CN201173966Y - 非晶合金弱磁场传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于弱磁场测量技术领域，具体涉及一种基于非晶合金的弱磁场传感器。由探头、双稳态振荡电路、频率测量电路组成，探头是由缠绕在非晶合金条带上的磁场信号采集线圈1、2组成，线圈1、2串联反接且作为双稳态振荡电路的电感部分；双稳态振荡电路中开关三极管集电极处产生一个频率与线圈1、2电感量相关的振荡信号，通过频率测量电路测量振荡信号的频率就能够测量通过非晶合金条带上的磁场值的大小。本实用新型是用测量多谐振荡电路振荡频率的方法来测量磁场大小，与传统的用电压测量的方法相比，其测量和精度灵敏度更高，抗干扰能力更强，可广泛应用于生产科研各领域的磁场测量。

Description

非晶合金弱磁场传感器

技术领域

本实用新型属于弱磁场测量技术领域，具体涉及一种基于非晶合金的弱磁场传感器。

背景技术

磁场测量在生产科研各领域是一个重要问题，现在很多的新技术和新材料都应用到磁场测量的装置上。最常用的磁场传感器有霍尔(Hall)传感器，磁通门传感器，振动或转动线圈等，但在弱磁场测量中，这些传感器都有一定的缺陷。霍尔器件输出信号变化小，测量磁场时还有一定的磁场方向各向异性，适用于中强磁场测量；磁通门和检测线圈测磁场，线圈的绕制要求特别精确，而且对信号处理要求较高；而且上述传感器的电路太过复杂，成本较高。

与本实用新型相近的现有技术是刊登在《Sensors and Actuators A59(1997)1-8》上的题目为“Rencent advances of micro magnetic sensors andsensing application”的文章。公开的传感器由退火的CoFeSiB或CoSiB或CoFeMoSiB等材料的非晶丝(带)或以绕在该非晶丝(带)上的线圈为电感元件的双稳态振荡电路、整流电路、放大电路等构成。

背景技术的多谐振荡电路如图1所示。图1中供电电源为直流正5V，1、2为在非晶带上缠绕的线圈，5、6为耦合电阻，7、8为耦合电容，9、10为开关三极管，11、12为平滑电容，13、14为负载电阻，15为调零电阻。此电路可通过对a、b两端电压量(图中a、b已标出)的测量来测量-1Oe～+1Oe范围内的弱磁场，因此这个电路被广泛引用于科技文献和应用于磁场测量器件中。

具体工作方式是：接通+5V供电电源时，由于多谐振荡桥路中各对称元件(线圈、三极管、电阻、电容等元件)的参数不可能完全相等，使开关管9、10不可能同时导通，设开关管9首先导通，而10保持截止，则一路由+5V电源通过线圈2，耦合电阻6与耦合电容8，开关管9，再由负载电阻13到地形成电流通路，另一路则由线圈1，经开关管9集电极，开关管9发射极，负载电阻13到地。线圈电流随时间增加(线圈是以电感形式存在的，所以在其上的电流不能发生突变，即电源电压加载后线圈上的电流时随时间逐渐增加的)，与开关管9基极及发射极相连的电容8和电容11被充电，当磁芯磁通达到饱和时，开关管9截止而开关管10导通，与开关管9基极及发射极相连的电容8和电容11通过与其相并联的电阻迅速放电，线圈2中的磁场能量也被放掉，同时线圈1及与开关管10基极相连的电容7被充电，当磁芯反向达到饱和时，开关管10又截止，开关管9又开始导通，此后重复出现上述过程，开关管9与开关管10交替导通与截止，从而形成一定频率的振荡。

