CN117434480B - 一种磁场测量装置、磁场测量方法及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁场测量装置、磁场测量方法及电子设备，磁场测量装置包括信号发生组件、磁电传感组件及处理组件，磁电传感组件包括多个串联耦接的磁电异质结，磁电传感组件用于通过信号发生组件提供的调制磁场，将待测磁场信号调制至高频，输出磁电耦合电压信号；各磁电异质结具有不同的谐振频率；处理组件用于采集磁电耦合电压信号，并根据磁电耦合电压信号输出待测磁场的信息。本发明磁场测量装置以多个具有不同谐振频率的磁电异质结作为磁电转换元件，经非线性调制实现对外部磁场的测量，实现了宽频带、高灵敏度、高信噪比以及结构简单，易于工业化实现的有益效果。

Description

一种磁场测量装置、磁场测量方法及电子设备

技术领域

本发明涉及磁场测量技术领域，特别涉及一种磁场测量装置、磁场测量方法及电子设备。

背景技术

微弱磁场探测在基础和前沿科学、军事、生物医学、地球地理、资源勘探、无损探伤等领域都有着广泛的应用。

基于磁电耦合效应的微弱磁场传感器是新一代微弱磁场传感器。其磁场测量原理为：变化的外界磁场通过磁致伸缩效应引起压磁材料的伸缩，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，感生出电势差，通过电势差的测量值可推算出磁场的大小，从而实现对磁场的测量。

基于磁电耦合效应的微弱磁场传感器一般应用于0.1~100 Hz的磁场，其1/f噪声在该磁场下常与磁场频率呈反比。因此该类型磁传感器的磁场测量无法避免低频下1/f噪声的影响。

因此，如何提供一种在低频磁场下具有高灵敏、高信噪比的磁传感器正成为本领域的研究重点。

上述信息仅为了帮助理解本公开而作为背景信息提出。关于本公开内容，对于是否有任何上述内容可能适用于现有技术，没有作出任何决定，并且没有进行声明。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种磁场测量装置、磁场测量方法及电子设备，旨在改善现有磁电传感器在低频下难以实现高灵敏、高信噪比的问题。

为实现上述目的，本发明的第一方面提出一种磁场测量装置，所述磁场测量装置包括：

信号发生组件，包括信号发生电路和激励线圈；

磁电传感组件，包括多个串联耦接的磁电异质结，所述磁电传感组件外绕所述激励线圈，用于通过所述信号发生组件提供的调制磁场，将待测磁场信号调制至高频，输出磁电耦合电压信号；各所述磁电异质结具有不同的谐振频率；

处理组件，与所述磁电传感组件耦接，用于采集所述磁电耦合电压信号，并根据所述磁电耦合电压信号输出待测磁场的信息。

根据本发明的一些实施例，各所述磁电异质结工作在d₃₁长度伸缩模式，具有相同的极化方向。

根据本发明的一些实施例，所述调制磁场的调制频率小于各所述磁电异质结的最小谐振频率；

所述最小谐振频率与所述调制频率的差值为50 Hz~200 Hz。

根据本发明的一些实施例，所述磁电异质结包括压电层、设置于所述压电层两侧的第一磁性层和第二磁性层、设置于所述压电层与所述第一磁性层之间的第一电极以及设置于所述压电层与所述第二磁性层之间的第二电极；所述第一磁性层、所述压电层及第二磁性层形成三明治结构；

所述压电层的材质为PZT、压电单晶、压电陶瓷中的至少一种；

所述第一磁性层的材质为非晶合金软磁材料或巨磁致伸缩材料；

各所述磁电异质结具有不同的第一磁性层厚度和第二磁性层厚度。

根据本发明的一些实施例，所述第一磁性层包括3~10层磁性子层，所述磁性子层的厚度为20μm ~300 μm；

各所述磁电异质结所包括的磁性子层数量不同；

各磁电异质结之间的谐振频率差为200 Hz~1000 Hz。

根据本发明的一些实施例，所述第一磁电异质结、所述第二磁电异质结以及所述第三磁电异质结所包括的磁性子层数量分别为3层、4层、5层，其谐振频率分别为35650 Hz、36080 Hz以及36500Hz；

