CN204462359U - 基于非晶丝多芯式正交磁通门传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于非晶丝多芯式正交磁通门传感器，包括Co基非晶丝多芯式磁芯、感应线圈、偏置线圈以及模拟信号处理单元。模拟信号处理单元包括高频激励信号发生电路、可变电阻的电位器、移相器、偏置电路以及与感应线圈两端顺序电连接的前置低噪声放大器、锁相放大电路、二阶低通滤波器和后置放大器。采用紧凑型多芯式磁芯结构能有效增加磁芯材料的磁通门效应，提高传感器灵敏度；同时，利用锁相放大电路对传感器输出微弱信号进行调制处理，获得了较高的信噪比。其整体结构简单、合理，模拟信号处理电路信噪比高等优点，特别适用于弱磁场信号的检测。

Description

基于非晶丝多芯式正交磁通门传感器

技术领域

本实用新型涉及一种弱磁场检测装置，尤其涉及一种利用非晶丝磁敏材料作为磁芯的正交磁通门效应磁传感器。

背景技术

磁通门传感器的工作原理是基于磁芯材料的非线性磁化效应，其通常分为平行磁通门传感器和正交磁通门传感器。二者在交变激励信号的磁化作用下，磁芯的导磁特性发生周期性饱和与非饱和变化，使得缠绕在磁芯上的感应线圈感应输出与外磁场成正比的调制信号，通过特定检测装置的检测，最终提取出被测外磁场信息。

正交磁通门传感器产生于上世纪四十年代，在二十世纪七十年代正交磁通门技术迅速发展，由于其噪声等关键性指标不及平行磁通门传感器，随后被遗忘了二十多年。近年来，随着新材料和新技术的应用，同时，软磁材料制备技术和集成电路工艺的日益成熟，正交磁通门传感器又重新获得关注，其研究也日益活跃。正交磁通门传感器未来的发展趋势是向着低噪声、高分辨率、大动态范围，小型化、低成本、新磁芯材料的方向发展。

非晶磁性材料是杜韦斯(Duwes)上世纪六十年代用液体淬火法率先合成的，如今这种敏感功能材料已在传感器中得到日益广泛的应用，而且展望未来，还可用于更大的发展空间。非晶磁性材料具有下列特性：1.具有高导磁率，损耗小。即旋转磁化容易，各向磁场敏感度高，因此，可用来构成高灵敏度磁场计或磁通量传感器；2.具有高电阻率，是坡莫合金的几倍。因此，即使是高频率范围内也可得到较小的涡流损耗和极好的磁特性；3.不存在晶粒边界、位错等晶体材料固有的缺陷，机械强度高，抗化学性强；4.直到居里温度(约200K--500K)，其组合成分均可随意确定。其中，Co基非晶丝因其优异的软磁特性，作为磁敏材料得到广泛应用。

发明内容

本实用新型旨在提供一种基于非晶丝磁敏材料作为磁芯设计的多芯式正交磁通门传感器，以提高模拟信号处理电路的信噪比，达到对被测磁场准确检测和捕捉的目的。

非晶丝磁敏材料最显著的特性为巨磁阻抗效应，即在高频激励信号作用于近零磁致伸缩系数的非晶丝两端，其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，通过信号处理电路就可得到电压值随外磁场的变化值。而本实用新型采用真空熔体抽拉设备冷拔并经退火处理的Co基非晶丝作为磁芯材料，利用多芯式磁通门效应设计的磁传感器，即非晶丝磁芯随高频激励磁场的变化周期性地达到深度饱和，磁芯磁通量的变化引起磁芯磁导率周期性变化，从而引起外围感应线圈产生与外磁场成比例的调制信号，通过模拟信号处理电路中的电压值反映出磁场的变化情况，达到对被测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：

