CN202837524U

CN202837524U - 一种基于相位检测的巨磁阻抗磁传感器

Info

Publication number: CN202837524U
Application number: CN201220478237.7U
Authority: CN
Inventors: 王三胜; 褚向华
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2012-09-18
Filing date: 2012-09-18
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2022-09-18

Abstract

本实用新型公开了一种基于相位检测的巨磁阻抗磁传感器，包括GMI磁敏感元件、交流电压源、放大器、第一、第二比较器、与逻辑门、积分器、差分放大器。其中，交流电压源为GMI磁敏感元件提供可调的交流激励；放大器用来对GMI磁敏感元件输出的交流电压信号进行放大；第一、第二比较器分别将交流电压源输出的交流电压信号与放大器放大后的交流电压信号整形为矩形波信号；与逻辑门用来对两路矩形波信号进行计算，得到另一路矩形波信号，并通过积分器对其进行积分运算，得到电压信号；差分放大器用来将电压信号进行差分放大，得到与外界磁场相对应的电压信号。本实用新型采用测量阻抗相位变化的方式，可以降低磁传感器的工作频率，达到更高的灵敏度。

Description

一种基于相位检测的巨磁阻抗磁传感器

技术领域

本实用新型涉及磁测量电子领域，具体的说，是通过一种通过相位检测电路检测交流信号的相位随外界磁场的变化，实现对外界磁场强度的测量传感器。

背景技术

磁传感器在生物磁测量、地磁导航以及地球勘探等领域有着广泛的应用，对国防建设和民营生产都起着巨大的作用。用来实现磁传感器的原理有很多，例如霍尔效应、磁阻效应、巨磁阻效应、巨磁阻抗效应、核进动、超导量子干涉仪、磁弹性效应等，然而达到高精度的很少。超导量子干涉仪可以达到很高的探测精度，但是制作和使用均比较复杂，而价格昂贵。相对来说，巨磁阻抗效应（GMI）磁传感器据有很高的研究价值。不仅探测精度高，现在美国、日本等已研制出GMI磁传感器，其精度已达到nT(10-9T)量级；而且易于集成化，使用和制作相对简单。

自1994年日本科学家Mohri等人发现巨磁阻抗效应以来，对巨磁阻抗效应的研究有了很大的发展，包括磁敏感器件的材料选用、后处理、结构设计以及激励方式。材料包括CoSiB、CoFeSiB、FeNi等。后处理方式包括磁场退火、应力退火和电流退火等，通过退火处理可以改善材料的巨磁阻抗性能，例如提高材料的磁场灵敏度。GMI磁敏感器件具有多种结构，包括丝状结构、带状结构、单层膜结构、多层膜结构等，其中多层膜中的三明治结构可以明显提高阻抗变化率。激励方式包括正弦信号激励和脉冲激励。

巨磁阻抗效应是指非晶磁敏感器件在交流电流激励下，其阻抗随外界磁场强度的变化而发生显著变化的现象。磁敏感器件的阻抗可以表示为Z=R+jωL=|Z|cosθ+j|Z|sinθ。R为阻抗的实部，jωL为阻抗的虚部，|Z|标志阻抗的幅值，θ表示阻抗的相位角。当外界磁场强度变化时，|Z|和θ均会发生相应的变化。目前，绝大多数GMI磁传感器是通过测量阻抗幅值|Z|的变化来测定外界磁场，通常工作频率在几MHz。测试表明，在较低频率下(例如100kHz)阻抗的相位角θ就有显著地变化。因此，通过测量相位角θ也可以实现对磁场的测量，而且可以降低传感器的工作频率，且有望取得更高的探测精度。而通过测量阻抗相位角θ的变化来测定外界磁场变化的GMI磁传感器目前还未发现。

实用新型内容

本实用新型对基于阻抗相位检测的GMI磁传感器进行了研究，磁传感器主要包括包括GMI磁敏感元件、交流电压源、放大器、第一比较器、第二比较器、与逻辑门、积分器、差分放大器电路。其中，所述交流电压源与GMI磁敏感元件间串联，GMI磁敏感元件一端接地；放大器正输入端与负输入端分别与GMI磁敏感元件两端相连；放大器的负输入端还通过电阻R2连接放大器输出端；交流电压源与第一比较器正输入端相连，第一比较器负输入端接地；放大器的输出端与第二比较器的正输入端相连，第二比较器的负输入端与电阻R3、R4相连，电阻R3接地、电阻R4接5V电压；第一比较器与第二比较器的输出端均与与逻辑门电路输入端相连；与逻辑门电路与积分器相连；积分器与差分放大器相连。