当有外加磁场时，非晶软磁条带在磁场作用下，其阻抗值会产生较大变化，而且由于此非晶软磁条带充当了缠绕在此条带上的线圈的磁芯，这样缠绕在此条带上的线圈的电感量就会随之产生较大改变，从而导致了电路振荡频率发生较大变化。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种非晶合金弱磁场传感器，其能够很好的解决-1Oe～+1Oe范围内的微弱磁场的测量问题，而且本实用新型与背景技术中传统的多谐振荡磁传感器相比，通过测量频率来进行磁场测量方法能够获得比背景技术中所指出的利用电压进行磁场测量的方法具有更高的精度和灵敏度。

本实用新型的非晶合金弱磁场传感器由探头48、双稳态振荡电路49、频率测量电路50组成，如图2、图3所示。

作为本实用新型的进一步改进，在双稳态振荡电路49的电压输出端Eout1、Eout2还接有由滤波电路33、差动放大电路34和电压电流转换(V/I)电路35组成的反馈电路，其将两路电压信号经滤波、差动放大后转换为直流电流信号，如图5所示。

图2为探头48结构示意图，其由缠绕在非晶合金条带4上的磁场信号采集线圈1、2和反馈线圈3组成，线圈1、2、3并排紧密绕制且没有叠线；非晶合金条带4既作为线圈1、2、3的磁芯，又同时作为外加磁场的感应元件，A端为磁场信号采集线圈1、2的公共端，B端为线圈2与后面的双稳态振荡电路49的连接端，C端为线圈1与后面的双稳态振荡电路49的连接端，D端为反馈线圈3的接地端，E端为反馈线圈3的反馈信号输入端，该反馈信号是由反馈电路产生的直流电流信号。

采集线圈和反馈线圈1、2、3的匝数为150～500匝，条带由Co基或Fe基非晶带等具有较好软磁性能的材料构成，一般为长60mm～100mm，宽1mm～3mm，厚20μm～40。

这样制作的目的是为了尽可能的保持两磁场信号采集线圈的对称性，将线圈1的尾端与线圈2的头端接到一起作为公共的A端，这样把两磁场信号采集线圈1、2接成串联反接的形式，优点是能够使有用的信号加倍，无用的干扰相抵消。

探头48的供电电源为直流正5V，加载到线圈1、2的公共端A上。对于非晶合金条带4，为Co基或Fe基等材料制成的非晶合金条带，要求其具有很好的软磁特性，即要求其对外磁场的变化要非常敏感。探头48具有两个功能，其中一个功能为将外磁场信号的变化转变成了采集线圈1、2的电感值的变化，即当有外磁场存在时，由于充当采集线圈1、2磁芯的非晶合金条带4的阻抗值会随着外磁场的作用而发生改变，由于非晶合金条带4充当了线圈1、2缠绕的磁芯，这就导致了线圈1、2的电感值发生改变。探头48的另一个功能为通过探头中的+5V电源，经过磁场信号采集线圈1、2为双稳态振荡电路49供电。

如图3所示，为双稳态振荡电路49，其与图1所示的现有技术相类似，只是增加了限流电阻16、17、18、19，限流电阻16、17的一端分别连接到采集线圈1、2的两个输出端C、B上。限流电阻16的另一端连接到开关三极管9的集电极，并经耦合电阻5、耦合电容7后连接到开关三极管10的基极；限流电阻17的另一端连接到开关三极管10的集电极，并经耦合电阻6、耦合电容8后连接到开关三极管9的基极。开关三极管9的发射极通过限流电阻18、并联的平滑电容11和负载电阻13后接地，开关三极管10的发射极通过限流电阻19、并联的平滑电容12和负载电阻14后接地；再在限流电阻18和19间接入调零电阻15，调零电阻15的调节端接地，这样就构成了一个双稳态多谐振荡桥路。此电路不但能够在两个充当电感的采集线圈1、2电感值不变(即没有外加磁场)的条件下产生稳频振荡，而且由于平滑电容11、负载电阻13和平滑电容12、负载电阻14分别构成了两个交流-直流的整流电路，所以能够在图3中的Eout1和Eout2间产生一直流电压输出信号。

