CN116338536A - 磁场测量传感器、系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种磁场测量传感器、系统及方法。该磁场测量传感器包括：激励线圈和磁电敏感单元；其中，所述磁电敏感单元设置于所述激励线圈内部；所述激励线圈，用于接收阶跃信号，在所述阶跃信号的驱动下产生电流，并生成阶跃变化的激励磁场；所述磁电敏感单元，用于在阶跃变化的激励磁场以及待测磁场的激励下，以固有频率发生机械振荡，产生目标输出电压。所述磁场测量传感器系统包括：信号发生模块、解调模块、上位机以及上述的磁场测量传感器。
Description
技术领域
本申请属于磁场测量技术领域，具体涉及一种磁场测量传感器、系统及方法。
背景技术
在磁传感器、执行器、能量收集器等领域磁致伸缩材料或压电复合材料因具有巨磁电效应都有着广泛的应用。基于线性磁电效应的磁场测量传感器可以探测低至10-12T的交变磁场，但需要线圈或永磁体提供直流偏置场则会增加传感器的尺寸和重量。而基于非线性磁电效应的传感器可以将直流或交流待测磁场调制到激励磁场附近，无需施加偏置磁场，能够实现高灵敏度和低噪声的磁场测量。
但相关技术中的非线性磁电效应器件都是采用线圈产生持续交流磁场的激励方式进行磁场的激励，这种外部交流信号源持续激励的方式将会引入器件的串扰噪声，从而影响信噪比。
发明内容
本申请实施例提供一种磁场测量传感器、系统及方法，能够解决通过外部交流信号源持续激励的方式而引入器件串扰噪声影响信噪比的问题。
第一方面，本申请实施例提供了一种磁场测量传感器，该磁场测量传感器包括：激励线圈和磁电敏感单元；其中，所述磁电敏感单元设置于所述激励线圈内部；所述激励线圈，用于接收阶跃信号，在所述阶跃信号的驱动下产生电流，并生成阶跃变化的激励磁场；所述磁电敏感单元，用于在阶跃变化的激励磁场以及待测磁场的激励下，以固有频率发生机械振荡，产生目标输出电压。
第二方面，本申请实施例提供了一种磁场测量传感器系统，该系统包括：信号发生模块，解调模块、上位机以及如第一方面所述的磁场测量传感器；其中，所述上位机与所述信号发生模块连接；所述信号发生模块与所述磁场测量传感器的激励线圈连接；所述磁场测量传感器与所述解调模块连接；所述解调模块与所述上位机连接；其中，所述信号发生模块用于在所述上位机的控制下产生阶跃信号，并将所述阶跃信号输入到所述磁场测量传感器。
第三方面，本申请实施例提供了一种磁场测量方法，应用于如第二方面所述的磁场测量传感器系统，该方法包括：
将阶跃信号输入磁场测量传感器，产生目标输出电压；
将所述目标输出电压输入解调模块进行解调，得到待测磁场信号；
将所述待测磁场信号输入上位机进行信号处理，得到待测磁场信息；
其中，所述目标输出电压为所述磁场测量传感器的磁电敏感单元在阶跃变化的激励磁场以及待测磁场的激励下产生的；所述待测磁场信号载有待测磁场信息。
在本申请实施例中，磁场测量传感器的激励线圈通过接收阶跃信号，并在该阶跃信号的驱动下产生电流，从而生成阶跃变化的激励磁场；然后所述磁场测量传感器的磁电敏感单元在所生成的激励磁场以及待测磁场的激励下，以固有频率发生机械振荡，产生目标输出电压，该目标输出电压以用于后续进行解调得到待测磁场信号，从而根据该待测磁场信号得到待测磁场信息。不同于采用外部交流信号源持续激励磁电敏感单元，能够减少外部交流信号源所引入的器件串扰噪声，从而影响信噪比，可以显著提高信噪比。
附图说明
图1是本申请实施例提供的一种磁场测量传感器的结构示意图；
图2是本申请实施例提供的另一种磁场测量传感器的结构示意图；
图3是本申请实施例中的磁电敏感单元的非线性磁电效应原理示意图；
图4是本申请实施例提供的另一种磁场测量传感器的结构示意图；
图5是本申请实施例提供的一种磁场测量传感器的结构剖面图；
图6是本申请实施例中的一种阶跃信号示意图；
图7是本申请实施例中的经不同偏置待测直流磁场激励而产生的不同输出电压的波形图；
图8是本申请实施例提供的一种磁场测量传感器系统的结构示意图；
图9是本申请实施例提供的一种磁场测量方法的流程示意图；
图10是本申请实施例提供的另一种磁场测量传感器系统的结构示意图；
图11是本申请实施例提供的另一种磁场测量方法的流程示意图；
图12是图7中的波形经过傅里叶变换后的频谱图；
