CN111413652A - 一种基于负反馈结构的宽工作区间多铁性磁传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于负反馈结构的宽工作区间多铁性磁传感器，包括多铁性磁电传感模块、读取模块及反馈模块，所述多铁性磁电传感模块包括同时具有压电效应及磁致伸缩效应的材料体系，反馈模块包括线圈组及反馈电路，多铁性磁电传感模块中磁电耦合效应产生的电压信号连接读取模块的输入端，反馈电路连接读取模块的输出端及线圈组，线圈组设置在多铁性磁电传感模块检测范围内。本发明引入了反馈模块，通过其产生的反馈磁场，使多铁性磁电传感模块本身处在一个稳定的磁场环境中，进而锁定磁电传感模块的工作点，由此该传感器的量程不再依赖其本身磁场‑电压特性曲线的线性区间，而是取决于反馈模块，保证该多铁性磁传感器具有超宽的线性工作区间。

Description

一种基于负反馈结构的宽工作区间多铁性磁传感器

技术领域

本发明涉及磁场测量领域，特别涉及一种基于负反馈结构的宽工作区间多铁性磁传感器。

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^-9 T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。

然而，尽管目前已提出基于磁电材料的磁场传感器原型，并演示了探测磁场的可行性，但将该类型磁场传感器推向实用化仍有许多工作，如优化器件结构设计与系统集成、提高器件整体性能和信噪比等。此外，目前磁电耦合式磁场传感器设计都是直接将磁电材料输出的微弱电信号直接放大，读出电路中没有引入负反馈。磁场-电压转换系数取决于磁电材料本身的磁场-电压特性曲线，这样，对曲线的线性度要求很高，磁场探测区间局限于磁场-电压特性曲线中的线性区域，导致磁场测量工作区间较窄。

发明内容

针对现有技术灵敏度均依赖于磁电材料本身磁场-电压特性曲线中线性区间，对磁电材料设计要求较高，磁场测量工作区较窄的问题，本发明提供了一种基于负反馈结构的宽工作区间多铁性磁传感器，通过负反馈的形式，不再依赖磁场-电压特性曲线中的线性区域，使得磁场-电压转换系数将主要取决于反馈模块，而不是多铁性磁电传感模块本身，可以将非线性的磁场-电压特性曲线线性化，大幅提高测量灵敏度，使量程范围大幅增加，且结构简单，成本低，功耗小，能够室温实现，易于集成。

以下是本发明的技术方案。一种基于负反馈结构的宽工作区间多铁性磁传感器，包括多铁性磁电传感模块、读取模块及反馈模块，所述多铁性磁电传感模块包括同时具有压电效应及磁致伸缩效应的材料，反馈模块包括线圈组及反馈电路，多铁性磁电传感模块中磁电耦合效应产生的电压信号输入读取模块的输入端，反馈电路连接读取模块的输出端及线圈组，线圈组设置在多铁性磁电传感模块检测范围内。为了解决被多铁性磁电传感模块本身线性区间限制的问题，引入了反馈模块，通过反馈模块产生反馈磁场，使得一定磁场强度内，通过叠加反馈磁场，使多铁性磁电传感模块本身处在一个稳定的磁场环境中，测量量程不再依赖多铁性磁电传感模块本身的线性区间，而是取决于反馈模块。在现有的反馈电路基础上，连接线圈组，将反馈的电信号转化为磁场强度，用以叠加在被测磁场中，使得整体磁场保持稳定在所需的磁场强度中。

作为优选，所述多铁性磁电传感模块采用同时具有压电效应和磁致伸缩效应的材料系统设计而成，可以是由压电层材料和磁致伸缩层材料复合而成的磁电复合材料，也可以是同时具有压电效应和磁致伸缩效应的单相多铁性材料。材料体系的选择是提高磁场测量精度的关键，也可以为不同领域的磁场测量提供选择的多样性。

作为优选，所述多铁性磁电传感模块可以通过一阶或者多阶磁电效应将检测的磁场信号转换为电压信号，并且输出电压信号与磁场信号之间具有一定范围的线性关系。新颖的磁电耦合形式可以提高磁场测量精度。。

作为优选，所述读取模块包括前置放大器、锁相放大器、低通滤波器及振荡器，所述前置放大器的输入端连接多铁性磁电传感模块，锁相放大器的输入端连接前置放大器的输出端，振荡器的输出端连接线圈组及锁相放大器参考信号端，低通滤波器的输入端连接锁相放大器的输出端，低通滤波器的输出端作为读取模块的输出端，经过系统信号处理可以放大前述多铁性磁电传感模块输出的有效电压信号，并降低噪声信号。

作为优选，所述反馈模块可以根据前述读取模块的输出信号补偿多铁性磁电传感模块中外界磁场的变化，使多铁性磁电传感模块本身处在一个稳定的磁场环境中，进而锁定磁电传感模块的工作点，大幅提高测量灵敏度，使量程范围大幅增加。

作为优选，所述线圈组缠绕于多铁性磁电传感模块上，所述线圈组产生调制磁场和反馈磁场。可以节省空间，同时提高调制的强度。

本发明的实质性效果包括：结构简单，通过反馈的方式补偿被测磁场，锁定多铁性磁电传感模块的线性工作点，不再受到多铁性磁电传感模块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为本发明实施例一的示意图；