如图3所示，在频率测量电路50当中，36、37、38为三个十进制计数器74HC90，39为在测量及数据处理中所应用的单片机AT89C2051，40为数据经单片机处理后的显示输出，41、42为与石英晶振搭配的晶振电容，43为石英晶振，44为限流电阻，45为分频器CC4060，46、47为以双D触发器CC4013。为实现对较高频率信号的频率测量，先利用三个十进制计数器74HC90对双稳态振荡电路49产生的振荡信号进行连续三次的1/10分频，以达到对振荡信号1/1000分频的目的，来实现对双稳态振荡电路的输出信号振荡频率的精确测量。之后将最后一个十进制计数器38的输出端接到单片机的T0端，利用单片机来测量此经过1/1000分频的信号的频率。41、42、43、44、45构成了石英晶体振荡器和分频器，将32768Hz晶体振荡信号分频为2Hz信号，再经过CC4013双D触发器四分频获得持续时间为1s、频率为0.5Hz的时基信号，此信号送入单片机的INT0端，来控制T0计数器的启停。之后通过单片机编程来处理采集到的频率信号，以实验中所建立起来的标定曲线为标准，来反查所测得的频率值所对应的磁场值。再通过单片机编程将此磁场值的大小通过图3所示的显示部分输出出来。

串联反接的线圈1、2作为双稳态振荡电路49的电感部分，当有外加磁场发生作用的时候，由于外磁场的作用，探头部分中非晶合金条带4的阻抗值会随着外磁场的作用而发生改变，就造成了线圈1和线圈2的电感值发生变化，双稳态振荡电路49中开关三极管9或开关三极管10的集电极处产生一个频率与线圈1、2电感量相关的振荡信号，利用单片机测量经分频的开关三极管9或开关三极管10集电极处振荡信号的频率，再根据实验中所标定出来的频率值和所测量磁场值的标准曲线，就实现了对未知弱磁场的测量。

标准曲线的获得，是将已知弱磁场置于探头的上方，接通+5V电源后，通过双稳态振荡电路、频率测量电路后，就会得到与磁场相对应的一定频率f的振荡信号。改变弱磁场的强度，就会得到一系列的振荡信号，再以频率和磁场H为坐标作图，从而得到f-H标准曲线。

按上述原理所设计出的开环状态磁场传感器的灵敏度较高，但是稳定度有限，通过更换元件的方法来改善传感器的性能指标，难度较大。作为本专利的进一步改进，在此基础上设计出了该传感器的闭环测量系统，如图4所示，并在电路上予以了实现，实验表明加入该系统后，传感器的性能指标有了较大的提高。

如图5所示，闭环测量系统中反馈电路部分共包括滤波电路33、差动放大电路34和电压电流转换(V/I)电路35这三个部分，在滤波电路33中，由滤波电阻20、滤波电容22及滤波电阻21、滤波电容23组成了两个低通滤波电路，来实现对从图3中双稳态振荡电路的直流电压输出端(Eout1和Eout2)接入的直流电压信号进行低通滤波，来过滤掉在叠加在这两个直流电压信号上面的高频噪声。在差动放大电路中，利用的是仪表放大器来进行差动放大。其中，24为放大倍数调节电阻，25为仪表放大器。此部分电路所实现的功能为将两个经过低通滤波后得到的直流信号进行差动放大。差动放大倍数的调节范围为30～100倍。在电压-电流转换(V/I)电路35中，由电阻26、27、28、29、31及运算放大器30、32构成了常规的电压-电流转换电路(童诗白，华成英：模拟电子技术基础，高等教育出版社，2002，438～439)。其功能为将经差动放大后得到的直流电压信号转变成直流电流信号，反馈到图3的探头中的反馈线圈3的E端。这样在反馈线圈中将产生一个与外加磁场反向的磁场H_f。则非晶磁芯除了受到外磁场作用和多谐振荡桥路的交变磁场作用外，还要受到反馈线圈产生的磁场的作用，即反向削弱了磁芯中的外磁场，虽然这样灵敏度有所降低，但是通过此负反馈稳定了多谐振荡电路的工作点、稳定了电路的输出频率，很好的提高了传感器的频率稳定性和温度稳定性等指标，而且还增强了系统的抗干扰能力。

