CN209148857U - 一种快速响应的负反馈型gmi磁场测量传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种快速响应的负反馈型GMI磁场测量传感器，包含振荡器、电压电流转换器、GMI元件、幅度检波器以及积分器；电压电流转换器的输入端连接振荡器的输出端；GMI元件的一端连接电压电流转换器的输出端，另一端接地；幅度检波器的输入端连接电压电流转换器的输出端；积分器的输入端连接幅度检波器的输出端，输出端作为所述负反馈型GMI磁场测量传感器的输出端。由于采用积分器代替滤波器，因此传感器的响应速度更快；由于采用了负反馈机制，传感器测量时的线性度更高。

Description

一种快速响应的负反馈型GMI磁场测量传感器

技术领域

本实用新型属于弱磁场测量装置技术领域，特别涉及一种快速响应的负反馈型GMI(巨磁阻抗)磁场测量传感器。

背景技术

传感器技术是当今世界令人瞩目且发展迅猛的技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志。无论是在工业生产领域，还是在日常生活，都离不开传感器。在各类传感器中，磁传感器是应用最为广泛的一种传感器。磁传感器是将磁信号转换为电信号并输出磁场信息的装置，广泛应用于工业、医学、航空、国防、环境等领域，是现代信息技术的重要支撑，在国家信息产业建设和工业生产活动中占有非常重要的地位。

目前基于不同物理原理的磁传感器种类繁多，包括霍尔(Hall)传感器、磁通门(Flux-gate)传感器、巨磁电阻(GMR)传感器、各向异性磁阻(AMR)传感器和巨磁阻抗(GMI)传感器等。霍尔传感器体积小、成本低，但磁场灵敏度低，适用于中强磁场测量；磁通门传感器体积小、精度高，但响应速度慢，适用于静态或低频磁场测量；GMR传感器和AMR传感器磁场灵敏度可达1～2％/Oe，响应速度快，但存在磁滞和温度稳定性问题。GMI传感器作为一种新型的磁传感器技术，其磁场灵敏度可达2％～1000％/Oe，如图1所示。其比GMR和AMR传感器高1-2个数量级，且满足低功耗、尺寸微型化和响应速度快等要求，逐渐成为弱磁探测领域的研究热点。

典型的GMI传感器电路结构框图如图2所示。用CMOS非门电路构成多谐振荡器，产生高频方波信号，采用电压电流转换器将其转换为交流电流信号作用于GMI敏感元件，对其进行激励。当外加磁场Hex作用于GMI元件时，通过改变其阻抗Z，改变GMI元件两端的电压。通过幅度检波器检测出其幅值大小，再通过低通滤波器并与基准电压进行差动放大，得到随外磁场变化的电压值Vs。

基于以上原理的GMI传感器电路存在以下2点技术缺陷：

(1)基于调制解调原理的幅度检波器，必须通过后接低通滤波器进行解调，得到与交流信号幅值成正比的直流量。但低通滤波器的存在限制了传感器的带宽，使得传感器的响应速度限制于低通滤波器的截止频率。

(2)由于GMI元件效应曲线的非线性，GMI元件的阻抗变化率是外磁场Hex和驱动频率f(即高频方波的频率)的函数，当两者之一发生变化时，无法保证传感器的输出电压Vs与外磁场Hex的线性关系。

实用新型内容

针对上述技术问题，本实用新型提供了一种快速响应的负反馈型GMI磁场测量传感器，其目的在于提高GMI磁场测量传感器的响应速度以及测量时的线性度。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种快速响应的负反馈型GMI磁场测量传感器，包含：

振荡器；

电压电流转换器，输入端连接振荡器的输出端；

GMI元件，一端连接电压电流转换器的输出端，另一端接地；

幅度检波器，输入端连接电压电流转换器的输出端；

积分器，输入端连接幅度检波器的输出端，输出端作为所述负反馈型GMI磁场测量传感器的输出端。

进一步地，在本实用新型的负反馈型GMI磁场测量传感器中，所述幅度检波器为非同步检波器；或者，

所述幅度检波器为同步检波器，同步检波器的参考信号输入端连接振荡器的另一输出端，其中振荡器的所述输出端与所述另一输出端的输出频率相同，相位差固定。

进一步地，在本实用新型的负反馈型GMI磁场测量传感器中，电压电流转换器与幅度检波器之间还串接有交流耦合电路，交流耦合电路的输入端连接电压电流转换器的输出端，交流耦合电路的输出端连接幅度检波器的所述输入端。

