CN111381200B - 利用180°反相调制非线性磁电效应差分输出的磁传感器 - Google Patents

利用180°反相调制非线性磁电效应差分输出的磁传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用180°反相调制非线性磁电效应差分输出的磁传感器，包括180°反相调制差分敏感单元以及传感器电路，所述180°反相调制差分敏感探头包括两个复合磁电敏感探头，所述复合磁电敏感探头由复合磁电敏感单元以及绕制在复合磁电敏感单元外的线圈组成，两组线圈绕制方向相反且串联连接，所述传感器电路包括信号发生模块、放大器、锁相检测模块，所述信号发生模块用于输出两条通道信号，一条通道与分别与两组线圈连接，另一条通道与锁相检测模块连接，所述放大器一端与两个复合磁电敏感探头的输出电极连接，另一端与锁相检测模块连接。本发明能够有效抑制外界的温度噪声和振动噪声，降低了探头本身的本底噪声。

Description

利用180°反相调制非线性磁电效应差分输出的磁传感器
技术领域
本发明属于传感器技术，具体为一种利用180°反相调制非线性磁电效应差分输出的磁传感器。
背景技术
磁致伸缩/压电复合材料的磁电效应源于磁致伸缩材料与压电材料之间的磁-机-电耦合作用。磁致伸缩/压电复合材料具有结构简单、制备容易、磁电转换系数大和频带响应宽等优点，在新型智能材料及器件领域有着广泛的应用前景。
对磁电复合材料的早期研究大多限于线性磁电效应，即复合磁电材料在弱交变磁场激励下产生磁电效应，当施加一定偏置磁场时，输出的磁电电压幅值与交变磁场的幅值成正比。利用线性磁电效应设计的磁传感器需要一定的偏置磁场使其工作在线性区域，另外施加偏置磁场必须设计额外的磁路结构，增加了器件的体积和性能影响因数。
由于磁致伸缩材料具有非线性磁化和非线性磁致伸缩效应，并且磁致伸缩系数与磁场的函数关系呈偶对称的特性，磁致伸缩/压电复合材料在大幅度交变磁场作用下发生非线性磁电效应。参考文献[D.A.Burdin,D.V.Chashin,N.A.Ekonomov,Y.K.Fetisov,andA.A.Stashkevich,High-sensitivity dc fieldmagnetometer using nonlinearresonance magnetoelectric effect,J.Magn.Magn.Mater.405,2016:244-248.]中的模型，具体说明如下：
磁致伸缩系数与磁场的简化函数关系模型可用下面的式子表示：
λ(H)＝λs[1-exp(-αH2)]
其中，λs为饱和磁致伸缩系数，α为常系数，量纲为[Oe-2]，H为作用在磁电敏感单元的磁场可以进一步表示为：
H(t)＝H0+h cos(2πf0t)
其中，h为施加激励磁场的幅度值，f0为激励磁场的频率；H0为外部待测磁场，可以为动态磁场也可以为静态磁场。
磁致伸缩材料在磁场作用下产生的磁致伸缩应力/应变通过层间耦合传递至压电层，从而，单个磁电敏感单元的磁电电压可以表示为：
u(t)＝u[H(t)]＝Ad31λ[H(t)]
其中，A为常数，与磁致伸缩材料和压电材料的几何参数、性能参数和两相材料之间的耦合系数有关；d31为压电层的压电系数。
在H0附近，对非线性磁电电压ui(t)进行泰勒展开，得到非线性磁电电压的表达式为：
Figure GDA0002507505770000021
其中，
Figure GDA0002507505770000022
为常数项；
a1＝2Ad31λSαH0h为1次谐波的幅度值；
Figure GDA0002507505770000023
为2次谐波的幅度值；
a3＝(1/2)Ad31λSα2H0h3为3次谐波的幅度值。
由此可以看出，磁电复合材料的输出电压是待测磁场H0以及激励磁场hcos(2πf0t)的函数，待测磁场H0被调制到一次谐波、二次谐波、三次谐波及高磁谐波上，通过解调可获得待测磁场H0的值。