所述交流电压源输出交流电压信号为GMI磁敏感元件提供可调的交流激励；放大器对GMI磁敏感元件输出的交流电压信号进行放大；第一比较器将交流电压源的输出信号Sig2整形为矩形波信号u2；第二比较器将放大器放大后的交流电压信号Sig1通过整形为矩形波信号u1；与逻辑门将矩形波信号u1和矩形波信号u2进行计算，得到另一路矩形波信号u3；积分器用来将矩形波信号u3进行积分运算，得到电压信号U1；差分放大器用来将电压信号U1进行差分放大，得到与外界磁场相对应的电压信号U0。

本实用新型的优点在于：

1、本实用新型磁传感器采用测量阻抗相位变化的方式，可以降低磁传感器的工作频率，有可能达到更高的灵敏度；

2、本实用新型磁传感器使用的是集成电路，便于以后的集成化；

3、本实用新型磁传感器采用与逻辑门处理矩形波信号，相对于采用异或逻辑门的方式，降低了计算得到的信号的频率。

附图说明

图1为本实用新型磁传感器电路原理示意图；

图2为本实用新型磁传感器实验中测得的CoFeSiB非晶带阻抗相位在不同频率下的变化量；

图3为本实用新型磁传感器传感器的时序图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本实用新型一种基于相位检测的GMI磁传感器，包括GMI磁敏感元件、交流电压源、放大器、第一比较器、第二比较器、与逻辑门、积分器、差分放大器。其中，GMI磁敏感元件采用CoFeSiB非晶材料，一端接地。

所述交流电压源通过电容C1与GMI磁敏感元件间串联，通过交流电压源输出的交流电压信号经电容C1输入到GMI磁敏感元件，为GMI磁敏感元件提供可调的交流激励；电容C1用于隔直流，起到保护交流电压源的目的；如图2所示，为在不同激励频率下，测得的 GMI磁敏感元件阻抗相位角的变化量。测量是使用亥姆霍兹线圈和HP4294A精密阻抗分析仪完成，亥姆霍兹线圈提供外界磁场条件，将磁场磁感应强度由0Gs增加到10Gs。测量时HP4294A交流电流设置为10mA。从图2中可以看出，当激励频率在120kHz附近时，阻抗相位角变化量最大。而基于阻抗幅值变化率测量方式的传感器工作频率一般在十几MHz，对于不同的GMI磁敏感元件，所对应的最佳激励频率是不同的，因此需要通过阻抗测量找出最佳的激励频率，可使磁传感器获得较好的灵敏度。对于本发明中CoFeSiB磁敏感元件来说，当交流激励频率在120kHz时，阻抗相位角变化量最大。

由于GMI磁敏感元件在几百kHz频率范围内阻抗幅值较小，因此其输出的交流电压信号较为微弱，为了便于后续电路进行处理，需使用放大器进行放大。所述放大器正输入端与负输入端分别通过电阻R5、R1与GMI磁敏感元件两端相连。R5与R1用于放大器与GMI磁敏感元件间的阻抗匹配。令通过放大器放大后的GMI磁敏感元件输出信号为Sig1，，作为测量信号；其交流成分的相位角为θ1。放大器的负输入端通过电阻R2连接放大器输出端，电阻R2用来调节放大器的放大倍数。

上述交流电压源与放大器分别连接第一比较器与第二比较器。其中，交流电压源与第一比较器正输入端相连，第一比较器负输入端接地，由此交流电压源的输出信号Sig2作为参考信号输入到第一比较器中，其交流成分的相位角为θ2，经第一比较器整形为矩形波信号u2，作为参考矩形波信号。放大器的输出端与第二比较器的正输入端相连，第二比较器的负输入端与电阻R3、R4相连，电阻R3接地、电阻R4接5V电压，由此经放大器放大后的交流电压信号Sig1通过第二比较器整形为矩形波信号u1，作为测量矩形波信号。上述R3、R4为第二比较器的负输入端提供一个定值电压，用于消除GMI磁敏感元件输出的交流电压信号中的直流分量。

在上述第一比较器与第二比较器对交流电压信号Sig2、Sig1进行整形前，GMI磁敏感元件输出的交流电压信号与交流电压源输出交流电压信号频率相同，具有一定的相位差，记为Δθ；经第一比较器与第二比较器整形后，矩形波信号u2和矩形波信号u1具有同样的频率，相位差同为Δθ。

