CN203310984U - 桥式电阻巨磁阻抗效应磁场传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种桥式电阻巨磁阻抗效应磁场传感器,包括桥式GMI探头、反馈线圈、偏置线圈以及与桥式GMI探头形成闭合磁通负反馈回路的信号处理单元,信号处理单元包括高频激励信号发生电路、偏置电路、负反馈电路和基准电压源,以及顺序电连接的前置差分运算放大器、检波电路、低通滤波器和后置差分放大器。其利用反馈线圈来改善磁探头的线性度,提高频率响应及温度稳定性,同时,利用偏置线圈调节磁敏材料非晶丝的线性工作点,获得较高的灵敏度,大大提高了信号的可靠性。具有结构设计合理,处理后的探测信号灵敏度高、频带宽、稳定性好,特别适合对弱磁场信息进行捕捉和监测。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种弱磁场测量装置,尤其涉及一种利用巨磁阻抗效应进行磁场检测的桥式电阻磁场传感器。
背景技术
磁场测量技术在工业、农业、生物、国防和宇航等多个领域都有着广泛应用,近年来,随着探测过程的不断深入,对磁测量的测量要求也在不断提高。而传统磁测量器件已无法满足使用和性能要求。
1992年,日本名古屋大学的K.Mohri教授等在CoFeSiB软磁非晶丝中发现了巨磁阻抗(GMI)效应,其阻抗变化率ΔZ/Z0在几Oe磁场作用下可达50%,比金属多层膜Fe/Cu或Co/Ag在低温且高磁场强度下观察到的巨磁电阻效应高一个数量级。因其优异的磁性能和高灵敏度,为新型磁敏传感器件的开发提供了可能,所以,近二十年来,关于GMI效应的研究引起了学界广泛关注,其开发价值不断提升。
目前,随着非晶丝材料制作工艺的日渐成熟,用这种材料制作的产品表现出很多优异性能,如:体积小、磁阻抗效应大、灵敏度高、响应速度快、对温度的变化具有相对稳定性、饱和磁致伸缩系数几乎为零等。使用GMI非晶丝制成的GMI元件与现有的半导体磁敏元件(霍尔元件等)、磁阻元件、磁通门传感器和巨磁一电阻元件相比,可以集微型化、高灵敏度、高速响应、温度稳定性和低功耗于一身,不仅可作为现在市场上各种磁传感器的更新换代产品,而且具有现产品无法比拟的特性,可极大扩展磁传感器的应用范围和场合。
而如何构建磁敏非晶丝探头的结构,设计高性能的微弱信号处理单元,提高磁场传感器的使用性能,就成为本实用新型所要解决的问题。
发明内容
鉴于上述情况和不足,本实用新型旨在提供一种磁敏非晶丝探头结构合理,信号处理性能优异,灵敏度高、频带宽、稳定性好的用于弱磁场信息有效监测的桥式电阻巨磁阻抗 效应磁场传感器。
巨磁阻抗效应的产生过程为高频激励信号作用于近零磁致伸缩系数的非晶丝两端,由于非晶丝材料内部的畴壁位移和磁畴转动引起磁导率发生改变,阻抗Z会沿丝轴方向施加的外磁场发生巨大变化,导致非晶丝两端的电压值随之发生变化,通过信号处理电路得到电压值随外磁场的变化曲线,就可通过电压值反映出磁场的变化情况,达到对弱磁场检测和捕捉的目的。
本实用新型是通过以下技术来实现的:
一种桥式电阻巨磁阻抗效应磁场传感器,包括桥式GMI探头、反馈线圈、偏置线圈以及与桥式GMI探头形成闭合磁通负反馈回路的信号处理单元。桥式GMI探头由桥式连接的纯电阻与磁敏材料非晶丝串联组成,磁敏材料非晶丝固定在电路板上,磁敏材料非晶丝外套有绝缘陶瓷管;反馈线圈和偏置线圈分别独立缠绕在绝缘陶瓷管上;信号处理单元包括高频激励信号发生电路、偏置电路、负反馈电路和基准电压源,以及顺序电连接的前置差分运算放大器、检波电路、低通滤波器和后置差分放大器。高频激励信号发生电路连接在桥式GMI探头的纯电阻一端与检波电路之间;偏置电路连接在桥式GMI探头的偏置线圈上;负反馈电路连接在信号处理单元的信号输出端与桥式GMI探头的反馈线圈之间;基准电压源连接在后置差分放大器上。
所述磁敏材料非晶丝为直径30um、长度15mm的CoFeSiB非晶丝。
所述检波电路为斩波器。
本实用新型所述的桥式电阻巨磁阻抗效应磁场传感器的有益效果为:
磁敏材料采用具有零磁滞伸缩系数、超软磁性能、旋转水中纺丝法制成的Co基非晶丝,通过在Co基非晶丝外围的绝缘陶瓷管上缠绕相对独立的反馈线圈和偏置线圈,利用反馈线圈与信号处理单元的反馈电路形成闭合的磁通负反馈回路,来改善磁探头的线性度,提高了频率响应及温度稳定性;同时,利用偏置电路与偏置线圈调节磁敏材料非晶丝的线性工作点,使探头处于线性工作区,并且获得了较高的灵敏度。而信号处理单元的微弱信号拾取采用斩波器进行信号调制和解调放大,可获得更高的信噪比,大大提高了信号处理的可靠性和稳定性。整个结构设计中,GMI探头结构合理,信号处理单元性能优异,处理后的探测信号灵敏度高、频带宽、稳定性好,特别适合对弱磁场信息的捕捉和监测。
附图说明
图1为本实用新型所述桥式电阻巨磁阻抗效应磁场传感器的结构不意图;