然而，现有的研究表明，由于磁致伸缩系数的偶对称性，在磁电复合材料在h cos(2πf0t)激励下，输出的偶次谐波具有非常高的幅度值，而待测磁场H0的值需要从奇数次谐波解调。那么问题是：在进行奇数次谐波解调的时候，需要将信号放大，但是偶次谐波分量远大于奇数次谐波分量，影响了放大倍数，而直接进行偶数磁谐波滤除，又会降低信噪比，这导致传感器的信号调理电路很复杂，还可能带来信噪比的恶化。
尽管如此，利用非线性磁电效应设计磁传感器，仍然受到关注，因为基于非线性磁电效应设计的磁传感器克服了线性磁电效应需要另外施加偏置磁场的缺点，并且具有更高的精度，能够进一步减小磁电传感器体积，满足高精度、集成化、便携等要求。
采用差分传感器结构可以提高信噪比，但是已经报道的差分磁致伸缩/压电复合敏感单元基本都是利用线性磁电效应，都需要另外施加偏置磁场，造成传感器结构复杂、体积增大。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种利用180°反相调制非线性磁电效应差分输出的磁传感器。
实现本发明目的的技术方案为：一种利用180°反相调制非线性磁电效应差分输出的磁传感器，包括180°反相调制差分敏感单元以及传感器电路，所述180°反相调制差分敏感探头包括两个复合磁电敏感探头，所述复合磁电敏感探头由复合磁电敏感单元以及绕制在复合磁电敏感单元外的线圈组成，两组线圈绕制方向相反且串联连接，所述传感器电路包括信号发生模块、放大器、锁相检测模块，所述信号发生模块用于输出两条通道信号，一条通道与分别与两组线圈连接，另一条通道与锁相检测模块连接，所述放大器一端与两个复合磁电敏感探头的输出电极连接，另一端与锁相检测模块连接。
优选地，所述两个复合磁电敏感单元的电极串联连接，且两个电极的极化方向相反。
优选地，所述信号发生模块与两组线圈连接的通道用于产生频率为f0的动态电压或电流信号，与锁相检测模块连接的通道用于产生频率为f0或3f0的奇次谐波电压信号。
优选地，所述两个复合磁电敏感单元相同且均由磁致伸缩材料和压电材料按照不同的方式叠层复合而成。
优选地，所述磁致伸缩材料为Fe基非晶态合金或FeGaB合金。
优选地，所述压电材料为压电陶瓷PZT、AIN。
优选地，锁相检测模块为AD630锁相检测模块。
本发明与现有技术相比，其显著效果为：
(1)本发明利用180°反相调制双复合磁电敏感单元产生非线性磁电效应，压电层差分输出的方法设计差分敏感探头，抵消非线性磁电效应产生的偶次谐波信号，同时倍增奇次谐波信号，探头本身具有更低的本底噪声，并且为设计高信噪比传感电路提供了便利条件；
(2)本发明利用180°反相调制双复合磁电敏感单元产生非线性磁电效应，压电层差分输出的方法设计差分敏感探头，能够有效抑制外界的温度噪声和振动噪声，降低了探头本身的本底噪声。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是利用180°反相调制非线性磁电效应差分输出磁传感器的原理图。
图2是磁致伸缩/压电复合磁电敏感单元典型结构及边界固定方式。
图3是本发明实施例含有绕制线圈磁电复合敏感单元结构示意图。
图4是本发明实施例一种180°反相调制非线性磁电效应、双敏感单元平行放置差分结构示意图。
图5是本发明实施例单个复合磁电敏感单元和差分敏感探头1次谐波解调出的磁电电压随外部静态磁场变化特性曲线对比。
图6是本发明实施例单个复合磁电敏感单元和差分敏感探头1次谐波解调输出信号随1Hz动态待测磁场幅度变化曲线。
图7是本发明实施例信号幅度随待测磁场幅度值的变化曲线。