上述第一比较器与第二比较器的输出端均与与逻辑门输入端相连，由于矩形波信号u2和矩形波信号u1均为由“0”和“1”组成的序列，则通过与逻辑门对矩形波信号u2和矩形波信号u1进行运算处理，得到另一路矩形波信号u3，发送到积分器，其占空比与Δθ成正比。矩形波信号u3频率不变，占空比随外界磁场强度的增加而增加。

与逻辑门与积分器相连，通过积分器对接收到的矩形波信号u3进行积分运算，得到电压信号U1，发送到差分放大器；U1的大小由矩形波信号u3的占空比决定，矩形波信号u3 的占空比越大，电压信号U1越大。

积分器与差分放大器相连，通过差分放大器对接收到的电压信号U 1进行差分放大，得到与外界磁场相对应的电压信号U0；同时，差分放大电路还起到调零的作用。

为了实现巨磁阻抗效应，进一步提高磁传感器的灵敏度，本发明中还增加一个与GMI磁敏感元件并联的直流电流源，由此通过直流电流源为流经GMI磁敏感元件的交流电流中叠加一个恒定的直流分量。适当调整直流分量的大小，可以有效地提高传感器的灵敏度；本实用新型中直流电流选取20mA。

由此通过本实用新型磁传感器进行磁场测量，当外界磁场变化时，GMI磁敏感元件的阻抗相位角会随之发生相应的变化；由于交流电压源输出信号的相位角不发生变化，因此，相位差Δθ也随之发生变化。导致矩形波信号u3的占空比发生变化，最终导致电压信号U0的大小随之发生相应的变化，由此U0的大小反映了测量方向上磁场强度的大小。如图3所示，为出了传感器的时序图，可看出当施加外磁场时，Sig1信号的相位角发生变化，Sig1波形相对于Sig2波形发生平移，导致矩形波信号u 1相对于矩形波信号u2发生平移，矩形波信号u3的占空比也会随之发生相应变化。矩形波信号u3占空比的变化反应了外界磁场的变化。

Claims

1.一种基于相位检测的巨磁阻抗磁传感器，其特征在于：包括GMI磁敏感元件、交流电压源、放大器、第一比较器、第二比较器、与逻辑门、积分器、差分放大器电路；

其中，所述交流电压源与GMI磁敏感元件间串联，GMI磁敏感元件一端接地；放大器正输入端与负输入端分别与GMI磁敏感元件两端相连；放大器的负输入端还通过电阻R2连接放大器输出端；

上述交流电压源与第一比较器正输入端相连，第一比较器负输入端接地；放大器的输出端与第二比较器的正输入端相连，第二比较器的负输入端与电阻R3、R4相连，电阻R3接地、电阻R4接5V电压；

第一比较器与第二比较器的输出端均与与逻辑门电路输入端相连；与逻辑门电路与积分器相连；积分器与差分放大器相连。

2.如权利要求1所述一种基于相位检测的巨磁阻抗磁传感器，其特征在于：所述交流电压源输出交流电压信号为GMI磁敏感元件提供可调的交流激励；放大器对GMI磁敏感元件输出的交流电压信号进行放大；第一比较器将交流电压源的输出信号Sig2整形为矩形波信号u2；第二比较器将放大器放大后的交流电压信号Sig1通过整形为矩形波信号u1；与逻辑门将矩形波信号u1和矩形波信号u2进行计算，得到另一路矩形波信号u3；积分器用来将矩形波信号u3进行积分运算，得到电压信号U1；差分放大器用来将电压信号U1进行差分放大，得到与外界磁场相对应的电压信号U0。

3.如权利要求2所述一种基于相位检测的巨磁阻抗磁传感器，其特征在于：所述GMI磁敏

感元件为CoFeSiB非晶材料，交流电压源输出为CoFeSiB非晶材料提供的交流激励频率为120kHz；直流电流源为流经CoFeSiB非晶材料的交流电流中叠加20mA的直流分量，。

4.如权利要求1所述一种基于相位检测的巨磁阻抗磁传感器，其特征在于：所述GMI磁敏

感元件采用CoFeSiB非晶材料。

5.如权利要求1所述一种基于相位检测的巨磁阻抗磁传感器，其特征在于：所述交流电压源与GMI磁敏感元件间还串联有电容C1。

6.如权利要求1所述一种基于相位检测的巨磁阻抗磁传感器，其特征在于：所述放大器正输入端与负输入端分别通过电阻R5、R1与GMI磁敏感元件两端相连。

7.如权利要求1所述一种基于相位检测的巨磁阻抗磁传感器，其特征在于：还包括与 GMI

磁敏感元件并联的直流电流源。