所述调制磁场的频率为35450Hz~35550Hz；

根据本发明的一些实施例，所述第一磁性层的长度为20mm~100mm，宽度为2mm~5mm；

所述压电层的长度为10mm~50mm，宽度为2mm~5mm，厚度为0.1mm~0.5mm。

根据本发明的一些实施例，所述磁场测量装置适用于弱磁场的测量，所述弱磁场的频率为1Hz~1000Hz。

为实现上述目的，本发明的第二方面提出一种磁场测量方法，所述磁场测量方法应用上述的磁场测量装置。

所述测量方法包括：

通过信号发生组件为磁电传感组件提供调制磁场，将待测磁场调制至高频；

通过处理组件采集所述磁电传感组件输出的磁电耦合电压信号，并对所述磁电耦合电压信号进行处理，输出待测磁场的信息。

为实现上述目的，本发明的第三方面提出一种电子设备，所述电子设备包括磁场测量装置，所述磁场测量装置为上述的磁场测量装置。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

本发明提供的磁场测量装置包括信号发生组件、磁电传感组件及处理组件，磁电传感组件包括多个串联耦接的磁电异质结，磁电传感组件用于通过信号发生组件提供的调制磁场，将待测磁场信号调制至高频，输出磁电耦合电压信号；各磁电异质结具有不同的谐振频率；处理组件用于采集磁电耦合电压信号，并根据磁电耦合电压信号输出待测磁场的信息。本发明磁场测量装置以多个具有不同的谐振频率的磁电异质结作为磁电转换元件，经非线性调制实现对外部磁场的测量，实现了宽频带、高灵敏度、高的信噪比以及结构简单，易于工业化实现的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例中磁电传感组件及激励线圈的结构示意图；

图2为本发明一实施例中各磁电异质结在直接测试时归一化磁电系数随磁场频率的变化曲线；

图3为本发明一实施例中磁电传感组件在直接测试时磁电系数随磁场频率的变化曲线；

图4为本发明一实施例中磁电传感组件在非线性调制时归一化传递函数随磁场频率的变化曲线；

图5为本发明一实施例中磁电传感组件分别在直接测试和非线性调制时噪声密度随磁场频率的变化曲线；

图6为本发明一实施例中磁电传感组件在非线性调制、磁场频率为1000Hz时磁电电压随磁场频率的变化曲线。

附图标记：

11第一磁电异质结；12第二磁电异质结；13第三磁电异质结；

111第一磁性层；112压电层；113第三磁性层；114第一电极；

115第二电极；20激励线圈。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所述)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

微弱磁场探测在基础和前沿科学、军事、生物医学、地球地理、资源勘探、无损探伤等领域都有着广泛的应用。

基于磁电耦合效应的微弱磁场传感器是新一代微弱磁场传感器。其磁场测量原理为：变化的外界磁场通过磁致伸缩效应引起压磁材料的伸缩，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，感生出电势差，通过电势差的测量值可推算出磁场的大小，从而实现对磁场的测量。

基于磁电耦合效应的微弱磁场传感器一般应用于0.1~100Hz的磁场，其1/f噪声在该磁场下常与磁场频率呈反比。因此该类型磁传感器的磁场测量无法避免低频下1/f噪声的影响。

因此，如何提供一种在低频磁场下具有高灵敏、高信噪比的磁传感器正成为本领域的研究重点。

本发明实施例的主要目的在于提出一种磁场测量装置、磁场测量方法及电子设备，旨在改善现有磁电传感器在低频下难以实现高灵敏、高信噪比的问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供一种磁场测量装置，该磁场测量装置包括信号发生组件、磁电传感组件以及处理组件。

该信号发生组件包括信号发生电路和激励线圈；激励线圈能够与信号发生电路电耦接，接收信号发生电路所传递的高频信号，进而使得激励线圈周围存在高频的调制磁场。

该磁电传感组件外绕激励线圈，用于通过信号发生组件提供的调制磁场，将待测磁场信号调制至高频，输出磁电耦合电压信号。

该磁电传感组件包括多个串联耦接的磁电异质结；磁电异质结的数量为3个或3个以上。各磁电异质结通过设置于压电层与磁性层之间的电极实现串联耦接，各磁电异质结具有不同的谐振频率。

该处理组件与磁电传感组件耦接，用于采集磁电传感组件所输出的磁电耦合电压信号，并根据磁电耦合电压信号输出待测磁场的信息。

在本发明的一实施例，如图1所示，磁电传感组件包括3个磁电异质结（第一磁电异质结11，第二磁电异质结12，第三磁电异质结13）。

各磁电异质结均包括压电层112、设置于压电层两侧的第一磁性层111和第二磁性层113、设置于压电层112与第一磁性层之间的第一电极114、设置于压电层112与第二磁性层之间的第二电极115；压电层112具有沿厚度方向的极化；第一磁性层111与第二磁性层113具有沿长度方向的极化。