图中标记：1为复合磁电敏感单元，11为磁致伸缩材料，12为压电材料；2为PCB电路板，21为焊接孔，22为横梁；3为封装外壳；4为激励线圈，5为底座；A、B为复合磁电敏感探头。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种利用180°反相调制非线性磁电效应差分输出的磁传感器，包括180°反相调制差分敏感单元以及传感器电路，所述180°反相调制差分敏感单元包括两个复合磁电敏感探头，所述复合磁电敏感探头由磁致伸缩/压电叠层复合磁电敏感单元以及绕制在复合磁电敏感单元外的线圈组成，两个复合磁电敏感单元外的线圈绕制方向相反，且串联连接。所述传感器电路包括信号发生模块、放大器、锁相检测模块。信号发生模块输出两通道信号，所述信号发生模块用于输出两条通道信号，一条通道与分别与两组线圈连接，另一条通道与锁相检测模块连接，所述放大器一端与两个复合磁电敏感探头的输出电极连接，另一端与锁相检测模块连接。复合磁电敏感探头通入交变电流产生激励磁场，且磁场相位相差180°。复合磁电敏感探头输出的电压信号经过低噪声放大器放大后，送入锁相检测模块。两个复合磁电敏感单元外线圈的绕制方向相反，并按照串联方式连接，当通入交变电流时，产生的激励磁场相位相差180°；同时，两个复合磁电敏感单元的电极采用压电双晶片的电连接方式，即极化方向相反、串联连接，该输出方式下的电输出即为180°反相调制差分敏感单元的输出信号。在这两种条件下，180°反相调制差分敏感单元输出的非线性磁电电压的偶次谐波相互抵消，共模噪声被抑制，奇次谐波灵敏度实现倍增。
进一步的实施例中，所述信号发生模块与两组线圈连接的通道，即通道1产生频率为f0的动态电压或电流信号，用于激励复合磁电敏感单元，进行180°反相调制；与锁相检测模块连接的通道，即通道2产生频率为f0或3f0的电压信号用作参考信号，用于从复合磁电敏感探头输出的奇数次信号上解调出待测磁场信号。
进一步的实施例中，所述两个复合磁电敏感单元均由磁致伸缩材料和压电材料按照不同的方式叠层复合而成。在某些实施例中，所述复合磁电敏感单元的复合方式可以为横向复合、嵌入式复合。
在某些实施例中，复合磁电敏感单元为“三明治”结构，按照磁致伸缩材料/压电材料/磁致伸缩材料的顺序叠层复合。
磁致伸缩材料具有高磁导率、高压磁系数，近需要较小的磁场就可以发生饱和磁化，进入非线性磁化区域。非线性磁致伸缩应力/应变，该应力/应变传递至压电材料，压电材料由于压电效应，压电材料上下表面电极产生非线性的电压输出。
典型的，复合磁电敏感单元由片状磁致伸缩材料11与压电材料12以叠层方式复合在一起，磁致伸缩材料在高幅度磁场作用下会发生饱和磁化，产生非线性磁致伸缩应力/应变，该应力/应变通过层间耦合传递至压电材料，压电材料由于压电效应，在其表面电极上产生电压输出，即敏感单元具有磁-机-电耦合特性和非线性磁电效应。
进一步的实施例中，两片复合磁电敏感单元中压电材料构成的压电层的上下表面为电极，按照极化方向相反、串联的电连接方式，即压电双晶片的连接方式，实现差分敏感探头的信号输出。在这两种条件下，差分敏感探头输出的非线性磁电电压的偶次谐波相互抵消，共模噪声被抑制，奇次谐波灵敏度实现倍增。
进一步地，磁致伸缩材料可选用具有高磁导率和高压磁系数的Fe基非晶态合金，FeGaB合金等。
进一步地，压电材料可选用压电陶瓷PZT、AIN等。
典型的，锁相检测模块可以是AD630锁相检测模块或者与其功能相当的其他模块。放大器可以为各种通用的低噪声放大器。
本发明的工作原理为：
利用180°反相调制非线性磁电效应、差分输出的磁场传感器工作原理如附图1所示，信号发生器产生电流信号I(t)，用于驱动两个复合磁电敏感单元外的激励线圈4产生激励磁场。由于两个复合磁电敏感单元外线圈的绕制方向相反，通入交变电流后产生磁场的相位相差180°，两个复合磁电敏感单元上的激励磁场可以表示为：
h1＝hcos(2πf0t)、h2＝-hcos(2πf0t)