进一步地，在本实用新型的负反馈型GMI磁场测量传感器中，交流耦合电路通过并联的电解电容和瓷片电容实现，以隔断电压信号中的直流分量，抑制低频噪声。

进一步地，在本实用新型的负反馈型GMI磁场测量传感器中，所述积分器包含输入电阻、运算放大器以及积分电容，输入端电阻的一端连接幅度检波器的所述输出端，另一端连接运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端接地或者通过偏置电阻接地，运算放大器的输出端作为积分器的输出端，积分电容连接在运算放大器的输出端与反相输入端之间。

进一步地，在本实用新型的负反馈型GMI磁场测量传感器中，还包括反馈线圈和反馈电阻，反馈线圈绕制在所述GMI元件上，一端接地，另一端通过反馈电阻连接至积分器的输出端，反馈线圈在所述GMI元件上的绕制方向满足反馈磁场的方向与GMI元件接收到的外磁场的方向相反。

进一步地，在本实用新型的负反馈型GMI磁场测量传感器中，还包括偏置电源、偏置线圈和偏置电阻，偏置线圈也绕制在所述GMI元件上，偏置线圈和偏置电阻串接后一端接地另一端接偏置电源，偏置线圈在所述GMI元件上的绕制方向满足偏置磁场的方向与GMI元件接收到的外磁场的方向相同。

进一步地，在本实用新型的负反馈型GMI磁场测量传感器中，所述振荡器产生的激励信号的频率为0.1～200MHz。

进一步地，在本实用新型的负反馈型GMI磁场测量传感器中，所述激励信号为正弦信号、方波信号或者窄脉冲信号。

进一步地，在本实用新型的负反馈型GMI磁场测量传感器中，GMI元件为Co基软磁薄带材料制成。

实施本实用新型的负反馈型GMI磁场测量传感器，具有以下有益效果：由于采用积分器代替滤波器，因此传感器的响应速度更快；由于采用了负反馈机制，传感器测量时的线性度更高。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是典型GMI元件的GMI效应阻抗变化率曲线；

图2是典型GMI传感器电路结构框图；

图3是积分电路的原理图；

图4是本实用新型的负反馈型GMI磁场测量传感器原理示意图；

图5是本实用新型的负反馈型GMI磁场测量传感器的一实施例的电路原理图；

图6是本实用新型的负反馈型GMI磁场测量传感器的输出V-H曲线。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。

为解决上述技术问题(1)，采用积分电路取代低通滤波器，对幅度检波器的输出信号进行解调，积分电路如图3所示。

利用运算放大器虚短和虚断的概念：v_N＝0,i_I＝0,因此有i₁＝i₂＝i，电容器C以电流i₁＝v₁/R进行充电。假设电容器C初始电压vC(0)＝0，则

上式表明，输出电压vo为输入电压v_I对时间的积分，负号表示它们在相位上是相反的。

幅度检波器的输出信号作为积分电路的输入v_I，v_I包含DC直流分量，幅度为V_dc，和AC交流分量，频率为ω，幅度为v_ω，可表示为下式，其中ω有振荡器的激励频率f决定，ω＝2*π*f。

v_I＝V_dc+v_ωcos(ωt)

将上式代入v_o的表达式，化简，可得积分电路的输出为：

由上式可知，对于v_o中角频率为ω的交流部分，其积分结果仍为交流信号，幅度大小为原信号的1/ω。设置GMI的激励频率f为0.1～200MHz，本实施例优选为1～20MHz，1/ω足够小使得积分输出信号中交流成分大小可忽略不计。并且当V_dc>0时，则积分器输出vo减小；当V_dc<0时，则积分器输出v_o增大；当Vdc＝0时，积分器输出vo保持不变。由此可见，积分器的作用相当于直流误差放大器，对幅度检波器输出信号信号中的DC直流分量进行解调，而不受其交流分量的影响。

为解决上述问题(2)，本实用新型采样积分电路的输出电压信号，通过反馈电阻转换为电流信号，驱动绕制在GMI元件外部的反馈线圈，形成负反馈控制回路，其工作原理如图4所示。

其中，A和F分别表示GMI传感器电路的开环传递函数和闭环反馈系数，H_ex表示外部待测磁场，H_f表示由反馈线圈产生的反馈磁场，因此，闭环控制系统的传递函数(即传感器的电压灵敏度)可表示为

