争中具有巨大的优势。
同样的，针对磁阻抗传感器的检测电路多采用由多个电子元件组成的振荡器，信号检测单元通常采用肖特基二极管峰值检波方式。该方法电路结构复杂，集成度低，整个电路基本采用很基础的电路元件搭建，稳定性差，检波效率低，不能很好的发挥磁阻抗传感器优异的传感性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种阻抗敏感型磁传感器及其硬件检测电路，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案；
一种阻抗敏感型磁传感器，包括电感L、分布电容C、直流电阻和交流电阻；直流电阻和电感L串联形成第一串联组，交流电阻和分布电容C串联形成第二串联组，第一串联组和第二串联组并联形成阻抗敏感型磁传感器；谐振频率为：
Figure BDA0002444549120000021
进一步的，电感包括磁芯、螺旋线和电极；磁芯设置在两个平行的电极之间，螺旋线缠绕在磁芯上。
进一步的，一种阻抗敏感型磁传感器的硬件检测电路，包括信号发生器、电阻R、阻抗敏感型磁传感器、增益检测和差分放大器；信号发生器输出两路，一路连接电阻R，电阻R连接阻抗敏感型磁传感器；另一路连接增益检测，增益检测连接差分放大器；增益检测还连接到电阻R和阻抗敏感型磁传感器之间。
进一步的，差分放大器还连接参考电压Vref，差分放大器输出电压Vout。
进一步的，信号发生器为MAX038波形发生器芯片，产生信号S1。
进一步的，电阻R连接阻抗敏感型磁传感器形成RL串联网络，电阻R为薄膜电阻，薄膜电阻R在串联网络中用来对驱动信号S1分压，分压后的信号S2。
进一步的，增益检测为AD8302相位/增益检测芯片；差分放大器为AD630仪用差分放大器，通过调节参考电压Vref实现输出信号的调零和降噪；信号发生器输出的驱动信号S1加载到RL串联网络，同时输入到增益检测模块，增益检测模块检测输入信号S2相比于信号S1的幅值增益，输出电压Vd，Vd经过差分放大器模块进行降噪和放大输出电压信号Vout，最后输出的电压Vout是与施加的外磁场成比例关系：Vout＝f(H)。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明使用了技术成熟的磁芯绕线电感，结构简单、成本低廉、工艺成熟。本发明利用了磁芯绕线电感的巨磁阻抗(GMI)原理，相比于使用CoFeSiB等非晶丝GMI传感器的变化率要高得多，其灵敏度也更高。传感器驱动采集电路采用集成芯片作为信号发生器，采用集成式的增益检测芯片，电路整体方案设计原理简单，集成度高，相比于传统的振荡器+二极管检波的方式效率更高，可以充分发挥本发明提出的阻抗敏感型磁传感器的高灵敏度的特性。
附图说明
图1为磁芯绕线电感示意图；
图2自谐振阻抗磁传感器电学模型
图3为磁芯绕线电感阻抗随频率和磁场变化曲线；
图4为磁芯绕线电感阻抗变化率随磁场和频率变化曲线；
图5为磁芯绕线电感阻抗变化率相对磁场灵敏度随磁场和频率变化曲线；
图6为磁芯绕线电感阻抗变化量和外加磁场变化曲线。
图7自谐振阻抗传感器硬件原理图。
图中有：磁芯1、螺旋线2、电极3
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
一种阻抗敏感型磁传感器，包括电感L、分布电容C、直流电阻和交流电阻；直流电阻和电感L串联形成第一串联组，交流电阻和分布电容C串联形成第二串联组，第一串联组和第二串联组并联形成阻抗敏感型磁传感器；谐振频率为：
Figure BDA0002444549120000031