图13是本申请实施例中的磁场测量传感器测量1kHz待测磁场时输出电压的波形图；
图14是本申请实施例中磁场测量传感器测量1～50k Hz磁场的频响曲线图；
图15是本申请实施例中的谐振频率处振幅随待测直流磁场变化的曲线图；
图16是本申请实施例中的磁电敏感单元在阶跃信号激励下测量磁场的原理图。
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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本申请实施例提供的磁场测量传感器、系统及方法进行详细地说明。
图1示出本申请实施例提供的一种磁场测量传感器的结构示意图；如图1所示，该磁场测量传感器100可以包括：激励线圈11和磁电敏感单元12；
其中，所述磁电敏感单元12设置于所述激励线圈11内部；
所述激励线圈11，用于接收阶跃信号，在所述阶跃信号的驱动下产生电流，并生成阶跃变化的激励磁场；
所述磁电敏感单元12，用于在阶跃变化的激励磁场以及待测磁场的激励下，以固有频率发生机械振荡，产生目标输出电压。
在本申请实施例中，磁场测量传感器100的激励线圈11通过接收阶跃信号，并在该阶跃信号的驱动下产生电流，从而生成阶跃变化的激励磁场；图16示出本申请实施例中的磁电敏感单元在阶跃信号激励下测量磁场的原理图，在引入待测磁场后，磁场测量传感器100的磁电敏感单元12在所生成的激励磁场以及所引入的待测磁场的共同激励下，以固有频率发生机械振荡，此时的磁电敏感单元12的振荡频率不受阶跃信号频率的影响，产生目标输出电压，该目标输出电压以用于后续进行解调得到待测磁场信号，从而根据该待测磁场信号得到待测磁场信息。减少了采用外部交流信号源时所引入的器件串扰噪声而影响信噪比，进一步提高了信噪比。
图2示出在一种实现方式中，本申请实施例提供的另一种磁场测量传感器的结构示意图；如图2所示，该磁场测量传感器200包括：激励线圈21以及磁电敏感单元22，其中，磁电敏感单元22通过磁致伸缩材料221与压电材料222进行复合得到。
可选的，磁电敏感单元22可以由磁致伸缩材料221与压电材料222以不同的方式复合而成。
作为一种优选的方式，磁电敏感单元22可以通过磁致伸缩材料221与压电材料222以片状叠层的方式进行复合得到。
作为一种优选的方式，磁致伸缩材料221可选用具有高磁导率和高压磁系数的铁基非晶合金或钴基非晶合金等材料。压电材料222可选用自钙钛矿型锆钛酸铅(Fromperovskite type lead zirconate titanate，PZT)压电陶瓷PZT或氮化铝(AlN)等。
其中，在高幅度磁场的作用下，磁致伸缩材料221产生非线性磁致伸缩应力/应变，该应力/应变传递到压电材料222，由于压电效应，压电材料222两极化表面上则能产生电势差。因而，该磁致伸缩材料221与压电材料222复合而成的磁电敏感单元22具有磁-机-电耦合特性和磁电效应，从而磁电敏感单元22在磁电效应的作用下能够产生电压。
磁致伸缩材料在磁场的作用下，其磁致伸缩系数随磁场变化的拟合函数可表示为：
λ(H)＝λs[1-exp(-αH2)] (1)
式中λs是饱和磁致伸缩应变。α是单位为Oe-2的常系数。图3示出本申请实施例中的磁电敏感单元的非线性磁电效应原理示意图，由图3可知磁致伸缩系数的变化是关于磁场的偶函数，即λ(-H)＝λ(H)。当对磁电敏感单元施加磁场的函数为：
式中h0为待测磁场，h1为激励磁场的幅值，f0和
分别为激励磁场的频率和相位。此时，磁电敏感单元的输出电压为：
U(t)＝U[H(t)]＝Adλ[H(t)] (3)
式中A是与材料几何参数、性能参数及复合方式有关的常数，d是压电系数。由于磁致伸缩系数随磁场的变化是非线性的，所以产生的输出电压随待测磁场变化也是非线性的。同时，磁致伸缩系数具有偶对称性，使得输出电压U(t)也产生倍频效应。当叠加待测磁场后，倍频特性被破坏，信号U(t)中伴有以f0为基频，以及频率2f0、3f0、4f0等高次谐波分量。
磁电敏感单元在经阶跃变化的激励磁场以及待测磁场的激励下，其纵向自由振动的微分方程可表示为：
式中u是时间t和空间纵向坐标z的函数；A和l分别为磁电敏感单元的截面积和长度；ρ和c分别为磁电敏感单元的平均密度和阻尼系数；K为刚度因子。
