CN112379315B - 一种适用于磁电耦合传感器的微弱直流磁场测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微弱磁场探测技术领域，涉及一种基于磁电耦合(ME)传感器的微弱直流磁场测量方法，首先寻找悬臂梁结构磁电耦合传感器的最佳工作点直流偏置磁场H_bias和共振频率f_r，在最佳工作点不变的情况下，额外附加一个很小的微扰直流磁场

作为定标直流磁场，使传感器偏离最佳工作点；不断缩小

的值，利用锁相放大技术测量出传感器输出电压V_ME‑时间(Time)台阶图，就可以找出直流磁场的分辨率和最低检出限。该方法将大幅提高磁场分辨率，降低白噪声水平，实现了微弱直流磁场的直接高灵敏度测量，磁场分辨率优于1nT，白噪声的功率谱密度PSD低于

磁场灵敏度S可达0.9‑1.5V/Oe。

Description

一种适用于磁电耦合传感器的微弱直流磁场测量方法

技术领域

本发明属于微弱磁场探测技术领域，涉及一种基于磁电耦合(ME)传感器的微弱直流磁场测量方法。

背景技术

微弱磁场探测在基础和前沿科学(度量衡、物理、化学、宇宙学等)、军事(如航空探潜、地磁制导等)、生物医学(脑磁图、心磁图、脏腑磁图等)、地球物理(地磁模型、地磁异常磁场)、资源勘探(铁矿、金属矿床、地下水、石油等)、无损探伤(飞机机体和轮毂、金属探伤等)等领域都有着广泛应用。目前常用磁传感器主要有霍尔(Hall)效应传感器、各向异性磁电阻(AMR)传感器、巨磁电阻(GMR)传感器、隧道磁电阻(TMR)传感器、巨磁阻抗(GMI)传感器、质子旋进磁力仪(PPM)、光泵原子磁力仪(AMM)、磁通门计(FGM)、感应线圈+磁通门复合式(BFx-coil)、超导量子干涉器件-磁强计(SQUID-MM)等。磁电耦合磁场传感器是近年来的研究热点，其白噪声密度已达到

表现出灵敏度高、量程范围大等优点，是最有前途的新一代微弱磁场传感器。该传感器属于磁场敏感型传感器，其灵敏度受尺寸限制较小，有利于小型化。所谓磁电耦合(ME，Magnetoelectric coupling)效应是指表征材料磁学性质的磁化强度M和介电性质的电极化强度P之间存在耦合作用。外加磁场可以改变介质的电极化性质(磁电耦合效应，

)，反之亦然。磁电耦合效应可用于磁场探测、能量转换、多态信息存储等。变化的外界磁场H通过磁致伸缩效应引起压磁材料的伸缩；以压磁/压电界面应力σ为媒介，压磁材料将应变传递给压电材料，并引起压电材料的电极化，而感生出电势差V_ME；通过V_ME测量值可以推算出磁场H的大小，从而实现对磁场的探测。

基于磁电耦合效应的微弱磁场传感器是新一代高灵敏度磁场传感器，其高频(数十kHz或数MHz以上)磁场信号测量的白噪声密度已达到

的水平，然而由于1/f噪声的影响，其低频(1kHz以下)磁场白噪声密度只有数

的量级。对于直流磁场的测量，其白噪声密度更高，一般在

以上。因此，适用于超低频和直流微弱磁场探测的磁电耦合传感器的低灵敏度问题亟待解决。

目前超低频磁场测量的解决方案主要有：(1)结构降频，即增大传感器尺寸或改变悬臂梁共振的模式(由伸缩模式改为弯折模式)。虽然该方法能够降低共振频率，但降频有限，对于超低频的传感器尺寸巨大，不利于实际应用。(2)频率转换技术。利用交流电场或磁场作为调制源使悬臂梁振动，再通过解调被测信号与调制信号，得到低频磁场信号。该方法主要有交流磁场调制和交流电场调制两种。(3)微分杨氏模量技术。将交流磁场施加到压磁材料上，利用压磁材料的杨氏模量E随着外场H变化的特点，通过测量磁电耦合传感器的频率、相位或输出电压幅值的变化，推算出被测磁场。Delta-E方法保留了共振增强效应，并将测量频率降低到很低。