电感包括磁芯、螺旋线和电极；磁芯设置在两个平行的电极之间，螺旋线缠绕在磁芯上。
一种阻抗敏感型磁传感器的硬件检测电路，包括信号发生器、电阻R、阻抗敏感型磁传感器、增益检测和差分放大器；信号发生器输出两路，一路连接电阻R，电阻R连接阻抗敏感型磁传感器；另一路连接增益检测，增益检测连接差分放大器；增益检测还连接到电阻R和阻抗敏感型磁传感器之间。
差分放大器还连接参考电压Vref，差分放大器输出电压Vout。
信号发生器为MAX038波形发生器芯片，产生信号S1。
电阻R连接阻抗敏感型磁传感器形成RL串联网络，电阻R为薄膜电阻，薄膜电阻R在串联网络中用来对驱动信号S1分压，分压后的信号S2。
增益检测为AD8302相位/增益检测芯片；差分放大器为AD630仪用差分放大器，通过调节参考电压Vref实现输出信号的调零和降噪；信号发生器输出的驱动信号S1加载到RL串联网络，同时输入到增益检测模块，增益检测模块检测输入信号S2相比于信号S1的幅值增益，输出电压Vd，Vd经过差分放大器模块进行降噪和放大输出电压信号Vout，最后输出的电压Vout是与施加的外磁场成比例关系：Vout＝f(H)。
本发明提供了一种新型自谐振巨磁阻抗效应磁敏感器件，利用了磁芯绕线电感的自谐振特性。磁芯绕线电感由磁芯1、螺旋线2和电极3构成。由于磁芯绕线电感的线圈绕组产生分布电容，分布电容与电感本身在一定频率时会产生自谐振。本发明将磁芯绕线电感等效为一个LC并联谐振电路，该电路有电感、分布电容、直流电阻和交流电阻四个元件组成。根据等效模型，磁芯绕线电感谐振频率为：
Figure BDA0002444549120000041
当电感收到外加磁场作用，磁芯1的磁导率会发生变化，导致电感谐振频率发生变化。
使用阻抗分析仪E4990A测试电感在不同外加磁场下，其阻抗值Z随频率f变化曲线。测试结果如图3所示，当电感外部施加的磁场逐渐增大时，电感的谐振状态发生了明显的变化。随着外加磁场的增大，电感的谐振频率f0明显增大，谐振点阻抗值逐渐减小。随着外加磁场的增大，相应的同一激励频率f下的电感阻抗值也发生了明显的变化。
根据图3中所示，以磁饱和状态(图2中2000Oe)下的阻抗值作为参考，计算阻抗变化率：
Figure BDA0002444549120000042
式中
Figure BDA0002444549120000043
表示任意外磁场下的阻抗值，
Figure BDA0002444549120000044
表示最大外磁场下的阻抗值。在选择不同的激励信号频率f时，得到的阻抗变化率R和外加磁场H关系曲线，如图3所示。根据阻抗变化率R和磁场H变化关系，可以得到阻抗变化率R相对磁场的灵敏度：S＝dR/dH，结果如图4所示。当激励信号频率是170kHz-190kHz时，磁芯绕线电感的阻抗变化灵敏度S在某一磁场值处达到最高值，该磁场值即对应该激励信号频率f最敏感状态下偏置磁场Hbias。
根据图5测试结果，选择合适的激励信号频率f，同时施加适当的偏置磁场Hbias，测试该自谐振型阻抗传感器对微弱磁场的响应效果。对磁传感器外部施加1Hz正弦变化的磁场信号，改变磁场的幅值，测量传感器阻抗变化量ΔZ，测试结果如图6所示，随着外加微弱磁场逐渐减小，阻抗变化量ΔZ也逐渐减小，阻抗变化量ΔZ和外加磁场大小H呈现明显的线性关系。从图中可以看出，该传感器测量极限最小可以到10-20nT。根据测试和分析结果可以得出明显的结论：本发明提处的自谐振巨磁阻抗效应磁敏感器件作为磁场传感器是完全可行的；而且其测试性能优异。
根据磁芯绕线电感阻抗与磁场变化关系，本发明提出了一种硬件检测电路原理，电路原理图如图7所示。根据该原理图制作的硬件电路，可以实现输出电压关于外加磁场的线性变化。该硬件检测电路包括了信号发生器、RL串联网络、增益检测、差分放大模块。
