CN2906638Y - 巨磁阻抗磁场传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型的巨磁阻抗磁场传感器属于弱磁场测量装置技术领域。由非晶带5,科比茨振荡电路1,前置放大器2,整流电路3和调零输出放大器4构成;所说的科比茨振荡电路1是由截止频率为3~60MHz的晶体管构成,基极与直流电源Vcc间和基极与地间的两个分压电阻16阻值相等;频率为1~20MHz的晶体振荡器6和起振电容10串接在基极与地之间;非晶带5作射极负载的一部分存在。本实用新型科比茨振荡电路稳频振荡;工作时晶体管射极直流电压量稳定;具有单峰的巨磁阻抗变化率随磁场变化曲线,装置测量范围大。本实用新型电子线路简单、结构紧凑小巧、经济方便实用,可广泛应用于生产科研各领域磁场测量。
Description
技术领域
本实用新型属于弱磁场测量装置技术领域,特别涉及一种巨磁阻抗(GMI)磁场测量传感器。
背景技术
磁场测量在生产科研各领域是一个重要问题,现在有很多的新技术和新材料都应用到磁场测量的装置上。最常用的磁场传感器有霍尔(Hell)传感器,磁通门传感器,振动或转动线圈等,但这些传感器都有一定的缺陷。霍尔器件输出信号变化小,测量磁场时还有一定的磁场方向各向异性,适用于中强磁场测量;磁通门和检测线圈测磁场,对线圈绕制特别精确,信号处理要求较高;而且上述传感器的电路太过复杂,成本较高。
与本实用新型相近的现有技术是刊登在《Sensors and Actuators A59(1997)1-8》上的题目为“Recent advances of micro magnetic sensors and sensingapplication”的文章。公开的传感器由退火的CoFeSiB或CoSiB或CoFeMoSiB材料的非晶丝或非晶带、以该非晶丝(带)为分压元件的科比茨(Colpitts)振荡电路、整流电路、放大电路等构成。
背景技术的科比茨振荡电路如图1中所示。图1中V表示直流电源,Rm为非晶丝,Hex为外加磁场,C1,C2为反馈电容,Eout为输出电压。当电路起振时,有高频交流信号通过Rm,其上的电压信号为Ef,振荡频率f;
其中,R0为电路固有的输入电阻;L为Rm的电感量,r为Rm的直流电阻,Rm的阻抗值Z=r+2πjfL,在电路中非晶丝Rm连接在晶体管的基极和集电极之间,作分压元件存在。当有外磁场Hex作用于Rm时,Rm的阻抗值Z将发生变化,其中,r和L都要变化,这样振荡频率f也会变化,但非晶材料的阻抗值Z变化,即,巨磁阻抗变化率(简写为GMI率)是外场Hex和驱动电流频率f的函数,当二者都变化时,无法保证非晶材料的阻抗值Z变化(GMI率)是有规律的。
背景技术中所提电路,R(30Ω~300Ω),Re(3Ω~30Ω),驱动电流频率f为高频(15MHz~400MHz),与其它元件相耦合产生较大的噪声。背景技术有较高的灵敏度,达到10~100%/Oe,最小分辨磁场为10-6Oe,但测量范围在5Oe以下。
实用新型内容
本实用新型基于非晶软磁条带所具有的巨磁阻抗(GMI)效应,设计的磁场传感器,很好的解决了巨磁阻抗变化率与被检测磁场一一对应、噪声低、扩大测量范围的问题;并且使本实用新型结构小巧,方便实用。
巨磁阻抗磁场传感器原理是,电路中在非晶带加载高频的交流信号,非晶带两端会有相应的高频电压信号;当外加磁场作用于非晶带上时,非晶带的交流阻抗会发生变化,相应两端的电压也会变化,可用此高频电压信号变化来反映磁场变化。
本实用新型由非晶带,科比茨振荡电路,前置放大器,整流电路和调零输出放大器构成;前置放大器输入端接非晶带两端,前置放大器放大的信号由输出端接整流电路,整流电路将高频交流信号转化为二倍交流信号峰值的直流信号,再接调零输出放大器;整个传感器用非铁磁性金属壳屏蔽;所说的科比茨振荡电路是由截止频率为3~60MHz的晶体管构成,基极与直流电源Vcc间和基极与地间的两个分压电阻阻值相等;频率为1~20MHz的晶体振荡器(晶振)和起振电容串接在基极与地之间;所说的非晶带是含锆的铁基或/和含锆的钴基材料的,其一端接地,另一端与负载电阻串联后连接晶体管的发射极,非晶带作射极负载的一部分存在。
本实用新型的非晶带是不用退火处理的,具有单峰的巨磁阻抗变化率(GMI率)随磁场变化曲线,灵敏度最好大于1%/Oe。比如采用CoZrB、FeZrB、FeCoZrB等材料的非晶带。
晶体振荡器(晶振)的频率范围最好在1~12MHz,最佳频率范围是2~5MHz。可以使用石英晶振。
本实用新型由于在科比茨电路中引入了晶体振荡器(晶振)使电路稳频振荡;采取稳定晶体管(9)基极静态工作点的设计,两个分压电阻相等,工作时晶体管射极直流电压量稳定;由于采用含锆的铁基或/和含锆的钴基材料的不退火晶带,并作为射极负载的一部分,具有单峰的巨磁阻抗变化率(GMI率)随磁场变化曲线,使装置测量范围变大,可以测量2~50Oe的弱磁场。本实用新型电子线路简单、结构紧凑小巧、经济方便实用,可广泛应用于生产科研各领域磁场测量。
附图说明
图1背景技术的GMI磁场传感器电路图。
图2本实用新型的GMI磁场传感器电路图。
图3本实用新型的Co72Zr8B20非晶带的GMI率随磁场变化曲线。
图4本实用新型的非晶带上的电压信号(a)和经前置放大器放大信号(b)。
