CN201917649U - 一种基于巨磁阻抗效应的磁传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于巨磁阻抗效应的磁传感器，包括一个用于为非晶丝提供稳定的交流正弦激励电流的激恒流源激励电路。一个用于将非晶丝两端高频电压信号进行一级放大的前置放大电路；一个用于从放大后的高频电压信号中的获取低频电压信号的峰值检波电路；一个用于将低频电压信号进行平滑滤波，得到直流电压信号的低通滤波电路；一个用于为差分放大器提供一个与外部磁场为零时非晶丝两端的直流电压信号相等的电压信号；以及一个用来将非晶丝两端的直流电压信号与参考电压源低通的电压信号进行差分运算并放大的差分放大器。本实用新型不但继承了传统磁传感器的优点，而且由于GMI磁阻抗变化率高，使磁传感器能够探测微弱磁场。

Description

一种基于巨磁阻抗效应的磁传感器

技术领域

本实用新型具体涉及一种基于巨磁阻抗效应的磁传感器，属于磁传感器领域。

背景技术

磁传感器主要指利用固体元件感知与外界磁场变化有关的物理量的变化，将其转换成电信号进行检测的器件。随着科技进步，磁传感器在磁测量领域中应用越来越广泛。

现有的磁通门传感器，由高性能细磁芯、激励绕组、感应绕组和敏感材料组成，在材料一定时常用增加绕组匝数来提高传感器的灵敏度，导致了传感器的体积增大、和频响降低、噪声增大。灵敏度可达8×10^-5A/m，但由于杂散电容，磁芯绕组会使传感器的响应速度低。

霍尔传感器温度稳定性差，弱磁灵敏度小不利于小电流测量，而且用霍尔元件制成的电流传感器含聚磁磁芯，导致传感器体积增大(鲍丙豪.电测与仪表.2000，37(412)24-26)；虽然霍尔元件和磁敏电阻元件都做成微型器件，但它们的磁通检测率大约是0.1％Oe，而且霍尔元件的最高工作温度在70℃。

巨磁电阻(GMR)元件是利用磁性材料的巨磁电阻效应，这种效应是在外加磁场的情况下材料的电阻发生巨变的现象，其灵敏度可以提高一个数量级，达到1％/Oe，。但用GMR材料制作的传感器仍不十分理想，通常只在低温与外加强磁场(大约10kOe)下才可看到，且又仅限于GMR效应并不十分显著的金属多层膜材料，还存在磁滞、温度不稳定等问题。这些都限制了其在磁电测量领域中的应用。

1992年，日本科学家Mohri等人发现，当对CoFeSiB非晶丝通入一交变电流时，非晶丝的电感随外加直流磁场的变化而变化，即巨磁电感效应。该发现立刻受到了人们的高度重视。不久，人们又发现，在高频电流激励下，非晶丝的电阻和电抗都随直流磁场而显著变化，这一效应后来被认识到是由磁场导致阻抗变化引起，因此被称作巨磁阻抗(GMI)效应。利用，在汽车工业、自动化控制、安全检测和国防军工领域应用潜力巨大，呈现出广阔的应用前景。

实用新型内容

为了解决现有磁传感器的不足之处，本实用新型提供一种利用巨磁阻抗效应制作的磁传感器(GMI磁传感器)，不但继承了传统磁传感器的优点，而且由于GMI磁阻抗变化率高，使磁传感器能够探测微弱磁场。

本实用新型一种基于巨磁阻抗效应的磁传感器，包括恒流源激励电路、前置放大电路、峰值检波电路、低通滤波电路、差分放大器、参考电压源与非晶丝。

其中，激励电压通入到恒流源激励电路使恒流源激励电路为非晶丝提供稳定的交流正弦激励电流，使非晶丝两端产生高频电压，非晶丝两端的高频电压通过前置放大电路进行一级放大，放大后的高频电压通过峰值检波电路进行检测，得到低频电压；低频电压进入到低通滤波电路进行平滑滤波，得到直流电压；直流电压信号进入到差分放大器中；参考电压源向差分放大器通入与外部磁场为零时，非晶丝两端的直流电压信号相等的电压信号；差分放大器将非晶丝两端的直流电压信号与参考电压源提供的电压信号进行差分运算并放大，得到非晶丝由于外部磁场所变化的阻值对应的直流电压信号。

本实用新型的优点在于：

1、本实用新型磁传感器利用巨磁阻抗效应制成，使磁传感器能够探测微弱磁场；

2、本实用新型磁传感器灵敏度高，稳定性好、功耗低、响应速度快。

附图说明

图1是本实用新型磁传感器结构框图；

图2是非晶丝径退火处理中阻抗比变化曲线图；

图3是当激励电压幅值小于1V时，非晶丝两端的电压波形；

图4是当激励电压幅值大于5V时，非晶丝两端的电压波形；

图5是本实用新型处于磁场中时，改变磁场大小测得磁传感器的输出电压值曲线图。

图中：

1、恒流源激励电路  2、前置放大电路  3、峰值检波电路  4、低通滤波电路

5、差分放大器  6、参考电压源  7、非晶丝

具体实施方式

下面结合附图来对本实用新型作进一步说明。

本实用新型一种基于巨磁阻抗效应的磁传感器，包括恒流源激励电路1、前置放大电路2、峰值检波电路3、低通滤波电路4、差分放大器5、参考电压源6与非晶丝7，如图1所示，恒流源激励电路1的电流输出端与非晶丝7相连，非晶丝7接地，非晶丝7两端与前置放大电路2输入端相连。前置放大电路2的输出端与峰值检波电路3的输入端相连；峰值检波电路3的输出端与低通滤波电路4相连，低通滤波电路4的输出端与差分放大器5的输入端相连；参考电压源6的输出端与差分放大器5的输入端相连。