图中包括：1-多铁性磁电传感模块、2-前置放大器、3-锁相放大器、4-振荡器、5-低通滤波器、6-反馈电路、7-线圈组、8-信号读取设备。

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。

实施例一：

如图1所示是一种基于负反馈结构的宽工作区间多铁性磁传感器，整体包括多铁性磁电传感模块1、读取模块及反馈模块。为了解决被多铁性磁电传感模块1本身线性区间限制的问题，引入了反馈模块，通过反馈模块产生反馈磁场，使得一定磁场强度内，通过叠加反馈磁场，使多铁性磁电传感模块1本身处在一个稳定的磁场环境中，测量量程不再依赖多铁性磁电传感模块1本身的线性区间，而是取决于反馈模块。

其中反馈模块包括反馈电路6及线圈组7，反馈电路6的输入端连接读取模块的输出端，反馈电路6的输出端连接线圈组7，线圈组7产生反馈磁场。在现有的反馈电路6基础上，连接线圈组7，将反馈的电信号转化为磁场强度，用以叠加在被测磁场中，使得整体磁场保持稳定在所需的磁场强度中。

其中线圈组7置于多铁性磁电传感模块1的检测距离内。线圈能够产生磁场，且成本较低，结构简单。

本实施例的读取模块使用了前置放大器2、锁相放大器3、振荡器4及低通滤波器5，前置放大器2的输入端连接多铁性磁电传感模块1，锁相放大器3的输入端连接前置放大器2的输出端，振荡器4的输出端连接线圈组及锁相放大器3参考信号端，低通滤波器5的输入端连接锁相放大器3的输出端，低通滤波器5的输出端作为信号读取端连接信号读取设备8。本实施例通过振荡器4及线圈组为待测磁场增加一个稳定的变化磁场，以调制多铁性磁电传感模块1的输出电信号，再通过前置放大器2放大，锁相放大器3解调和放大，最后通过低通滤波器5后输出，可以得到更精确的数据。其中很多情况下低通滤波器5可以用积分器代替。

其中本实施例的反馈电路与振荡器分别连接线圈组7中不同的线圈。

本实施例的多铁性磁电传感模块1包括相互耦合的压电层与磁致伸缩层。其中压电层为聚偏氟乙烯PVDF，磁致伸缩层为非晶铁合金Metal-glass，压电层及磁致伸缩层通过粘接形成长条形的多铁性磁电传感模块。压电层与磁致伸缩层进行耦合，同时外部通过夹具或外壳固定，磁致伸缩层感受到磁场后因为磁致伸缩效应产生形变，形变传递到压电层后因为正压电效应产生电信号。本实施例中的压电层与磁致伸缩层还可以是其他类似的组合形式，如多层结构、多方向延伸的结构或者多层薄膜异质结结构，可根据检测需要进行选择。

实施例二：

本实施例与实施例一整体一致，区别在于以下几点。

读取模块仅包括一个放大器，放大器的输入端连接多铁性磁电传感模块，放大器的输出端作为信号读取端，另外反馈电路与读取模块共用线圈。在精确度与成本的取舍中，更注重成本时，可以仅通过放大器处理后直接输出，即可得到所需的数据。

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。

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 (6)

1.一种基于负反馈结构的宽工作区间多铁性磁传感器，包括多铁性磁电传感模块、读取模块及反馈模块，其特征在于，所述多铁性磁电传感模块包括同时具有压电效应及磁致伸缩效应的材料，反馈模块包括线圈组及反馈电路，多铁性磁电传感模块中磁电耦合效应产生的电压信号输入读取模块的输入端，反馈电路连接读取模块的输出端及线圈组，线圈组设置在多铁性磁电传感模块检测范围内。

2.根据权利要求1所述的一种基于负反馈结构的宽工作区间多铁性磁传感器，其特征在于，所述多铁性磁电传感模块包括由压电层材料和磁致伸缩层材料复合而成的磁电复合材料，或者是同时具有压电效应和磁致伸缩效应的单相多铁性材料。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于负反馈结构的宽工作区间多铁性磁传感器，其特征在于，所述多铁性磁电传感模块通过一阶或者多阶磁电效应将检测的磁场信号转换为电压信号，并且输出电压信号与磁场信号之间具有一定范围的线性关系。

4.根据权利要求1所述的一种基于负反馈结构的宽工作区间多铁性磁传感器，其特征在于，所述读取模块包括前置放大器、锁相放大器、低通滤波器及振荡器，所述前置放大器的输入端连接多铁性磁电传感模块，锁相放大器的输入端连接前置放大器的输出端，振荡器的输出端连接线圈组及锁相放大器参考信号端，低通滤波器的输入端连接锁相放大器的输出端，低通滤波器的输出端作为读取模块的输出端。

5.根据权利要求1所述的一种基于负反馈结构的宽工作区间多铁性磁传感器，其特征在于，所述反馈模块根据前述读取模块的输出信号补偿多铁性磁电传感模块中外界磁场的变化，使多铁性磁电传感模块本身处在一个稳定的磁场环境中，进而锁定多铁性磁电传感模块的工作点。

6.根据权利要求1或5所述的一种基于负反馈结构的宽工作区间多铁性磁传感器，其特征在于，所述线圈组缠绕于多铁性磁电传感模块上，所述线圈组产生调制磁场和反馈磁场。

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