对于积分电路，在直流输入电压的作用下，电容器将以近似恒流方式进行充电，输出电压随时间线性增大，直到接近运放的最大输出电压V_om。因此，传感器开环增益|A|近似为无穷大，则有F·A>>1，Vs/H_ex＝1/F，一般F·A的取值为10以上。此时，输出电压Vs与外磁场H_ex成线性关系，比例系数为1/F，其仅和反馈线圈的参数以及反馈电阻值有关，表达式下式所示。

式中，N为反馈线圈匝数，d为线圈半径，Rf为反馈电阻值，F的单位为A/m/V。由此可见，引入负反馈环节的GMI传感器电路达到平衡时，反馈线圈产生的反馈磁场自动抵消外磁场的变化，使得GMI元件始终处于稳定的磁场环境下，显著提高了GMI传感器的输出线性度。

如图5所示，本实施例的GMI传感器电路结构可分为以下组成部分，包括：GMI元件、振荡器、v-i转换器、交流耦合电路、幅度检波器、积分器、偏置线圈回路、反馈线圈回路及相关的电子元件。

在本实施例中，GMI元件选择德国VAC公司的Co基软磁薄带Vitrovac 6025，其饱和磁感应强度BS＝0.58T，相对磁导率约为ur＝132.95。此处并不限制材料型号，具有软磁特性相近的Co基薄带材料均可。

时钟振荡器作为激励源，产生频率为f的交流时钟信号，信号的类型可以为正弦信号、方波信号或者脉冲信号(尤其是窄脉冲信号)，f的取值为1～20MHz。振荡器具备产生2路以上时钟信号的能力，其中1路作为激励电压信号，连接至v-i转换器；另一路作为参考信号，输入幅度检波器的参考信号输入端，两者频率相同，相位差固定(包含相位差可调，但调整后相位差固定的情况)。

v-i转换器以时钟振荡器的信号作为输入，其将交流电压信号转换为交流电流信号，加载于GMI元件，对其进行激励。v-i转换器可以依据Howland电路的原理而设计，其输出交流电流幅值大小仅和输出的交流电压大小有关，而和负载(GMI元件)的阻抗值无关，由此在GMI元件两端得到幅度大小受外磁场调制的电压信号。

上述待测的电压信号(其电压幅值受外部磁场调制)通过交流耦合的方式输入幅度检波器进行调制解调。交流耦合电路可通过并联的电解电容和瓷片电容实现，两者分别具有较优的低频信号耦合性能和高频信号耦合性能，能有效隔断电压信号中的直流分量，同时抑制电路中的低频噪声。

幅度检波器对输入的待测电压信号进行调制解调，其目的是为了获得与交流电压信号幅度成线性关系的DC直流分量，实现对待测交流电压信号幅度的测量。其可采用基于模拟开关或模拟乘法器的同步检波电路实现，具有较优的线性度和温度稳定性。以模拟乘法器为例，其中参考信号输入端连接振荡器参考信号输出端，待测信号输入端连接交流耦合回路输出的待测信号，两者通过乘法器进行相乘，输出信号中包含信号成分为两输入信号的差频项与和频项，由于待测信号与参考信号频率一致，因此其中差频项为两者频率之差等于零，即为上述DC直流分量。设置参考信号的频率和幅度为固定值，则乘法器输出的DC直流大小与待测信号的幅度大小成正比，由此实现对待测信号的调制解调。在本实用新型的另一实施例中，幅度检波器采用非同步检波器，例如二极管峰值检波、RMS有效值检波，这样不需要参考信号。

积分器电路由集成运算放大器和电阻电容组成，如图3所示。幅度检波器输出的调制解调信号，输入积分器电路进行解调，由上述积分电路的输出表达式可知，对于输入信号中的高频交流信号幅度衰减为原来的1/ω，其在输出信号中的大小可忽略不计，而其中DC直流分量，通过电阻R对电容器C进行充电，因此，当DC直流>0时，积分器输出信号减小；DC直流<0时，积分器输出信号增大；DC直流＝0时，积分器输出保持不变。由此实现对幅度检波器输出的调制解调信号的解调。