当外部磁场变化时，非晶丝7的阻抗会随之产生变化，因此对恒流源激励电路1输入激励电压信号V_i，使恒流源激励电路1为非晶丝7提供稳定的电流激励，使非晶丝7两端的电压能够反映非晶丝7阻抗变化。恒流源激励电路1还将非晶丝7两端的高频电压发送给前置放大电路2。所述非晶丝7采用磁场退火热处理，使阻抗比提高，从而提高了非晶丝7的GMI效应。如图2所示，将非晶丝在高温下保持一小时，预处理后通过阻抗分析仪对非晶丝阻抗进行测量，得出阻抗比曲线。图2中曲线1为未经退火处理的非晶丝的阻抗比曲线，最大阻抗比为206％；曲线2为在温度为500℃下保持1小时的退火处理后的非晶丝的阻抗曲线，最大阻抗比为270％；曲线3为在温度450℃下保持1小时的退火处理后的非晶丝的阻抗曲线，最大阻抗比为385％。由此可知退火处理显著提高了非晶丝的GMI效应，450℃时可以获得比较大的提高，温度升高反而降低了阻抗比的提高。

对恒流源激励电路提供不同幅值激励电压信号V_i，进而改变了通过非晶丝的激励电流大小。通过测量非晶丝两端的电压波形发现，电流过小或过大都会使电压波形失真。当提供的激励电压信号V_i幅值小于1V时，非晶丝电压波形，如图3所示，可见严重失真。当提供的电压幅值高于5V情况下的失真图，如图4所示。本实用新型正常波形工作激励电流范围是4mA-10mA。

当非晶丝7两端的输出微弱电压信号(电压峰值在几到几十毫伏)时，无法对非晶丝7两端的电压信号进行检波；且输出的微弱电压信号造成非晶丝7的阻抗，无法与后续电路匹配。因此通过前置放大器将非晶丝7两端的高频电压信号进行一级放大后，通入到峰值检波电路3。

峰值检波电路3用来将迭加在非晶丝7两端的高频电压信号上的低频电压信号检测出来，得到非晶丝7两端的低频电压信号，并将通入到低通滤波电路4。

由于峰值检波电路3时间常数受限，以及外磁场的干扰导致一些高频电压信号不能完全被衰减掉，因此通过上述峰值检波电路3后得到的非晶丝7两端的低频电压信号中仍然混杂有一些高频电压信号。通过低通滤波电路4对非晶丝7两端的低频电压信号进行平滑滤波，将低频电压信号中存在的高频电压信号完全衰减掉，最终得到非晶丝7两端的直流电压信号，并将直流电压信号通入到差分放大器5中。

当外部磁场为零时，由于输入的激励电压信号V_i的存在，因此磁传感器的输出信号不为零，导致无法确定外部是否具有磁场。因此通过参考电压源6向差分放大器5提供一个参考电压信号，通过调节参考电压信号的大小，使参考电压信号与磁场为零时由低通滤波电路4向差分放大器5通入的直流电压信号大小相等。

差分放大器5将直流电压信号与参考电压信号进行差分运算并进行放大，最终得到磁传感器的输出电压信号V_out。当外部磁场为零时，通过差分放大器5进行差分运算后得到的磁传感器输出电压信号V_out为零。当外部磁场不为零时，通过差分放大器5进行差分运算后得到的磁传感器输出电压信号V_out即为外部磁场的电压信号。由此通过本实用新型磁传感器可通过输出电压来间接反映加在非晶丝7外部磁场的大小。

将本实用新型磁传感器放在由亥姆赫兹线圈提供的均匀磁场中，保证非晶丝7的轴向与磁场方向平行。通过改变磁场大小测得磁传感器的输出电压值，如图5所述，对线性段显著的区间(图4中电压最大值左边的线性段)进行拟合，得出本实用新型磁传感器的灵敏度为112mv/Gs。

Claims (3)

1.一种基于巨磁阻抗效应的磁传感器，其特征在于：包括

用于为非晶丝提供稳定的交流正弦激励电流的恒流源激励电路；

用于将非晶丝两端高频电压信号进行一级放大的前置放大电路；

用于从一级放大后的高频电压信号中的获取低频电压信号的峰值检波电路；

用于将低频电压信号进行平滑滤波的低通滤波电路；

用来将非晶丝两端的直流电压信号与参考电压源提供的电压信号进行差分运算并放大的差分放大器；

用于为差分放大器提供一个参考电压信号的参考电压源；

参考电压信号与外部磁场为零时非晶丝两端的直流电压信号相等。

2.如权利要求1所述一种基于巨磁阻抗效应的磁传感器，其特征在于：所述非晶丝为经过退火处理后的非晶丝。

3.如权利要求1所述一种基于巨磁阻抗效应的磁传感器，其特征在于：所述恒流源激励电路为非晶丝提供的交流正弦激励电流为4mA-10mA。

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