所述信号发生器；使用MAXIM公司的MAX038波形发生器芯片，该芯片可以产生0.1Hz-20MHz频率范围内的信号，可设置信号类型有三角波、锯齿波、方波、正弦波、脉冲信号。通过简单的引脚配置和滤波，可以产生本发明中提出的磁芯绕线电感磁传感器工作所需的一定频率的信号S1。
所述RL串联网络：使用贴片薄膜电阻R和本发明提出的磁芯绕线电感磁传感器L(磁传感器)串联组成，薄膜电阻R在串联网络中用来对驱动信号S1分压，磁芯绕线电感磁传感器L(磁传感器)的阻抗值会随磁场变化，分压后的信号S2的幅值也会随磁场发生变化。
所述增益检测模块：使用ANALOG DEVICES公司的AD8302相位/增益检测芯片构成，该型增益检测芯片可以检测输入信号A相对于信号B的幅值增益，并且输出直流电压信号，电压信号和幅值增益线性相关：30mv/dB。
所述差分放大器：使用ANALOG DEVICES公司的AD630仪用差分放大器，可以对输入信号A和信号B进行差分放大处理，通过调节参考电压Vref实现输出信号的调零和降噪。
信号发生器输出的驱动信号S1加载到RL串联网络，同时输入到增益检测模块，增益检测模块检测输入信号S2相比于信号S1的幅值增益，输出电压Vd，Vd经过差分放大器模块进行降噪和放大输出电压信号Vout，最后输出的电压Vout是与施加的外磁场成一定比例关系：Vout＝f(H)。

Claims (7)

1.一种阻抗敏感型磁传感器，其特征在于，包括电感L、分布电容C、直流电阻和交流电阻；直流电阻和电感L串联形成第一串联组，交流电阻和分布电容C串联形成第二串联组，第一串联组和第二串联组并联形成阻抗敏感型磁传感器；谐振频率为：
Figure FDA0002444549110000011
2.根据权利要求1所述的一种阻抗敏感型磁传感器，其特征在于，电感包括磁芯、螺旋线和电极；磁芯设置在两个平行的电极之间，螺旋线缠绕在磁芯上。
3.一种阻抗敏感型磁传感器的硬件检测电路，其特征在于，基于权利要求1至2任意一项所述的一种阻抗敏感型磁传感器，包括信号发生器、电阻R、阻抗敏感型磁传感器、增益检测和差分放大器；信号发生器输出两路，一路连接电阻R，电阻R连接阻抗敏感型磁传感器；另一路连接增益检测，增益检测连接差分放大器；增益检测还连接到电阻R和阻抗敏感型磁传感器之间。
4.根据权利要求3所述的一种阻抗敏感型磁传感器的硬件检测电路，其特征在于，差分放大器还连接参考电压Vref，差分放大器输出电压Vout。
5.根据权利要求3所述的一种阻抗敏感型磁传感器的硬件检测电路，其特征在于，信号发生器为MAX038波形发生器芯片，产生信号S1。
6.根据权利要求5所述的一种阻抗敏感型磁传感器的硬件检测电路，其特征在于，电阻R连接阻抗敏感型磁传感器形成RL串联网络，电阻R为薄膜电阻，薄膜电阻R在串联网络中用来对驱动信号S1分压，分压后的信号S2。
7.根据权利要求6所述的一种阻抗敏感型磁传感器的硬件检测电路，其特征在于，增益检测为AD8302相位/增益检测芯片；差分放大器为AD630仪用差分放大器，通过调节参考电压Vref实现输出信号的调零和降噪；信号发生器输出的驱动信号S1加载到RL串联网络，同时输入到增益检测模块，增益检测模块检测输入信号S2相比于信号S1的幅值增益，输出电压Vd，Vd经过差分放大器模块进行降噪和放大输出电压信号Vout，最后输出的电压Vout是与施加的外磁场成比例关系：Vout＝f(H)。
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