图5本实用新型的电压随磁场变化输出曲线。
具体实施方式
下面结合附图说明本实用新型的具体结构和工作方式
实施例1
图2中,1为科比茨(Colpitts)振荡电路,2为前置放大器,3为整流电路,4为调零输出放大器,5为非晶带,6为晶振,7为反馈电容C1,8为反馈电容C2,9为晶体管,10为起振电容C3,11为高频运算放大器,12为两个整流二极管,14为运算放大器,16为两个阻值相等的分压电阻,17为可变电阻器,18为射极限流电阻,19为滤波电容,20为稳压电容。
科比茨振荡电路1的供电电压Vcc可以为12V,采取稳定晶体管9基极静态工作点的设计,由于两个分压电阻16阻值相等,则晶体管9极基静态工作电压为6V,晶体管9射极静态工作电压稳定在5.3V左右;非晶带5采用CoZrB或FeZrB或FeCoZrB材料的,作为射极负载的一部分和射极限流电阻18接入电路,非晶带5直流电阻约3Ω,射极限流电阻18为390Ω;科比茨振荡电路1稳频振荡,振荡频率为晶振6的频率3.5795MHz;调节反馈电容C1和反馈电容C2,使射极输出稳定的正弦信号;非晶带5由于有较大的交流阻抗而两端产生一定的交流电压信号,参见图4(a);此信号在经主要由高频运算放大器11构成的前置放大器2放大,参见图4(b),放大后的交流信号连接到主要由两个整流二极管12构成的整流电路3,将高频交流信号转化为二倍交流信号峰值的直流信号;这个直流电压信号再接入主要由运算放大器14构成的调零输出放大器4输入端,在无外磁场的情况下,稳定后调节可变电阻器17使运算放大器14的正输入端电压与负输入端电压相等,则调零输出放大器4输出的电压值为0。
当有外加磁场作用于非晶带5上时,非晶带5的交流阻抗值会发生变化,参见图3,图3中ΔZ/Z为巨磁阻抗变化率(GMI率),ΔZ/Z=(Z(H)-Z(Hsat))/Z(Hsat)×100%,其中,Z(H)为在任意磁场下非晶带5的交流阻抗值,Z(Hsat)为非晶带5磁化至饱和后交流阻抗值。非晶带5上的交流电压信号幅值也会随交流阻抗的变化而变化(交流电压信号的频率不变化),所以,此信号在经前置放大器2和整流电路3输出到调零输出放大器4,输入端的信号与原来的信号的差便会放大输出,该信号差与非晶带5接受的外磁场大小有对应关系,从而测得了信号差的大小便测得了外磁场的大小。
如果将调零输出放大器4输入端的信号与原来的信号的差再接A/D转换及微处理器进行磁场值的数字显示,可达到直接显示磁场测量数据的功能。
实施例2
给出各部分电路元件数据的一个实施方式。
图2中的科比茨振荡电路1,非晶带5为厚10um~40um,宽1mm~2mm,长60mm~200mm,具有巨磁阻抗(GMI)效应,且灵敏度大于1%/Oe,可以采用Co72Zr8B20非晶带;晶体管9使用2SC1815型号的高频晶体管,其截止频率fT大于晶振6频率5倍。晶振6的频率为1MHz以上,起振电容C3为15pF~10nF均可起振。两个分压电阻16可以选用10kΩ;射极限流电阻18为390Ω;反馈电容C1为1000pF~2200pF,反馈电容C2为60pF~200pF,且反馈电容C1与反馈电容C2的比值在2到25之间。科比茨振荡电路的振荡频率即是晶振6的频率。
图2中的前置放大器2,应选用增益带宽积GBP为晶振(6)频率5倍以上,失调电压4mV以下的高频运放。高频运算放大器11可选用LM318
图2中的整流电路3中,整流二极管12选用肖特基二极管。
图2中的调零输出放大器4中,运算放大器14可选用op-07。
用本实施例的装置检测的输出电压与非晶带5上施加的被测磁场的关系曲线见图5。按图5所示的电压随磁场变化输出曲线,磁场沿非晶带正方向和反方向的电压输出曲线在2~50 Oe的范围内重合,说明本实用新型可在量程内无差别准确测量正反方向的磁场。
Claims (3)
1、一种巨磁阻抗磁场传感器,由非晶带(5),科比茨振荡电路(1),前置放大器(2),整流电路(3)和调零输出放大器(4)构成;前置放大器(2)输入端接非晶带两端,前置放大器(2)放大的信号由输出端接整流电路(3),整流电路(3)将高频交流信号转化为二倍交流信号峰值的直流信号,再接调零输出放大器(4);整个传感器用非铁磁性金属壳屏蔽;其特征是,所说的科比茨振荡电路(1)是由截止频率为3~60MHz的晶体管构成,基极与直流电源Vcc间和基极与地间的两个分压电阻(16)阻值相等;频率为1~20MHz的晶体振荡器(6)和起振电容(10)串接在基极与地之间;所说的非晶带(5)是含锆的铁基或/和含锆的钴基材料的,其一端接地,另一端与负载电阻(18)串联后连接晶体管(9)的发射极。
2、按照权利要求1所述的巨磁阻抗磁场传感器,其特征是,所说的非晶带(5)是CoZrB或FeZrB或FeCoZrB材料的;所说的晶体振荡器(6)的频率范围是2~5MHz。
3、按照权利要求1或2所述的巨磁阻抗磁场传感器,其特征是,所说的非晶带(5)是Co72Zr8B20材料的;所说的晶体振荡器(6)的频率是3.5795MHz。
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2005
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