一种基于非晶丝多芯式正交磁通门传感器，包括Co基非晶丝多芯式磁芯、感应线圈、偏置线圈以及模拟信号处理单元。

Co基非晶丝多芯式磁芯包括三根呈“V”字形排列的性能一致的Co基非晶丝、PCB电路板以及套在三根Co基非晶丝外的绝缘陶瓷管。

三根Co基非晶丝长度相同、性能一致，并且呈紧密平行排列，为了获得更加紧凑的结构，三根非晶丝中的两根在同一个平面内平行排列，第三根置于前两根非晶丝的下方中间位置，形成“V”字形排列结构。经试验证明，“V”字形多芯式磁芯结构能有效增加磁芯材料的磁通门效应，提高传感器的信噪比和灵敏度。由于非晶丝材料的钎料湿润性能差及自身尺寸较小，为防止高温焊接影响非晶丝的磁畴结构，本实用新型利用导电胶将Co基非晶丝两端分别接入到PCB电路板的两个焊点上，从而构成多芯式磁芯的主要部分。

感应线圈和偏置线圈分别独立缠绕在绝缘陶瓷管上。

模拟信号处理单元包括高频激励信号发生电路、可变电阻的电位器、移相器、偏置电路以及与感应线圈两端顺序电连接的前置低噪声放大器、锁相放大电路、二阶低通滤波器和后置放大器。偏置电路连接在偏置线圈上。移相器连接在高频激励信号发生电路与锁相放大器之间。

高频激励信号发生电路的一端直接接入到Co基非晶丝多芯式磁芯的一端，为了调节激励电流的幅度，高频激励信号发生电路的另一端通过可变电阻的电位器接入到Co基非晶丝多芯式磁芯的另一端。

Co基非晶丝的直径为100um，长度为30mm。

由于磁传感器的感应线圈输出的感应信号存在一定的噪声，只有在有效地抑制噪声的条件下放大微弱信号的幅度，才能提取出有用的信号。本实用新型的模拟信号处理单元首先利用前置低噪声放大器对感应线圈输出电压进行放大，再通过锁相放大电路检测出其峰值大小，再经二阶低通滤波器实现平滑处理，最终经后置放大器将信号放大后输出，从而得到随外界磁场变化的电压值。锁相放大电路是利用互相关原理设计的一种同步相关检测，其利用参考信号与被测信号的互相关特性，从而提取出与参考信号同频率和同相位的被测信号。

本实用新型所述的基于非晶丝多芯式正交磁通门传感器的有益效果包括：

1、采用真空熔体抽拉设备冷拔并经退火处理的Co基非晶丝作为磁敏材料，具有零磁滞伸缩系数、超软磁性能。

2、三根性能一致的Co基非晶丝采用“V”字形紧凑排列结构，可有效增加磁芯材料的磁通门效应，提高传感器的信噪比和灵敏度。

3、连接在绝缘陶瓷管外偏置线圈上的偏置电路，可对磁敏材料非晶丝的线性工作点进行调节，使传感器处于线性工作区，并且获得了较高的灵敏度。

4、锁相放大电路结合移相器对前置低噪声放大器拾取的微弱信号进行放大后的调制和解调，可获得更高的信噪比信号，大大提高了信号处理的可靠性和稳定性。

5、Co基非晶丝多芯式磁芯结构设计简单、合理，模拟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，适合对弱磁场信息的捕捉和监测。

附图说明

图1为本实用新型所述基于非晶丝多芯式正交磁通门传感器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图1对本实用新型做进一步的描述：

本实用新型所述的基于非晶丝多芯式正交磁通门传感器，包括Co基非晶丝多芯式磁芯、感应线圈3、偏置线圈4以及模拟信号处理单元。

其中，Co基非晶丝多芯式磁芯包括三根呈“V”字形排列的性能一致的Co基非晶丝1、PCB电路板以及套在三根Co基非晶丝1外的绝缘陶瓷管2。感应线圈3和偏置线圈4分别独立缠绕在绝缘陶瓷管2上。绝缘陶瓷管2外径为1mm，长度为20mm。模拟信号处理单元包括高频激励信号发生电路10、可变电阻的电位器5、移相器11、偏置电路12以及与感应线圈3两端顺序电连接的前置低噪声放大器6、锁相放大电路7、二阶低通滤波器8和后置放大器9。

为了得到优异的磁敏感材料测磁特性，Co基非晶丝1采用真空熔体抽拉设备冷拔并经退火处理，Co基非晶丝1的直径为100um、长度为30mm，且三根Co基非晶丝1的物理特性保持一致。Co基非晶丝1两端分别通过导电胶接入到PCB电路板的两个焊点上。