两片复合磁电敏感单元中的压电材料按照极化方向相反、串联连接方式，达到差分输出的效果，类似压电双晶片的电连接方式。在外界温度变化时，两片压电材料产生相同的膨胀或者压缩变形，此时，由温度变化造成的两个磁电敏感单元的输出的u1、u2总是相等的，输出信号差分后相互抵消。同理，由振动噪声对两个磁电敏感单元的影响相同，两个磁电敏感单元输出u1、u2相同，经差分后u1-u2＝0。但是调制到奇数次谐波的磁场信号被倍增，具体理论模型如下：
作用在两个复合磁电敏感单元上的磁场可以表示为：
Hi(t)＝H0+hi cos(2πf0t)
其中，hi＝±h为交流磁场的幅度值，符号±表示交流磁场的相位相差180°；f0为激励磁场的频率；i＝1或2为磁电复合磁电敏感单元的编号，H0为外部待测磁场，可以为动态磁场也可以为静态磁场。
在磁致伸缩材料在磁场作用下，产生的磁致伸缩系数可表示为：
Figure GDA0002507505770000061
其中，λS为饱和磁致伸缩系数；α为常系数，量纲为[Oe-2]；
复合磁电敏感单元中的磁致伸缩材料在磁场作用下产生的磁致伸缩应力/应变通过层间耦合传递至压电层，从而，单个复合磁电敏感单元的磁电电压可以表示为：
ui(t)＝u[Hi(t)]＝Ad31λ[Hi(t)]
其中，A为常数，与磁致伸缩材料和压电材料的几何参数、性能参数和两相材料之间的耦合系数有关；d31为压电层的压电系数。
将非线性磁电电压u(t)进行泰勒展开，得到非线性磁电电压的表达式为：
Figure GDA0002507505770000071
其中，
Figure GDA0002507505770000072
为常数项；
a1＝2Ad31λSαH0hi为1次谐波的幅度值；
Figure GDA0002507505770000073
为2次谐波的幅度值；
Figure GDA0002507505770000074
为3次谐波的幅度值。
利用180°反相调制非线性磁电效应、差分输出的磁场传感器中，两个线圈产生的激励磁场相位相差180°，差分敏感探头产生的磁电电压可以表示为：
u(t)＝u[H1(t)]-u[H2(t)]＝Ad31{λ[H1(t)]-λ[(H2(t)]}
将两个磁电敏感单元的磁电输出进行泰勒展开，得到差分敏感探头输出的电压为：
Figure GDA0002507505770000075
可知，在理想情况下，如果两个复合磁电敏感单元性能完全一致，那么差分输出的偶次谐波信号相互完全抵消，奇次谐波信号幅度倍增。
本发明180°反相调制两个复合磁电敏感单元，并采用差分输出方式，从而双敏感单元输出信号本身就已经消除了偶次谐波，并且可以进行温度等共模噪声抑制，使得传感器调理电路设计更为简单，有效抑制外部噪声，同时实现磁电电压倍增，获得更好的信噪比。
实施例
一种利用180°反相调制非线性磁电效应差分输出的磁传感器，其特征在于，包括180°反相调制差分敏感单元以及传感器电路，所述180°反相调制差分敏感探头包括两个复合磁电敏感探头，所述复合磁电敏感探头由复合磁电敏感单元以及绕制在复合磁电敏感单元外的线圈组成。
本实施例中，复合磁电敏感单元选用非晶态合金FeaNibCocSidBe，尺寸为12mm×1.4mm×0.02mm，沿着长度方向磁化，其中，25≤a≤35，40≤b≤55，15≤c≤25，0.5≤d≤2,5≤e≤10，a+b+c+d+e＝100；压电材料选用锆钛酸铅PZT-5A[Pb(Zrx,Ti1-x)O3]，尺寸为14×1.4×0.2mm3，沿厚度方向极化。
附图2和附图3展示了复合磁电敏感单元的封装结构示意图，采用中间固定的方式将磁电复合敏感单元1固定在PCB板2上，保证两侧悬空，并将输出的导线焊接在焊接孔21上。在封装壳3的龙骨上紧密绕制线圈4，用于产生磁电复合敏感单元工作的需要的激励磁场。将磁电复合敏感单元和PCB板插入封装壳内并固定。为了便于焊接导线引出信号，磁电复合敏感单元中的压电层比磁致伸缩层略长。实际上，磁电复合敏感单元除了中间固定、两端自由，还可以一端固定、一端自由等方式固定。