双稳态多谐振荡电路的振荡频率范围在30KHz～500KHz之间，综合频率随磁场变化的灵敏度和稳定度来看，当用频率变化来测量磁场时最佳频率范围在70KHz～100KHz之间。

附图说明

图1：背景技术的多谐振荡磁场传感器电路图；

图2：本实用新型的非晶合金弱磁场传感器探头部分结构示意图；

图3：本实用新型的非晶合金弱磁场传感器测量系统框图；

图4：本实用新型的非晶合金弱磁场传感器闭环测量系统框图；

图5：本实用新型的非晶合金弱磁场传感器反馈电路图；

图6：本实用新型在开关管集电极频率输出点处的振荡信号图；

(a)未加外磁场的情形；(b)加有0.94Oe外磁场的情形；

图7：本实用新型的频率随磁场变化输出标定曲线。

具体实施方式

下面结合附图说明本实用新型的具体结构和工作方式

实施例1：

如图2所示，作为磁芯的非晶条带4采用CoFeSiB材料制作，作为采集线圈的磁芯，非晶条带4长80mm，宽2mm，厚度为30μm，直流电阻约为1Ω，采集线圈1、2和反馈线圈3采用的是0.1mm直径漆包线，绕制圈数均为280圈，绕制方法为三线同绕，连接方法为线圈1、2串联反接。

A与C间为线圈1，A与B间为线圈2，A为电源接入点，B、C为探头与振荡电路连接点；D与E间为反馈线圈3，D为反馈线圈接地点，E为反馈电路与反馈线圈连接点。这样进行连接可以尽量的保证多谐振荡电路的对称性。

如图3所示，非晶合金弱磁场传感器的多谐振荡电路磁场信号采集线圈的供电电压为5V，与信号采集线圈1、2的C、B点处所接的振荡电路的两个限流电阻16、17可选用50Ω，耦合电阻5、6为1kΩ，耦合电容7、8为0.1μF，开关三极管9、10的型号为3DK4D，其后接的电阻18、19为50Ω，平滑电容11、12为0.1μF，负载电阻13、14为10Ω，调零电阻15为20kΩ，集成芯片36、37、38为计数器74HC90，单片机39为AT89C2051，40为测量结果显示输出端，谐振电容41、42为100pF，石英晶振43振荡频率为32768Hz，电阻44为4.7kΩ，集成芯片45为4060，集成芯片46、47为CD4013。

图5的滤波电路中电阻20、21为1kΩ，滤波电容22、23为10μF，放大电路中放大倍数调节电阻24为830Ω，25为仪表放大器AD620，反馈电路电阻26、27、28、29为10kΩ，运算放大器30为OP07，反馈电流调节电阻31为1.3kΩ，运算放大器32为OP07。

实验中，外加待测磁场是由赫姆霍兹线圈提供，磁场的大小由对赫姆霍兹线圈供电的直流电源来控制，此赫姆霍兹线圈的电压/磁场转换系数为0.094Oe/V，为消除地球磁场等外界干扰场对测量结果的影响，实验中，将赫姆霍兹线圈和传感器都置于用高磁导率材料制作的屏蔽设备当中。