依据图1，信号发生组件中激励线圈20外绕于第一磁电异质结11、第二磁电异质结12以及第三磁电异质结13所组成的磁电传感组件，激励线圈通过外绕实现了为磁电传感组件传递调频信号。

在本发明实施例中，3个磁电异质结的串联耦接方式为：第一磁电异质结11通过第一电极114与第二磁电异质结12的第二电极115电耦接；第二磁电异质结12通过第一电极114与第三磁电异质结13的第二电极115电耦接。进一步地，处理组件分别与第一磁电异质结11的第二电极115以及第三异质结113的第一电极114耦接。

需要说明的是，3个磁电异质结的串联耦接方式不限于以上方式，也可以为其他方式，如第一磁电异质结11通过第一电极114与第三磁电异质结13的第二电极115电耦接；第三磁电异质结13通过第一电极114与第二磁电异质结13的第二电极115电耦接。进而，处理组件分别与第一磁电异质结11的第二电极115以及第二异质结113的第一电极114耦接。

本发明实施例提供的磁场测量装置以串联耦接的磁电异质结作为磁电转换元件且以非线性调制的方式进行磁场测量，与现有直接以单个磁电异质结作为磁电转换元件的磁场测量装置相比，具有宽频带、高灵敏度、高信噪比的优点。

为验证本发明实施例磁场测量装置的以上效果，发明人对本发明实施例的磁场测量装置做了如下测试。

（1）分别测量第一磁电异质结、第二磁电异质结以及第三磁电异质结在直接测试时磁电系数随磁场频率的变化情况，得图2所示的归一化磁电系数随磁场频率的变化曲线，X轴为磁场频率，Y轴为归一化磁电系数，“11”为第一磁电异质结的归一化磁电系数随磁场频率的变化曲线，“12”为第二磁电异质结的归一化磁电系数随磁场频率的变化曲线，“13”为第三磁电异质结的归一化磁电系数随磁场频率的变化曲线。其中，直接测试指的是无需激励线圈驱动，直接通过器件输出测试信号；归一化磁电系数指的是对磁电器件测试时，整个频带内磁电系数与谐振频率处磁电系数的比值。

依据图2，第一磁电异质结、第二磁电异质结、第三磁电异质结在直接测试时的谐振频率分别为35650 Hz、36080 Hz以及36500 Hz，其谐振频率差为450 Hz~1000 Hz，其-3dB频带较为接近。

（2）测量本实施例磁电传感组件在直接测试时磁电系数随磁场频率的变化情况，得图3所示的磁电系数随磁场频率的变化曲线，其中X轴为磁场频率，Y轴为磁电系数。依据图3，磁电传感组件的谐振频率靠近第二磁电异质结的谐振频率，其频带与第一磁电异质结、第二磁电异质结以及第三磁电异质结的频带相比，得到了明显拓宽。

（3）分别测量第二磁电异质结及磁电传感组件在非线性调制下磁电系数随磁场频率变化情况，得图4所示的归一化传递函数随磁场频率的变化曲线。其中归一化传递函数指的是在调制状态下测试准静态磁信号，频率不高于1000Hz时整个频带内测量灵敏度与1Hz下的测量灵敏度的比值。

如图4所示，第二磁电异质结在非线性调制下归一化传递函数大于1的频带仅为350 Hz；磁电传感组件在非线性调制下归一化传递函数大于1的频带接近1000 Hz，远高于第二磁电异质结的对应频带。因此，本发明实施例磁场测量装置实现了宽频带的技术效果。

（4）分别测量磁电传感组件在非线性调制及直接测试时噪声密度随外部磁场变化曲线，得图5所示的噪声密度随磁场频率的变化曲线。如图5所示，磁电传感组件在非线性调制时具有更低的噪声密度。表明非线性调制可降低本发明实施例磁场测量装置进行测试时的噪声密度。

（5）分别测量第二磁电异质结与磁电传感组件在非线性调制、磁场频率为1000 Hz时磁场频率与磁电电压的关系，得图6所示的磁电电压随磁场频率的变化曲线。如图6所示，与单一磁电异质结相比，磁电传感组件具有更高的磁电电压信号，更低的噪声水平。因此，本发明实施例磁场测试装置具有更高的信噪比。

进一步地，如图6所示，与单一磁电异质结相比，磁电传感组件在频率为1000 Hz下输出电压信号具有22.68 dB的提高。因此，本发明实施例磁场测试装置具有更高的灵敏度。