上述降频方案中频率转换和微分杨氏模量技术已经实现了几赫兹频率的磁场测量，但直接测量微弱直流磁场仍然十分困难。

CN201810414093.0公开了一种基于磁致伸缩材料光学腔的精密磁场探测方法及系统，该方法通过利用磁致伸缩材料形成光学腔，进一步将激光频率锁定到光学腔上，从而将微弱磁场的变化转化为激光频率的变化，实现在常温条件下工作的高灵敏度磁场探测。

CN200610040817.7公开了一种直流磁场传感器，包括磁电元件和感应线圈，所述的磁电元件采用具有磁电效应的材料；所述感应线圈缠绕在磁电元件外部，该感应线圈的两端为传感器输出端。当所述直流磁场传感器被放置在直流磁场中时，由于磁电元件的磁电效应随直流磁场的变化而呈现出一定的规律变化，其磁化状态将随之发生变化，进而导致外部感应线圈的感应电动势发生变化，因此，通过检测外部感应线圈的感应电动势幅值，即可获得被探测直流磁场的大小。

CN201910923238.4公开了一种直流磁场强度的测试方法，通过横向场激励下磁场传感器的谐振频率来判断直流磁场强度，克服了温度对磁场传感器的影响；而且通过磁场传感器三种不同振动模态下的谐振频率来判断不同强度范围的直流磁场，实现了直流磁场强度的准确测试；又由于磁场传感器上的正、负电极位于压电材料层的同一侧，使得所有的电极及引线均置于磁场传感器的后端，消除了电极对磁场探测信号的干扰与衰减，进一步确保了磁场强度测试的准确性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于磁电耦合传感器的微弱直流磁场测量方法，具体包括以下步骤：

(1)在一定频率的激励磁场下，通过扫描直流偏置磁场H_dc的大小，得到悬臂梁结构磁电耦合传感器输出电压V_out(或磁电耦合系数α_ME)与H_dc的关系曲线，取V_out-H_dc曲线或α_ME-H_dc曲线的微分，微分曲线的峰值对应的磁场即为最佳偏置磁场H_bias；

(2)在最佳偏置磁场H_bias的条件下，不断改变交流激发磁场频率测量V_out或α_ME的大小，其峰值对应的频率即为共振频率f_r；

(3)根据步骤(1)和(2)确定最佳工作点H_bias和f_r，在最佳工作点下，将微扰偏置直流磁场

作为定标磁场叠加到H_bias，使传感器工作点偏离最佳工作状态，但仍在最佳工作状态附近；这样，增大

或减小

微扰偏置直流磁场

传感器的输出电压

均逐渐靠近最佳工作点时的电压(V_ME)_max；对于很小的

电压差

正比于

即

(4)不断缩小

的值，通过锁相放大技术精确测量出

随时间变化的台阶图，就可以得到该测量方法和使用该ME传感器作为直流磁场测量元件情况下的直流磁场分辨率和所能测量的直流磁场的最小值；将ΔV和

关系曲线拟合定标，即可得到该ME传感器的灵敏度S，用S作为该ME传感器的定标系数，则对于任意待测微小直流磁场Hdc＝ΔV/S，即可给出被测直流磁场的大小。

本发明中，步骤(1)和(2)获得最佳工作点H_bias和f_r的方法不分先后，即也可以先得到f_r再得到H_bias。

本发明中，所述悬臂梁结构磁电耦合传感器选自Metglas/PZT传感器、FeGa/PMN-PT传感器、Metglas/PVDF-TrFE传感器中的一种。

采用本发明所述方法测量直流磁场的ME传感器的磁场分辨率优于1nT，可达到600pT，白噪声的功率谱密度PSD在

左右，可低至

利用输出电压差值ΔV得到的直流磁场直接测量曲线，相应的磁场灵敏度S为0.9-1.5V/Oe。

本发明中适用于ME传感器磁场测量的基本方法是：首先，测量传感器的磁电耦合电压随外加直流偏置场的变化曲线V_ME-H_dc，并取其微分得到

最大值对应的磁场。这个磁场就是最佳偏置磁场H_bias。在最佳偏置磁场下，测量V_ME随交流激发磁场H_ac的频率f变化曲线V_ME-f，该曲线的峰值频率即为工作频率f_r。这样就得到了ME传感器的最佳工作点：H_bias和f_r。在最佳工作点处ME传感器对f_r频率的交流磁场具有最高的灵敏度。ME传感器的品质因子越高灵敏度越高，但频率带宽越窄。但在实际应用中，被测磁场信号的频率不一定落在ME传感器的共振频率和带宽内，从而造成测量灵敏度的大大降低，甚至无法使用。对于应用范围广的超低频，甚至直流磁场的测量更是非常困难。本发明针对直流磁场测量的困难，提出一种适用于ME传感器直流磁场高精度测量的方法—直流偏置场微扰法。在ME传感器最佳工作点H_bias和f_r不变的情况下，通过额外附加一个很小的微扰直流磁场

