專(zhuān)利名稱(chēng)：基于非晶磁芯線圈的磁敏傳感器及其工作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁敏傳感器及工作方法，尤其是一種基于非晶磁芯線圈的磁敏傳感器及其工作方法。
背景技術(shù)：
在飛行器導(dǎo)航、導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)、醫(yī)療領(lǐng)域經(jīng)常需要探測(cè)毫、納特斯拉量級(jí)的微弱磁場(chǎng)。研制可探測(cè)包括毫特斯拉量級(jí)的地磁場(chǎng)、納特斯拉量級(jí)的生物磁場(chǎng)在內(nèi)的弱磁場(chǎng)測(cè)量的高靈敏度磁敏傳感器具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。近期，人們發(fā)現(xiàn)在室溫下，非晶材料的巨磁阻抗(GMI)效應(yīng)對(duì)弱磁場(chǎng)非常敏感，而且效應(yīng)顯著、響應(yīng)速度快、靈敏度高、無(wú)磁滯，同時(shí)巨磁阻抗效應(yīng)比巨磁電阻效應(yīng)的磁場(chǎng)靈敏度高一個(gè)數(shù)量級(jí)，且溫度穩(wěn)定性好，幾乎沒(méi)有溫度漂移。由此，為探索和拓展非晶材料巨磁阻抗效應(yīng)的應(yīng)用范圍，人們作了一些嘗試和努力，如在2008年10月17日中國(guó)優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)公開(kāi)了郝景毅投稿網(wǎng)絡(luò)出版的《基于GMI效應(yīng)的弱磁傳感器研究》的文章。該文第四章“傳感器的結(jié)構(gòu)及硬件電路分析”介紹了一種具有非晶磁芯的磁敏感元件，以及由其組成的基于GMI效應(yīng)的弱磁傳感器和該弱磁傳感器的工作方法；其中，磁敏感元件的磁芯為非晶帶狀材料，其外依次纏繞有激勵(lì)線圈、絕緣帶、偏置線圈、絕緣帶和反饋線圈；弱磁傳感器由磁敏感元件和與其相配接的測(cè)壓部件組成，其中的測(cè)壓部件由信號(hào)發(fā)生電路，偏置電路，激勵(lì)電路、反饋電路，檢波、濾波、V/I轉(zhuǎn)換電路、基準(zhǔn)電壓源和放大電路構(gòu)成；該弱磁傳感器的工作方法為在信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生的高頻激勵(lì)信號(hào)的激勵(lì)下，如果外界磁場(chǎng)有變化，則引發(fā)磁敏感元件的交流阻抗隨之改變，從而引起磁敏感元件兩端的電壓發(fā)生變化，檢波電路將發(fā)生變化的電壓從載波中檢出，再由后續(xù)電路經(jīng)濾波、放大和與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行差分運(yùn)算，得到隨外界磁場(chǎng)變化而變化的電壓值。但是，無(wú)論是弱磁傳感器，還是其工作方法，都存在著不足之處，首先，弱磁傳感器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一是磁敏感元件的工作線圈就多達(dá)3只，二是為磁敏感元件配套的工作電路——測(cè)壓部件由多達(dá)9個(gè)功能電路組成， 這些過(guò)多的元器件和電路既增加了功耗，又極易由此產(chǎn)生熱漂移，致使測(cè)量工作不穩(wěn)定和影響測(cè)量的精度；其次，工作方法為測(cè)量電壓值，因易受外界多種因素的干擾，而極易造成測(cè)量的精度偏低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題為克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高的基于非晶磁芯線圈的磁敏傳感器。本發(fā)明要解決的另一個(gè)技術(shù)問(wèn)題為提供一種上述基于非晶磁芯線圈的磁敏傳感器的工作方法。為解決本發(fā)明的技術(shù)問(wèn)題，所采用的技術(shù)方案為基于非晶磁芯線圈的磁敏傳感器由非晶磁芯磁敏元件和工作電路組成，特別是，所述非晶磁芯磁敏元件為塊狀磁芯外依次置有電感線圈、絕緣層和偏置線圈，所述塊狀磁芯由片狀非晶材料層疊構(gòu)成；所述工作電路由偏置電路、振蕩電路和測(cè)頻電路組成；所述電感線圈為所述振蕩電路中的電感線圈。作為基于非晶磁芯線圈的磁敏傳感器的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的非晶材料為鈷 ((Co1^xFex)70Si15B15)基非晶材料，或鎳(Ni)基非晶材料，或鐵(Fe)基非晶材料；所述的塊狀磁芯的塊長(zhǎng)為20mm、塊寬為10mm、塊高為IOmm ；所述的片狀非晶材料的片長(zhǎng)為20mm、片厚為0. 1mm、片寬為3 IOmm ；所述的振蕩電路為考畢茲振蕩電路；所述的測(cè)頻電路為等精度測(cè)頻電路。