（6）测量本发明实施例磁电传感装置在不同频率磁场下的检测极限。经检测，磁电传感装置在频率分别为1 Hz、100 Hz、500 Hz、800 Hz、1000 Hz的外部磁场下，其磁场检测极限分别为263 pT、182 pT、203 pT、199 pT以及207 pT。表明了本发明实施例提供的磁电传感装置适用于频率为1Hz~1000Hz的弱磁场检测。

在本发明实施例中，各磁电异质结具有正磁电效应。磁电异质结中磁性层的磁畴壁能够感应外部磁场的变化，且随外部磁场呈现周期同步的运动，进而在宏观上表现出长度方向的伸缩运动，通过界面耦合带动了压电层产生应变/应力，改变压电层的电极化，在压电相表面产生与应变/应力周期同步的电压，从而可得到外部磁场与磁电异质结输出电压的函数关系。

在本发明实施例中，各磁电异质结工作在d₃₁长度伸缩模式，具有相同的极化方向。该d₃₁模式是指磁电异质结中压电相沿厚度方向（即3方向）做电极化，当压电相受到磁性层沿长度方向（即1方向）的应变/应力时，其会通过3方向的上下表面输出与应变/应力周期同步的电压信号。

需要说明的是，磁电异质结的工作模式能够实现磁电转换即可。此处不对工作模式进行具体限定。

在本发明实施例中，各磁电异质结沿同一方向平行或层叠排列。

在本发明实施例中，信号发生装置所提供的调制磁场的调制频率小于各磁电异质结的最小谐振频率。

需要说明的是，该最小谐振频率与调制频率的差值优选为50 Hz~200 Hz。其差值也可以超出以上范围，此处不做具体限定。

在本发明实施例中，压电层的材质为PZT-5H，第一磁性层与第二磁性层的材质为Metglas。

应理解的是，压电层的材质可以为PZT、压电单晶、压电陶瓷中至少一种或其他压电材料，第一磁性层与第二磁性层的材质可以为非晶合金软磁材料、巨磁致伸缩材料或其他磁性材料，此处不做具体限定。

在本发明实施例中，磁电异质结中第一磁性层、压电层与第二磁性层形成三明治结构，第一磁性层与第二磁性层具有相同的材质及结构。

在本发明实施例中，各磁电异质结具有不同的第一磁性层厚度和第二磁性层厚度。

在本发明实施例中，第一磁性层为由多层的磁性子层重叠而成，各磁电异质结中磁性子层的数量不同。

具体地，第一磁电异质结中第一磁性层由3层的磁性子层重叠而成；第二磁电异质结中第一磁性层由4层的磁性子层重叠而成；第三磁电异质结中第一磁性层由5层的磁性子层重叠而成。

需要说明的是，磁性子层的厚度优选为20μm ~300μm，第一磁性层所包括的磁性子层数量优选为3层~10层，此处不做具体限定。

在本发明实施例中，各磁电异质结具有相近的谐振频率。各磁电异质结之间的谐振频率差为200 Hz~1000 Hz。

具体的，第一磁电异质结、第二磁电异质结以及第三磁电异质结的谐振频率分别为35650 Hz、36080 Hz以及36500 Hz，其中最小谐振频率为35650 Hz，应用于磁场测量装置的调制磁场的频率为36550 Hz。

需要说明的是，该调制磁场的频率可以为35450 Hz~35550 Hz中任一频率，或其他频率，此处不做具体限定。

在本发明实施例中，第一磁性层的长度为60 mm，宽度为2.5 mm；压电层的长度为20 mm，宽度为2.5 mm，厚度为0.2 mm。

需要说明的是，第一磁性层的长度优选为20 mm~100 mm，宽度优选为2 mm~5 mm；压电层的长度优选为10 mm~50 mm，宽度优选为2 mm~5 mm，厚度优选为0.1 mm~0.5 mm。

本发明实施例的磁场测量装置适用于弱磁场的测量，弱磁场的频率为1 Hz~1000Hz。

需要说明的是，本发明实施例磁场测量装置应用于超出1000Hz的弱磁场时，其磁场检测的灵敏度可能相对较低，但不影响其实现磁场测量，在对精度要求的不高的场景下仍可使用。