作为定标直流磁场，使传感器偏离最佳工作点。通过不断缩小

的大小，利用锁相放大技术测量出传感器输出电压-时间台阶图，就可以找出直流磁场的分辨率和最低检出限。该方法工作频率是f_r，巧妙避开了低频时的1/f噪声的影响，并利用了共振频率下磁电耦合效应强的特点，大大提高了直流磁场的测量灵敏度。对于普通的ME磁电耦合磁场传感器，其检出限优于1nT，噪声功率谱密度(PSD)低至

左右。

与现有技术相比，本发明所述的适用于磁电耦合传感器的微弱直流磁场测量方法具有以下优点和进步：(1)磁场分辨率大幅提高，白噪声水平大大下降。本发明的磁电耦合磁场传感器始终工作于磁场灵敏度最高的最佳工作点附近，因此，具有很高的直流磁场灵敏度，即使对于普通的ME传感器其磁场分辨率也优于1nT；另一方面，共振频率远高于1/f噪声的转角频率，因此白噪声水平很低，普通ME传感器都可以低至

左右。(2)实现了直流磁场的直接高灵敏度测量。本发明提出的测量方法可以直接测量直流磁场，而传统的测量方法是利用频率转换和微分杨氏模量等技术不断降低测量频率，直至mHz和DC。但随着调制频率f_mod的降低，一方面，磁电耦合效率迅速降低；另一方面，到直流时失去调制作用，无法对直流磁场进行高灵敏度测量。因此，目前报道的传统降频技术，很难实现1nT以下的直流磁场测量。由此可见，本发明提出的直流磁场直接测量原理可靠，技术简单，且容易实现直流磁场的高灵敏度直接测量。

附图说明

图1.ME传感器最佳偏置磁场H_bias的寻找方法(以Metglas/PZT磁电耦合传感器为例)；

图2.ME传感器共振频率f_r的寻找方法(以Metglas/PZT磁电耦合传感器为例)；

图3.直流磁场微扰法测量直流磁场的原理示意图；

图4.ME传感器的直流磁场分辨率(a)和白噪声(b)(以Metglas/PZT磁电耦合传感器为例)；

图5.ME传感器的直流磁场灵敏度(以Metglas/PZT磁电耦合传感器为例)。

具体实施方式

为了进一步了解本发明的技术方案，以实施例方式对本发明作具体的说明。本实施例仅作为对发明方案的进一步理解，而不作为权利要求的限制。

所述悬臂梁结构磁电耦合传感器选自Metglas/PZT传感器、FeGa/PMN-PT传感器、Metglas/PVDF-TrFE传感器等，但不限于这些传感器；

实施例1—直流磁场微扰法应用于Metglas/PZT传感器得到的直流磁场测量结果

(1)在频率f_r＝70kHz的激励磁场下，通过扫描直流偏置磁场H_dc的大小，得到悬臂梁结构磁电耦合传感器的磁电耦合系数α_ME与H_dc的关系曲线，取α_ME-H_dc曲线的微分，微分曲线的峰值对应的磁场即为最佳偏置磁场H_bias＝2Oe；

(2)在最佳偏置磁场H_bias＝2Oe的条件下，不断改变激发磁场频率测量α_ME的大小，其峰值对应的频率即为共振频率f_r＝72.2kHz；

如图1、2所示，通过改变直流偏置磁场的大小和交流激发磁场的频率得到的Metglas/PZT磁电耦合传感器的最佳工作点：f_r＝72.2kHz和H_bias＝2Oe；