通过将边界条件和初始条件代入微分方程并进行求解，可以得到磁电敏感单元在激励磁场以及待测磁场的激励下的纵向自由振荡方程为：
式中H0和H1分别为激励磁场阶跃变化前后的磁场大小；ω为磁电敏感单元纵向振动的固有频率；n1和n2分别为磁致伸缩材料和压电材料的体积占比；
为磁致伸缩材料的柔顺性系数；/>
为压电材料的柔顺性系数；αm和αp为热膨胀系数。
根据压电材料的本构方程，其两个极化表面产生的电势差V与应变
的关系可以表示为：
式中D3为压电层的电位移；
为恒应力下的介电常数；d31p为压电常数；tp为压电层的厚度。通过将开路条件/>
和方程(5)代入方程(6)中，得到磁电敏感单元在阶跃变化的激励磁场的激励后输出电压与待测磁场的关系：
由方程(7)可知，磁电敏感单元输出电压随时间呈指数规律
衰减，大约持续几毫秒，并且存在一个偏置量与磁场阶跃变化前后的强度有关。由于磁致伸缩系数随磁场非线性变化，所以磁电敏感单元的输出电压随磁场的变化也是非线性关系。由于非线性磁电效应，磁电敏感单元在谐振时的感应电压被待测磁场调制，在确定激励信号的低高电平后，通过解调输出电压信号中的待测磁场信号便可实现静态和动态磁场的测量。
图4示出在一种实现方式中，本申请实施例提供的另一种磁场测量传感器的结构示意图；如图4所示，该磁场测量传感器400包括：激励线圈41以及磁电敏感单元42，还包括封装外壳43；其中，所述磁电敏感单元42设置于所述封装外壳43内部；所述激励线圈41绕于所述封装外壳43外表面。
可选的，激励线圈41的缠绕方式可以为一层多匝或者多层多匝。
图5示出在一种实现方式中，本申请实施例提供的一种磁场测量传感器的结构剖面图；如图5所示，激励线圈51绕与封装外壳53的外表面，磁电敏感单元52被固定在封装外壳53的中心位置。磁电敏感单元52由磁致伸缩材料54与压电材料55复合而成；并且压电材料55的两个表面电极上连接有电极引线56，电极引线56可穿过封装外壳53的预留小孔，以用于外接其他器件，例如信号放大器。
作为一种优选的方式，继续参见图5，磁电敏感单52的中心被封装外壳53夹持固定，两端自由。但不限制于此，也可以采用一端夹持、一端自由等其他方式进行固定。
图6示出本申请实施例中的一种阶跃信号示意图；图7示出本申请实施例中的经不同偏置待测直流磁场激励而产生的不同输出电压的波形图。由此可以看出，在阶跃变化的激励磁场以及待测磁场的激励下，磁电敏感单元发生机械振荡。当待测直流磁场不同时，输出电压的波形和幅值也不同，因而可以通过解调该输出电压信号，获取待测磁场信息。
图8示出本申请实施例提供的一种磁场测量传感器系统的结构示意图；如图8所示，该磁场测量传感器系统800可以包括：信号发生模块81，解调模块83、上位机84以及如上述任一实施例所述的磁场测量传感器82；
其中，所述上位机84与所述信号发生模块81连接；
所述信号发生模块81与所述磁场测量传感器82的激励线圈连接；
所述磁场测量传感器82与所述解调模块83连接；
所述解调模块83与所述上位机84连接；
其中，所述信号发生模块81用于在所述上位机84的控制下产生阶跃信号，并将所述阶跃信号输入到所述磁场测量传感器82。
图9示出本申请实施例提供的一种磁场测量方法的流程示意图；参见图9，该方法900应用于如图8所示的磁场测量传感器系统800，该方法900可以包括如下步骤：
步骤910，将阶跃信号输入磁场测量传感器82，产生目标输出电压；
步骤920，将所述目标输出电压输入解调模块83进行解调，得到待测磁场信号；
步骤930，将所述待测磁场信号输入上位机84进行信号处理，得到待测磁场信息；
其中，所述目标输出电压为所述磁场测量传感器82的磁电敏感单元在阶跃变化的激励磁场以及待测磁场的激励下产生的；所述待测磁场信号载有待测磁场信息。
在本申请实施例中，磁场测量传感器82的激励线圈通过接收阶跃信号，并在该阶跃信号的驱动下产生电流，从而生成阶跃变化的激励磁场；然后所述磁场测量传感器82的磁电敏感单元在所生成的激励磁场以及待测磁场的激励下，以固有频率发生机械振荡，产生目标输出电压；然后磁场测量传感器82将该目标输出电压输入到解调模块83中进行解调，得到载有待测磁场信息的待测磁场信号；之后，将该待测磁场信号输入到上位机84中进行信号处理，得到待测磁场信息，实现待测磁场的测量。