偏置电路12连接的绝缘陶瓷管2的偏置线圈4上，偏置电路12可调节非晶丝磁芯的工作点，使传感器工作在高灵敏度的线性区内。偏置线圈4和感应线圈3均采用直径为0.12mm的漆包铜线绕制。

高频激励信号发生电路10的一端直接接入到Co基非晶丝多芯式磁芯的一端，高频激励信号发生电路10的另一端通过可变电阻的电位器5接入到Co基非晶丝多芯式磁芯的另一端。磁芯在交变激励电流的磁化作用下，其导磁特性发生周期性的饱和与非饱和变化，从而使缠绕在磁芯上的感应线圈3感应输出与外磁场成比例的调制信号。本例中，为了保证激励信号的频率稳定性，电路中采用频率为10MHz的高精度恒温晶振，频率精度达±3×10^-8。因激励电流直接驱动磁芯负载，需要带负载能力强，为提高激励信号的驱动能力，电路中采用双极性三级管驱动。由于高频信号极易受到外界的干扰，而使电路性能降低，因此，设计电路板时尽量走线最短，以防止产生极间电容等，甚至还可在电路板的底层铺一层地，以加强抗干扰能力。

前置低噪声放大器6的两个输入端分别与感应线圈3两端相连，对因磁通门效应引起的感应线圈3输出的微弱变化信号进行放大。锁相放大电路7采用高精度平衡调制芯片AD630对信号进行同步解调，其一个输入端与前置低噪声放大器6的输出端连接，另一输入端与对产生参考信号的相位进行调整的移相器11相连，输出端则与二阶低通滤波器8相连。AD630锁相放大电路7能够从100dB干扰噪声中恢复小信号。二阶低通滤波器8可对解调后带有干扰的信号进行干扰信息滤除。二阶低通滤波器8的输出端连接在后置放大器9的输入端上，后置放大器9可对输出信号做进一步地放大，以保证信号输出效果。

移相器11连接在高频激励信号发生电路10与锁相放大电路7之间。移相器11可对信号相位进行调整，将参考信号与输入信号调整到同相状态，使同频信号获得最大增益输出。

传感器工作时，高频激励信号发生电路10产生交变激励信号，Co基非晶丝1在交变激励信号的磁化作用下，磁芯的导磁特性发生周期性的饱和与非饱和变化，从而使缠绕在绝缘陶瓷管2上的感应线圈3感应输出与外磁场成比例的调制信号，感应线圈3两端通过引线接入到前置低噪声放大器6中，经首次微弱信号放大，信号被送入到锁相放大电路7中并与经移相器11调整的参考信号进行同步解调，以期获得较高的信噪比信号，解调后的信号再经过二阶低通滤波器8进行干扰信息滤除，最后，经后置放大器9再次放大，得到随外界磁场变化的电压值。在感应线圈3做感应输出时，缠绕在绝缘陶瓷管2上的偏置线圈4以及相应连接的偏置电路12还可对Co基非晶丝1的线性工作点进行调节，使传感器始终处于线性工作区内，以获得较高的灵敏度。

Claims (2)

1.一种非晶丝多芯式正交磁通门传感器，其特征在于，包括Co基非晶丝多芯式磁芯、感应线圈、偏置线圈以及模拟信号处理单元；所述Co基非晶丝多芯式磁芯包括三根呈“V”字形排列的性能一致的Co基非晶丝、用于电性连接的PCB电路板以及套在三根Co基非晶丝外的绝缘陶瓷管；所述三根Co基非晶丝的两端分别通过导电胶接入到PCB电路板的两个焊点上；所述感应线圈和偏置线圈分别独立缠绕在绝缘陶瓷管上；所述模拟信号处理单元包括高频激励信号发生电路、可变电阻的电位器、移相器、偏置电路以及与感应线圈两端顺序电连接的前置低噪声放大器、锁相放大电路、二阶低通滤波器和后置放大器；所述高频激励信号发生电路的一端直接接入到Co基非晶丝多芯式磁芯的一端，另一端通过可变电阻的电位器接入到Co基非晶丝多芯式磁芯的另一端；所述偏置电路连接在偏置线圈上；所述移相器连接在高频激励信号发生电路与锁相放大器之间。

2.根据权利要求1所述的非晶丝多芯式正交磁通门传感器，其特征在于，所述Co基非品丝的直径为100um，长度为30mm。