图2为磁敏非晶丝固定过程的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图1、图2对本实用新型做进一步的描述:
本实用新型所述的桥式电阻巨磁阻抗磁场传感器,包括桥式GMI探头、反馈线圈3、偏置线圈2以及与桥式GMI探头形成闭合磁通负反馈回路的信号处理单元。
桥式GMI探头由桥式连接的纯电阻4与磁敏材料非晶丝串联组成,磁敏材料非晶丝为直径30um、长度15mm的CoFeSiB非晶丝1,CoFeSiB非晶丝1用铜片12与固定在电路板13上的焊盘14机械压持连接,在CoFeSiB非晶丝1的外围套有绝缘陶瓷管15,绝缘陶瓷管15上绕有互不相连的铜导电偏置线圈2和反馈线圈3。绝缘陶瓷管外径为1mm,长度为10mm,铜导电偏置线圈2和反馈线圈3的直径分别为0.1mm。CoFeSiB非晶丝1与三个阻值相同的纯电阻4构成惠更斯电桥。
信号处理单元包括高频激励信号发生电路9、偏置电路11、负反馈电路10和基准电压源,以及顺序电连接的前置差分运算放大器5、检波电路6、低通滤波器7和后置差分放大器8。
高频激励信号发生电路9连接在桥式GMI探头的纯电阻4一端与检波电路6之间。低噪声前置差分运算放大器5的两个输入端分别连接在桥式GMI探头的CoFeSiB非晶丝1和纯电阻4的引线上,其对外界磁场变化引起的电桥电压微弱变化信号进行放大。检波电路6为一个斩波器,其一个输入端与前置差分运算放大器5连接,另一输入端与产生基波信号的高频激励信号发生电路9连接,输出端则与低通滤波器7相连。低通滤波器7可对检波后的带有干扰的信号进行干扰信息滤除。低通滤波器7的输出端连接在后置差分放大器8的输入端上,后置差分放大器8可对输出信号做进一步地放大,以保证信号输出效果。基准电压源则连接在后置差分放大器8上。
负反馈电路10连接在信号处理单元的信号输出端与桥式GMI探头的反馈线圈3之间,反馈线圈3在负反馈电路10的作用下,随着输出电压的产生在CoFeSiB非晶丝1上也产生一个磁场,对被测磁场形成磁通负反馈,在桥式GMI探头上形成闭合的磁通负反馈回路,从而改善了磁探头的线性度,提高了频率响应及温度稳定性。
偏置电路11的输入端与桥式GMI探头的偏置线圈2连接,其可以调节非晶丝磁芯的线性工作点,使传感器能够辨别外界磁场的方向。
使用时,高频激励信号发生电路9不断发出激励信号,传感器中CoFeSiB非晶丝1的轴向上外界磁场不断改变,在桥式GMI探头的两端电压值也在不断变化,并通过引线接入到信号处理单元的前置差分运算放大器5中,经首次微弱信号放大后,信号被送入到检波电路6中进行降噪,以获得较高的信噪比信号,噪声性能达到零点几nT级;检波后的信号再经过低通滤波器7进行干扰信息滤除,最后,经后置差分放大电路8与基准电压源进行差分运算,得到随外加磁场变化的电压值,并将结果信号放大后对外输出。期间,由于输出信号被放大后转换成电流量,利用深度负反馈电路10使绕在CoFeSiB非晶丝1外侧的反馈线圈3产生磁场对被测磁场形成磁通负反馈,可以有效改善磁探头的线性度,提高频率响应及温度稳定性,同时,缠绕在绝缘陶瓷管15上的偏置线圈2以及相应连接的偏置电路11还可对CoFeSiB非晶丝1的线性工作点进行调节,使探头处于线性工作区内,以获得较高的灵敏度。至此,探测过程完成,弱磁场变化信息被有效输出。
Claims (3)
1.一种桥式电阻巨磁阻抗效应磁场传感器,其特征在于,包括桥式GMI探头、反馈线圈、偏置线圈以及与桥式GMI探头形成闭合磁通负反馈回路的信号处理单元,所述桥式GMI探头由桥式连接的纯电阻与磁敏材料非晶丝串联组成,所述磁敏材料非晶丝固定在电路板上,磁敏材料非晶丝外套有绝缘陶瓷管;所述反馈线圈和偏置线圈分别独立缠绕在绝缘陶瓷管上;所述信号处理单元包括高频激励信号发生电路、偏置电路、负反馈电路和基准电压源,以及顺序电连接的前置差分运算放大器、检波电路、低通滤波器和后置差分放大器,所述高频激励信号发生电路连接在桥式GMI探头的纯电阻一端与检波电路之间;所述偏置电路连接在桥式GMI探头的偏置线圈上;所述负反馈电路连接在信号处理单元的信号输出端与桥式GMI探头的反馈线圈之间;所述基准电压源连接在后置差分放大器上。
2.根据权利要求1所述的桥式电阻巨磁阻抗效应磁场传感器,其特征在于,所述磁敏材料非晶丝为直径30um、长度15mm的CoFeSiB非晶丝。
3.根据权利要求1所述的桥式电阻巨磁阻抗效应磁场传感器,其特征在于,所述检波电路为斩波器。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
C17 | Cessation of patent right | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20131127 Termination date: 20140503 |