用本实施例的装置在开关管9、10集电极处得到的未经分频的振荡波形图如图6所示。图6的信号为直接从开关管集电极处采集出来的振荡波形，没有经过1/1000的分频处理，在图6中，(a)为未加外磁场时采集到的振荡波形图，其中，曲线I是从开关管9集电极处采集出的振荡波形，曲线II为从开关管10集电极处采集处的振荡波形，从图6(a)中我们能够看出，当未加外场时，由于电路的对称性较好，使得振荡波形的占空比近似为1∶1，此时振荡电路的振荡频率为58.090kHz，振荡信号的峰峰值Vpp＝4.86V，而且曲线I与曲线II的波形对称，正符合了关于二开关管交替导通与截止的分析。图6(b)为当外加0.94Oe磁场，获得最大灵敏度时所得到的振荡波形图，曲线III为是从开关管9集电极处采集出的振荡波形，曲线IV为从开关管10集电极处采集处的振荡波形，把图6(b)和图6(a)相比较我们可以看出，当有外场存在时，由于两信号采集线圈1、2为串联反接结构，使得外场信号对两线圈的作用并不相同，就造成了两线圈的电感值的不再相等，这样就引起了振荡电路的不对称性加剧，使得振荡波形的占空比和频率都发生了较大改变，此时振荡电路的振荡频率变成了93.475kHz，振荡信号的峰峰值Vpp＝5.99V，而且曲线III与曲线IV的波形对称，符合了关于二开关管交替导通与截止的分析。

在探头上加载的反馈场H_f＝NI，I为从图5所示反馈电路的输出端FeedbackSignal连接到线圈3的E端的反馈电流，N为反馈线圈3的匝密度。其中I的值随所测外磁场值变化而变化，这样能在测量不同场值的磁场信号时都加载一个和所测磁场值相匹配的反馈场。在未接如图5所示的反馈电路时，由于电路的稳定度不足，造成所测量出的最终频率值在0.02Hz范围内抖动，接入如图5所示的反馈电路后，电路的稳定度得到了很大的改善，对最终的频率的测量精度能够达到0.001Hz。

利用单片机从双稳态振荡电路的开关管9或开关管10的集电极检测的输出频率与被测磁场的关系曲线见图7。从图7所示的磁场-频率关系测量曲线能够看出，沿非晶带正反两方向的磁场-频率输出曲线在-1Oe～+1Oe的范围内重合，说明本实用新型可在量程内无差别准确测量正反方向的磁场。(图7为一个在实验中所获得的标准磁场-频率图，为在实际应用中所用的标定曲线)

经过实验测量所获得的传感器的具体技术参数如下表：

量程                  ±1Oe

最大灵敏度            87.95Hz/Oe

重复性误差            0.17％

Claims (5)

1、非晶合金弱磁场传感器，由探头(48)、双稳态振荡电路(49)、频率测量电路(50)组成，其特征在于：

探头(48)是由缠绕在非晶合金条带(4)上的磁场信号采集线圈(1、2)组成，线圈(1、2)串联反接且作为双稳态振荡电路(49)的电感部分；双稳态振荡电路(49)中开关三极管(9)或开关三极管(10)的集电极处产生一个频率与线圈(1、2)电感量相关的振荡信号，通过频率测量电路(50)测量振荡信号的频率就能够测量通过非晶合金条带(4)上的磁场值的大小。

2、如权利要求1所述的非晶合金弱磁场传感器，其特征在于：在双稳态振荡电路(49)的直流电压输出端Eout1、Eout2接有由滤波电路(33)、差动放大电路(34)和电压电流转换电路(35)组成的反馈电路，其将两路电压信号经滤波、差动放大后转换为直流电流反馈信号。

3、如权利要求2所述的非晶合金弱磁场传感器，其特征在于：在非晶合金条带(4)上还缠绕有反馈线圈(3)，线圈(1、2、3)并排紧密绕制且没有叠线，反馈线圈(3)的一端接地，另一端为反馈信号输入端，该反馈信号是由反馈电路产生的直流电流反馈信号。

4、如权利要求1、2或3所述的非晶合金弱磁场传感器，其特征在于：采集线圈(1、2)和反馈线圈(3)的匝数为150～500匝。

5、如权利要求1、2或3所述的非晶合金弱磁场传感器，其特征在于：非晶合金条带(4)由Co基或Fe基非晶带且具有较好软磁性能的材料构成，长60mm～100mm，宽1mm～3mm，厚20μm～40。

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