為解決本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，所采用的另一個(gè)技術(shù)方案為上述基于非晶磁芯線圈的磁敏傳感器的工作方法包括向置于工作電路中的非晶磁芯磁敏元件輸入信號(hào)和測(cè)量其輸出，特別是，步驟1，先調(diào)節(jié)偏置線圈的工作電流，得到非晶磁芯磁敏元件處于磁場(chǎng)強(qiáng)度為1 200e下時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H。，再將非晶磁芯磁敏元件置于待測(cè)磁場(chǎng)中，并測(cè)得由非晶磁芯磁敏元件的電感線圈參與組成的振蕩電路輸出的諧振頻率fx ；步驟2，先由公式fx = 5. 94Hx+36. 51計(jì)算得到諧振頻率為fx時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hx，其中，fx的單位為kHz，Hx為磁場(chǎng)強(qiáng)度在χ方向上的分量值，其單位為0e，χ為三維空間的維數(shù)，其取值為1或2或3，再由公式ΔΗΧ = Hx-H0計(jì)算得到待測(cè)磁場(chǎng)的強(qiáng)度ΔΗΧ。作為基于非晶磁芯線圈的磁敏傳感器的工作方法的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的先分別測(cè)
得每維待測(cè)磁場(chǎng)的強(qiáng)度δη”ΔH3，再由公式ΔΗ = VAH12 + ΔΗ22 + ΔΗ32計(jì)算得到待
測(cè)磁場(chǎng)的矢量強(qiáng)度ΔΗ。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是，其一，采用由非晶磁芯磁敏元件和工作電路組成磁敏傳感器的技術(shù)方案，其中，非晶磁芯磁敏元件為片狀非晶材料層疊構(gòu)成的塊狀磁芯外依次置有電感線圈、絕緣層和偏置線圈，工作電路由偏置電路、振蕩電路和測(cè)頻電路組成， 電感線圈為振蕩電路中的電感線圈，既結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，又大大地降低了功耗，還極大地提高了測(cè)量的穩(wěn)定性和精度；其二，測(cè)量方法采用測(cè)量隨外界磁場(chǎng)變化而變化的諧振頻率，不僅大大地減少了外界的干擾，還極大地提高了測(cè)量的精度；其三，經(jīng)大量的試驗(yàn)證實(shí)，本發(fā)明的振蕩電路——LC回路的諧振頻率隨外磁場(chǎng)變化的范圍為00e時(shí)約為40kHz，至600e時(shí)約為210kHz，其中諧振頻率隨外磁場(chǎng)變化最顯著的變化范圍，即電感線圈的磁場(chǎng)工作范圍為 1 200e。在此磁場(chǎng)工作范圍內(nèi)，磁場(chǎng)每變化IOe (I(T4T)，諧振頻率就會(huì)改變幾萬(wàn)Hz，也就是說(shuō)LC回路的諧振頻率每變化1Hz，表征的磁場(chǎng)僅改變10_9T，這也說(shuō)明了本發(fā)明的測(cè)量精度高達(dá)ηΤ的數(shù)量級(jí)。作為有益效果的進(jìn)一步體現(xiàn)，一是非晶材料優(yōu)選為鈷基非晶材料，或鎳基非晶材料，或鐵基非晶材料，不僅確保了非晶磁芯磁敏元件的品質(zhì)，還使非晶材料的來(lái)源較為豐富；二是塊狀磁芯的塊長(zhǎng)優(yōu)選為20mm、塊寬優(yōu)選為10mm、塊高優(yōu)選為10mm，片狀非晶材料的片長(zhǎng)優(yōu)選為20mm、片厚優(yōu)選為0. 1mm、片寬優(yōu)選為3 10mm，均保證了非晶磁芯磁敏元件性能的可靠發(fā)揮和質(zhì)量的穩(wěn)定；三是振蕩電路優(yōu)選為考畢茲振蕩電路，測(cè)頻電路優(yōu)選為等精度測(cè)頻電路，均確保了測(cè)量的精度。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選方式作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。圖1是本發(fā)明的一種基本結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明中的振蕩電路輸出的諧振頻率隨外磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的曲線圖。
具體實(shí)施例方式參見(jiàn)圖1，基于非晶磁芯線圈的磁敏傳感器由非晶磁芯磁敏元件和工作電路組成。 其中，非晶磁芯磁敏元件為由片狀非晶材料層疊構(gòu)成的塊狀磁芯1外依次置有電感線圈2、絕緣層3和偏置線圈4 ；其中的非晶材料為鈷基非晶材料(或鎳基非晶材料或鐵基非晶材料)，片狀非晶材料的片長(zhǎng)為20mm、片厚為0. 1mm、片寬為6mm，塊狀磁芯1的塊長(zhǎng)為 20_、塊寬為10_、塊高為10_。工作電路由偏置電路5、振蕩電路6和測(cè)頻電路7組成；電感線圈2為振蕩電路6 中的電感線圈；其中的振蕩電路6為考畢茲振蕩電路，測(cè)頻電路7為等精度測(cè)頻電路。參見(jiàn)圖2，基于非晶磁芯線圈的磁敏傳感器的工作流程如下對(duì)基于非晶磁芯線圈的磁敏傳感器通電后，先通過(guò)偏置電路5調(diào)節(jié)偏置線圈4的工作電流，得到非晶磁芯磁敏元件處于磁場(chǎng)強(qiáng)度為10 (可于1 20之間)0e下時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度氏。