本实施例中，缠绕线圈骨架为矩形，尺寸为2.4mm×3.8mm×14.45mm，缠绕约220匝线圈。在频率为1kHz处，线圈的阻抗约为6.5Ω。在5mA的电流激励下，矩形激励线圈的中心位置产生约1Oe的交流激励磁场。
进一步的，将复合磁电敏感探头1固定在底座5上，在距离其中心轴线5mm处放置另一个复合磁电敏感探头2并固定，两个复合磁电敏感探头1、2平行放置，如附图4所示。两个磁电敏感探头外的激励线圈绕制方向相反，串联后通入电流产生的激励磁场相位相差180°。
信号发生模块通道1产生幅度值50mA的电流激励矩形线圈中，相当于施加了频率1kHz、幅度大约10Oe的交流磁场作用在复合磁电敏感单元上，复合磁电敏感单元1、复合磁电敏感单元2和差分敏感探头输出的磁电电压波形如图5所示。通过对图5进行频谱分析发现：相比单个复合磁电敏感单元，差分敏感探头输出磁电电压的2次谐波几乎被抵消。信号发生器通道2产生频率1kHz、幅度1V的参考信号给锁相放大模块，利用一次谐波解调外部待测磁场，当外部待测磁场为静态磁场时，得到解调电压幅度与外部静态磁场的函数关系如图6所示。单个复合磁电敏感单元和差分敏感探头的灵敏度分别为8.8mV/Oe和17.6mV/Oe，由此可见，差分敏感探头输出非线性磁电电压的1次谐波幅度值对静态磁场变化的灵敏度，相对于单个复合磁电敏感单元的输出灵敏度实现了倍增。
当外部待测磁场为动态磁场时，假设为1Hz，锁相放大模块解调出差分敏感探头输出非线性磁电电压的1次谐波幅度值随时间变化，频率为1Hz。进一步测量出该信号幅度随待测磁场幅度值的变化曲线如图7所示。由此可见，差分敏感探头可实现最低的探测极限，达到7×10-5Oe。
上述说明为本申请的一种优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (5)

1.一种利用180°反相调制非线性磁电效应差分输出的磁传感器，其特征在于，包括180°反相调制差分敏感探头以及传感器电路，所述180°反相调制差分敏感探头包括两个复合磁电敏感探头，所述复合磁电敏感探头由复合磁电敏感单元以及绕制在复合磁电敏感单元外的线圈组成，两组线圈绕制方向相反且串联连接，所述传感器电路包括信号发生模块、放大器、锁相检测模块，所述信号发生模块用于输出两条通道信号，一条通道分别与两组线圈连接，另一条通道与锁相检测模块连接，所述放大器一端与两个复合磁电敏感探头的输出电极连接，另一端与锁相检测模块连接；所述两个复合磁电敏感单元的电极串联连接，且两个电极的极化方向相反；所述信号发生模块与两组线圈连接的通道用于产生频率为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
的动态电压或电流信号，与锁相检测模块连接的通道用于产生频率为
Figure 646034DEST_PATH_IMAGE001
或
Figure DEST_PATH_IMAGE002
的奇次谐波电压信号。
2.根据权利要求1所述的利用180°反相调制非线性磁电效应差分输出的磁传感器，其特征在于，所述两个复合磁电敏感单元相同且均由磁致伸缩材料和压电材料按照不同的方式叠层复合而成。
3.根据权利要求1所述的利用180°反相调制非线性磁电效应差分输出的磁传感器，其特征在于，所述磁致伸缩材料为Fe基非晶态合金或FeGaB合金。
4.根据权利要求1所述的利用180°反相调制非线性磁电效应差分输出的磁传感器，其特征在于，所述压电材料为压电陶瓷PZT、AIN。
5.根据权利要求1所述的利用180°反相调制非线性磁电效应差分输出的磁传感器，其特征在于，锁相检测模块为AD630芯片锁相检测模块。
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