为实现上述目的，本发明实施例还提供一种磁场测量装置的制备方法，该制备方法包括：

步骤S11 制备3块的压电块，并清洗干净；

步骤S12 对各压电块中垂直于厚度方向的第一表面和第二表面依次镀电极、沿厚度方向极化，分别粘贴柔性电极；

步骤S13 分别制备3种不同厚度的磁性块，作为第一磁性块、第二磁性块及第三磁性块；

步骤S14 在3个压电块的第一表面和第二表面上分别贴合第一磁性块、第二磁性块以及第三磁性块，得第一磁电异质结、第二磁性异质结及第三磁电异质结；压电块位于各磁性块的中心位置；

步骤S15 将第一磁电异质结、第二磁电异质结、第三磁电异质结串联耦接，得磁电传感组件；各磁电异质结呈平行排列、极化方向相同；

步骤S16 将磁电传感组件放入激励线圈内部的中心位置，得磁性测量装置；其中激励线圈所产生的调制磁场沿磁性块的长度方向。

为实现上述目的，本发明实施例还提供一种磁场测量方法，该磁场测量方法应用如上的磁场测量装置。

根据本发明的一些实施例，该磁场测量方法包括以下步骤：

步骤S21：通过信号发生组件为磁电传感组件提供调制磁场，将待测磁场调制至高频；该调制磁场低于磁电传感组件中各磁电异质结的最小谐振频率；

步骤S22：通过处理组件采集磁电传感组件输出的磁电耦合电压信号，并对磁电耦合电压信号进行处理，输出待测磁场的信息。

为实现上述目的，本发明实施例还提供一种电子设备，该电子设备包括磁场测量装置，该磁场测量装置为如上的磁场测量装置。

本发明实施例的电子设备可通过磁场测量装置获取某一位置的磁场信息。

以上仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种磁场测量装置，其特征在于，包括：

信号发生组件，包括信号发生电路和激励线圈；

磁电传感组件，包括多个串联耦接的磁电异质结，所述磁电传感组件外绕所述激励线圈，用于通过所述信号发生组件提供的调制磁场，将待测磁场信号调制至高频，输出磁电耦合电压信号；所述多个串联耦接的磁电异质结包括第一磁电异质结、第二磁电异质结及第三磁电异质结；所述第一磁电异质结、所述第二磁电异质结以及所述第三磁电异质结的谐振频率分别为35650Hz、36080Hz以及36500Hz；所述调制磁场的频率为35450Hz~35550Hz；

处理组件，与所述磁电传感组件耦接，用于采集所述磁电耦合电压信号，并根据所述磁电耦合电压信号输出待测磁场的信息；

其中，所述磁场测量装置适用于弱磁场的测量，所述弱磁场的频率为1Hz~1000Hz。

2.根据权利要求1所述的磁场测量装置，其特征在于，

各所述磁电异质结工作在d31长度伸缩模式，具有相同的极化方向。

3.根据权利要求2所述的磁场测量装置，其特征在于，

所述磁电异质结包括压电层、设置于所述压电层两侧的第一磁性层和第二磁性层、设置于所述压电层与所述第一磁性层之间的第一电极以及设置于所述压电层与所述第二磁性层之间的第二电极；所述第一磁性层、所述压电层及第二磁性层形成三明治结构；

所述压电层的材质为PZT、压电单晶、压电陶瓷中的至少一种；

所述第一磁性层的材质为非晶合金软磁材料或巨磁致伸缩材料；各所述磁电异质结具有不同的第一磁性层厚度和第二磁性层厚度。

4.根据权利要求3所述的磁场测量装置，其特征在于，

所述第一磁性层包括3~10层磁性子层，所述磁性子层的厚度为20μm~300μm；

各所述磁电异质结所包括的磁性子层数量不同。

5.根据权利要求4所述的磁场测量装置，其特征在于，

所述第一磁电异质结、所述第二磁电异质结以及所述第三磁电异质结中第一磁性层所包括的磁性子层数量分别为3层、4层、5层。

6.根据权利要求3所述的磁场测量装置，其特征在于，

所述第一磁性层的长度为20mm~100mm，宽度为2mm~5mm；

所述压电层的长度为10mm~50mm，宽度为2mm~5mm，厚度为0.1mm~0.5mm。

7.一种磁场测量方法，其特征在于，应用权利要求1-6中任一项所述的磁场测量装置；

所述测量方法包括：

通过信号发生组件为磁电传感组件提供调制磁场，将待测磁场信号调制至高频；

通过处理组件采集所述磁电传感组件输出的磁电耦合电压信号，并对所述磁电耦合电压信号进行处理，输出待测磁场的信息。

8.一种电子设备，其特征在于，包括磁场测量装置，

所述磁场测量装置为权利要求1-6中任一项所述的磁场测量装置。