(3)在最佳工作点下，将微扰偏置直流磁场

作为定标磁场叠加到H_bias，使传感器工作点偏离最佳工作状态，但仍在最佳工作状态附近；这样，增大

或减小

微扰偏置直流磁场

传感器的输出电压

均逐渐靠近最佳工作点时的电压(V_ME)_max；所述

电压差

正比于

即

(4)不断缩小

的值，通过锁相放大技术精确测量出

随时间变化的台阶图，可见，对于该ME传感器，运用本发明提出的直流磁场微扰法可以对低至900pT的直流磁场进行测量，白噪声的功率谱密度PSD低至

(图4)；将ΔV和

关系曲线拟合定标，得到的直流磁场直接测量曲线，相应的磁场灵敏度S为1.0V/Oe(图5)；

用S作为该ME传感器的定标系数，则对于任意待测微小直流磁场H_dc＝ΔV/S，即可给出被测直流磁场的大小。

以下实施例的测量方法与Metglas/PZT磁电耦合传感器的相应方法类似，就不再赘述，只列出测量结果。

实施例2—FeGa/PMN-PT传感器的情况

(1)在偏置磁场H＝72Oe的条件下，不断改变激发磁场频率测量α_ME的大小，其峰值对应的频率即为共振频率f_r＝88.52kHz；

(2)在最佳频率f_r＝88.52kHz的激励磁场下，通过扫描直流偏置磁场H_dc的大小，得到悬臂梁结构磁电耦合传感器的磁电耦合系数α_ME与H_dc的关系曲线，取α_ME-H_dc曲线的微分，微分曲线的峰值对应的磁场即为最佳偏置磁场H_bias＝75Oe；

FeGa/PMN-PT磁电耦合传感器的最佳工作点：f_r＝88.52kHz和H_bias＝75Oe；能测量出的直流磁场≥1.0nT，白噪声的功率谱密度PSD为

直流磁场灵敏度S为0.9V/Oe。

实施例3—Metglas/PVDF-TrFE传感器的情况

Metglas/PVDF-TrFE磁电耦合传感器的最佳工作点：f_r＝53.26kHz和H_bias＝2.0Oe；能测量出的直流磁场≥600pT，白噪声的功率谱密度PSD为

直流磁场灵敏度S为1.5V/Oe。

上述实施例证明了用本发明的方法实现了直流磁场的高灵敏度直接测量。

Claims (5)

1.一种适用于磁电耦合传感器的微弱直流磁场测量方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

(1)在一定频率的激励磁场下，通过改变直流偏置磁场H_dc的大小，得到悬臂梁结构磁电耦合传感器输出电压V_out或磁电耦合系数α_ME与H_dc的关系曲线，取V_out-H_dc曲线或α_ME-H_dc曲线的微分，微分曲线的峰值对应的磁场即为最佳偏置磁场H_bias；

(2)在最佳偏置磁场H_bias的条件下，不断改变交流激发磁场频率，测量V_out或α_ME大小随频率变化的曲线，曲线峰值对应的频率即为共振频率f_r；

(3)根据步骤(1)和(2)确定最佳工作点H_bias和f_r，在最佳工作点下，将微扰偏置直流磁场

作为定标磁场叠加到H_bias，使传感器工作点偏离最佳工作状态，但仍在最佳工作状态附近；这样，增大或减小微扰偏置直流磁场

传感器的输出电压

均逐渐靠近最佳工作点时的电压(V_ME)_max；对于很小的

电压差

正比于

即

(4)不断缩小

的值，通过锁相放大技术精确测量出

随时间变化的台阶图，就可以得到该测量方法和使用该ME传感器作为直流磁场测量元件情况下的直流磁场分辨率和所能测量的直流磁场的最小值；将ΔV和

关系曲线拟合定标，即可得到该ME传感器的灵敏度S，用S作为该ME传感器的定标系数，则对于任意待测微小直流磁场H_dc＝ΔV/S，即可给出被测直流磁场的大小。

2.根据权利要求1所述的一种适用于磁电耦合传感器的微弱直流磁场测量方法，其特征在于，步骤(1)和(2)获得最佳工作点H_bias和f_r的方法不分先后，即也可以先得到f_r再得到H_bias。

3.根据权利要求1所述的一种适用于磁电耦合传感器的微弱直流磁场测量方法，其特征在于，

4.根据权利要求1所述的一种适用于磁电耦合传感器的微弱直流磁场测量方法，其特征在于，所述悬臂梁结构磁电耦合传感器选自Metglas/PZT传感器、FeGa/PMN-PT传感器、Metglas/PVDF-TrFE传感器中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种适用于磁电耦合传感器的微弱直流磁场测量方法，其特征在于，所述方法测量直流磁场的ME传感器的磁场分辨率优于1nT，白噪声的功率谱密度PSD在

左右，利用输出电压差值ΔV得到的直流磁场直接测量曲线，相应的磁场灵敏度S为0.9-1.5V/Oe。

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