反馈部分包含反馈电阻和反馈线圈。反馈线圈的特点为绕制于GMI元件外部的多匝线圈，其目的在于产生均匀的反馈磁场。实施中，反馈电阻于积分器的输出端采样反馈电压，形成反馈电流连接至反馈线圈，在线圈中形成反馈磁场。根据图4的闭环反馈系统结构框图可知，反馈磁场的方向与外磁场的方向相反，由此才能抵消外磁场的变化，因此反馈线圈的绕制方向必须根据右手螺旋定则进行设计。此外，反馈线圈的参数和反馈电阻的选值决定了环路的反馈深度，其值可根据公式(6)进行设计。

偏置线圈回路包含偏置电源、偏置线圈和偏置电阻。偏置线圈也绕制在GMI元件上，其特点与反馈线圈类似，其目的在于产生一个稳定的偏置磁场，使GMI元件工作于对外磁场的敏感区域。至于敏感区域如何确定，这和GMI元件的材料有关，需要根据材料的特征曲线来确定；本实施例中Co基软磁薄带Vitrovac 6025的特征曲线，对应的敏感区域可为2～5Oe。。实施中，偏置磁场的方向和外磁场方向相同，此时工作位置右移至敏感区域，其大小可根据GMI元件的GMI效应阻抗变化率曲线进行设计。偏置电源和偏置电阻为偏置线圈提供电流，前者可通过输出大电流的运放搭建电压跟随电路来实现。

依据上述结构框图，搭建的负反馈型GMI传感器电路，测得输出V-H曲线如图6所示。可知在外磁场为[-1,1]Oe的测量范围内，本实用新型的GMI传感器输出灵敏度为3.01V/Oe，线性度为0.99989。

上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。

Claims (10)

1.一种快速响应的负反馈型GMI磁场测量传感器，其特征在于，包含：

振荡器；

电压电流转换器，输入端连接振荡器的输出端；

GMI元件，一端连接电压电流转换器的输出端，另一端接地；

幅度检波器，输入端连接电压电流转换器的输出端；

积分器，输入端连接幅度检波器的输出端，输出端作为所述负反馈型GMI磁场测量传感器的输出端。

2.根据权利要求1所述的负反馈型GMI磁场测量传感器，其特征在于，所述幅度检波器为非同步检波器；或者，

所述幅度检波器为同步检波器，同步检波器的参考信号输入端连接振荡器的另一输出端，其中振荡器的所述输出端与所述另一输出端的输出频率相同，相位差固定。

3.根据权利要求1所述的负反馈型GMI磁场测量传感器，其特征在于，电压电流转换器与幅度检波器之间还串接有交流耦合电路，交流耦合电路的输入端连接电压电流转换器的输出端，交流耦合电路的输出端连接幅度检波器的所述输入端。

4.根据权利要求3所述的负反馈型GMI磁场测量传感器，其特征在于，交流耦合电路通过并联的电解电容和瓷片电容实现，以隔断电压信号中的直流分量，抑制低频噪声。

5.根据权利要求1所述的负反馈型GMI磁场测量传感器，其特征在于，所述积分器包含输入电阻、运算放大器以及积分电容，输入端电阻的一端连接幅度检波器的所述输出端，另一端连接运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端接地或者通过偏置电阻接地，运算放大器的输出端作为积分器的输出端，积分电容连接在运算放大器的输出端与反相输入端之间。

6.根据权利要求1所述的负反馈型GMI磁场测量传感器，其特征在于，还包括反馈线圈和反馈电阻，反馈线圈绕制在所述GMI元件上，一端接地，另一端通过反馈电阻连接至积分器的输出端，反馈线圈在所述GMI元件上的绕制方向满足反馈磁场的方向与GMI元件接收到的外磁场的方向相反。

7.根据权利要求6所述的负反馈型GMI磁场测量传感器，其特征在于，还包括偏置电源、偏置线圈和偏置电阻，偏置线圈也绕制在所述GMI元件上，偏置线圈和偏置电阻串接后一端接地另一端接偏置电源，偏置线圈在所述GMI元件上的绕制方向满足偏置磁场的方向与GMI元件接收到的外磁场的方向相同。

8.根据权利要求1所述的负反馈型GMI磁场测量传感器，其特征在于，所述振荡器产生的激励信号的频率为0.1～200MHz。

9.根据权利要求8所述的负反馈型GMI磁场测量传感器，其特征在于，所述激励信号为正弦信号、方波信号或者脉冲信号。

10.根据权利要求1所述的负反馈型GMI磁场测量传感器，其特征在于，GMI元件为Co基软磁薄带材料制成。