可选的，上位机84中安装有特定的软件，通过对检测到的待测磁场信号进行自相关分析，根据自相关函数能够解算出待测磁场的信息。
在一种实现方式中，在上述的步骤910之前还可以包括如下步骤：
步骤902，所述上位机84向信号发生模块81发送信号生成指令；
步骤904，所述信号发生模块81根据接收到的所述信号生成指令，产生阶跃信号；
其中，所述信号生成指令用于控制所述信号发生模块81产生激励信号，所述激励信号包括阶跃信号。
在本实施例中，阶跃信号的产生过程包括上位机84向信号发生模块81发送信号生成指令，信号发生模块81根据该指令产生阶跃信号。
图10示出在一种实现方式中，本申请实施例提供的另一种磁场测量传感器系统的结构示意图；如图10所示，该磁场测量传感器系统100可以包括：信号发生模块101，解调模块103、上位机104以及如上述任一实施例所述的磁场测量传感器102；还可以包括：信号放大器105以及模数转换器106。
其中，上位机104与信号发生模块101连接；信号发生模块101与磁场测量传感器102的激励线圈连接；磁场测量传感器102与信号放大器105连接；信号放大器105与解调模块103连接；解调模块103与模数转换器106连接；模数转换器106与上位机104连接。
图11示出在一种实现方式中，本申请实施例提供的另一种磁场测量方法的流程示意图；如图11所示，该方法1100应用于如图10所述的磁场测量传感器系统100，该方法1100可以包括：
步骤111，上位机104向信号发生模块101发送信号生成指令；
步骤112，信号发生模块101根据接收到的所述信号生成指令，产生阶跃信号；
步骤113，将阶跃信号输入磁场测量传感器102，产生目标输出电压；
步骤114，将目标输出电压输入信号放大器105进行信号放大处理；
步骤115，将信号放大处理后的目标输出电压输入解调模块103进行解调，得到待测磁场信号；
步骤116，将待测磁场信号输入模数转换器106进行信号转换处理；
步骤117，将信号转换处理后的待测磁场信号输入上位机104进行信号处理，得到待测磁场信息。
在本申请实施例中，首先上位机104向信号发生模块101发送信号生成指令，用于控制所述信号发生模块101产生激励信号，所述激励信号包括阶跃信号；在信号发生模块101产生阶跃信号之后，将阶跃信号输入磁场测量传感器102中，磁场测量传感器102在该阶跃信号的驱动下产生电流，从而生成阶跃变化的激励磁场；然后磁场测量传感器102的磁电敏感单元在所生成的激励磁场以及待测磁场的激励下，以固有频率发生机械振荡，发生磁-机-电物理场转换，产生目标输出电压；之后，将目标输出电压先经过信号放大器105进行信号放大处理，再传输给解调模块103，解调模块103对信号放大处理后的目标输出电压进行解调，得到载有待测磁场信息的待测磁场信号，该待测磁场信号再经过模数转换器106进行转换处理，转换为数字信号，再传输到上位机104进行信号处理，从而得到待测磁场信息，实现待测磁场的测量。
在实施测量磁场方法的过程中，一方面使用阶跃变化的磁场进行激励，可以降低磁场测量传感器的功耗，减少成本；另一方面，磁场测量传感器的磁电敏感单元以固有频率振荡，能够使磁电效应显著增强，从而提升了测量磁场的灵敏度，以及减少了外部交流信号源引入的串扰噪声，也提高了信噪比。
此外，图12示出图7中的波形经过傅里叶变换后的频谱图，可以看出，谐振频率处的振幅随待测直流磁场的不同而改变，该特性可用于直流磁场的测量。
图13示出本申请实施例中的磁场测量传感器测量1kHz待测磁场时输出电压的波形图，可以看出，波形随1kHz频率发生周期性变化，即“混频”现象。实现了将待测磁场频率转移至谐振频率附近的目的，提升信号的信噪比。该特性可用于交流磁场的测量。
图14示出本申请实施例中磁场测量传感器测量1～50k Hz磁场的频响曲线图。如图14所示，以2kHz为基频的奇数倍频点的响应值明显大于其它频点的响应值。原因是以激励磁场频率为基频的奇次谐波也会与谐振频率发生混频现象。由于激励磁场的幅度较高，从而淹没了交流待测磁场的信息。因此，在设计磁场测量传感器件时，应避开以激励磁场频率为整数倍数的频率点。在带宽响应平坦的区域内，磁电敏感单元测量交流磁场具有较高的灵敏度。
图15示出本申请实施例中的谐振频率处振幅随待测直流磁场变化的曲线图，如图15所示，在-3～3Oe的磁场范围内磁场测量传感器具有良好的线性度与较高的灵敏度。
因此本申请实施例提供的磁场测量传感器、系统及方法可以用于地磁场等微弱磁场的高精度测量。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。此外，需要指出的是，本申请实施方式中的方法和装置的范围不限按示出或讨论的顺序来执行功能，还可包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序来执行功能，例如，可以按不同于所描述的次序来执行所描述的方法，并且还可以添加、省去、或组合各种步骤。另外，参照某些示例所描述的特征可在其他示例中被组合。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述的方法。
上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。
Claims (10)
1.一种磁场测量传感器，其特征在于，包括：激励线圈和磁电敏感单元；其中，
所述磁电敏感单元设置于所述激励线圈内部；
所述激励线圈，用于接收阶跃信号，在所述阶跃信号的驱动下产生电流，并生成阶跃变化的激励磁场；
所述磁电敏感单元，用于在阶跃变化的激励磁场以及待测磁场的激励下，以固有频率发生机械振荡，产生目标输出电压。
2.根据权利要求1所述的磁场测量传感器，其特征在于，所述磁电敏感单元通过磁致伸缩材料与压电材料进行复合得到。
3.根据权利要求2所述的磁场测量传感器，其特征在于，所述磁致伸缩材料与压电材料以片状叠层的方式进行复合。
4.根据权利要求1所述的磁场测量传感器，其特征在于，所述磁场测量传感器还包括封装外壳；其中，
所述磁电敏感单元设置于所述封装外壳内部；
所述激励线圈绕于所述封装外壳外表面。
5.一种磁场测量传感器系统，其特征在于，包括：信号发生模块，解调模块、上位机以及如权利要求1至4任一项所述的磁场测量传感器；其中，
所述上位机与所述信号发生模块连接；
所述信号发生模块与所述磁场测量传感器的激励线圈连接；
所述磁场测量传感器与所述解调模块连接；
所述解调模块与所述上位机连接；
其中，所述信号发生模块用于在所述上位机的控制下产生阶跃信号，并将所述阶跃信号输入到所述磁场测量传感器。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：信号放大器以及模数转换器；其中，
所述信号放大器与所述磁场测量传感器以及所述解调模块连接；
所述模数转换器与所述解调模块以及所述上位机连接。
7.一种磁场测量方法，应用于如权利要求5至6任一项所述的磁场测量传感器系统，其特征在于，包括：
将阶跃信号输入磁场测量传感器，产生目标输出电压；
将所述目标输出电压输入解调模块进行解调，得到待测磁场信号；
将所述待测磁场信号输入上位机进行信号处理，得到待测磁场信息；
其中，所述目标输出电压为所述磁场测量传感器的磁电敏感单元在阶跃变化的激励磁场以及待测磁场的激励下产生的；所述待测磁场信号载有待测磁场信息。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在将阶跃信号输入磁场测量传感器，产生目标输出电压之前，还包括：
所述上位机向信号发生模块发送信号生成指令；
所述信号发生模块根据接收到的所述信号生成指令，产生阶跃信号；
其中，所述信号生成指令用于控制所述信号发生模块产生激励信号，所述激励信号包括阶跃信号。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在将所述目标输出电压输入解调模块进行解调，得到待测磁场信号之前，还包括：
将所述目标输出电压输入信号放大器进行信号放大处理。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在将所述待测磁场信号输入上位机进行信号处理，得到待测磁场信息之前，还包括：
将所述待测磁场信号输入模数转换器进行信号转换处理。
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