再將非晶磁芯磁敏元件置于待測(cè)磁場(chǎng)中，并測(cè)得由非晶磁芯磁敏元件的電感線圈2參與組成的振蕩電路6輸出的諧振頻率fx。接著，先由公式fx = 5. 94Hx+36. 51計(jì)算得到諧振頻率為fx時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度 Hx，其中，fx的單位為kHz，Hx為磁場(chǎng)強(qiáng)度在χ方向上的分量值，其單位為0e，χ為三維空間的維數(shù)，其取值為1或2或3，再由公式ΔΗΧ = Hx-H0計(jì)算得到待測(cè)磁場(chǎng)的強(qiáng)度ΔΗΧ。若需測(cè)量待測(cè)磁場(chǎng)的矢量強(qiáng)度，則只需依次將非晶磁芯磁敏元件于原位置處空間旋轉(zhuǎn)90度，以先分別測(cè)得每維待測(cè)磁場(chǎng)的強(qiáng)度ΔΗ”ΔH3,再由公式ΔΗ = ^ΔΗ,2 + AH22 + AH32if 算得到待測(cè)磁場(chǎng)的矢量強(qiáng)度ΔΗ。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明的基于非晶磁芯線圈的磁敏傳感器及其工作方法進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若對(duì)本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于非晶磁芯線圈的磁敏傳感器，由非晶磁芯磁敏元件和工作電路組成，其特征在于所述非晶磁芯磁敏元件為塊狀磁芯(1)外依次置有電感線圈(2)、絕緣層(3)和偏置線圈G)，所述塊狀磁芯(1)由片狀非晶材料層疊構(gòu)成；所述工作電路由偏置電路(5)、振蕩電路(6)和測(cè)頻電路(7)組成；所述電感線圈(2)為所述振蕩電路(6)中的電感線圈。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非晶磁芯線圈的磁敏傳感器，其特征是非晶材料為鈷基非晶材料，或鎳基非晶材料，或鐵基非晶材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非晶磁芯線圈的磁敏傳感器，其特征是塊狀磁芯(1)的塊長(zhǎng)為20mm、±夬寬為10mm、塊高為10mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非晶磁芯線圈的磁敏傳感器，其特征是片狀非晶材料的片長(zhǎng)為20mm、片厚為0. 1mm、片寬為3 IOmm0
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非晶磁芯線圈的磁敏傳感器，其特征是振蕩電路(6)為考畢茲振蕩電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非晶磁芯線圈的磁敏傳感器，其特征是測(cè)頻電路(7)為等精度測(cè)頻電路。
7.—種權(quán)利要求1所述基于非晶磁芯線圈的磁敏傳感器的工作方法，包括向置于工作電路中的非晶磁芯磁敏元件輸入信號(hào)和測(cè)量其輸出，其特征在于步驟1，先調(diào)節(jié)偏置線圈(4)的工作電流，得到非晶磁芯磁敏元件處于磁場(chǎng)強(qiáng)度為1 20 Oe下時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H。，再將非晶磁芯磁敏元件置于待測(cè)磁場(chǎng)中，并測(cè)得由非晶磁芯磁敏元件的電感線圈(2)參與組成的振蕩電路(6)輸出的諧振頻率fx;步驟2，先由公式fx = 5. 94Hx+36. 51計(jì)算得到諧振頻率為fx時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hx，其中，fx 的單位為kHz，Hx為磁場(chǎng)強(qiáng)度在χ方向上的分量值，其單位為0e，x為三維空間的維數(shù)，其取值為1或2或3，再由公式ΔΗΧ = Hx-H0計(jì)算得到待測(cè)磁場(chǎng)的強(qiáng)度ΔΗΧ。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于非晶磁芯線圈的磁敏傳感器的工作方法，其特征是先分別測(cè)得每維待測(cè)磁場(chǎng)的強(qiáng)度δη”ΔΗ3，再由公式δη = VahI2+ΔΗ22+ΔΗ32計(jì)算得到待測(cè)磁場(chǎng)的矢量強(qiáng)度ΔΗ。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于非晶磁芯線圈的磁敏傳感器及其工作方法。傳感器由非晶磁芯磁敏元件和工作電路組成，其中的非晶磁芯磁敏元件為片狀非晶材料層疊構(gòu)成的塊狀磁芯(1)外依次置有電感線圈(2)、絕緣層(3)和偏置線圈(4)，工作電路由偏置電路(5)、振蕩電路(6)和測(cè)頻電路(7)組成，電感線圈(2)為振蕩電路(6)中的電感線圈；方法為先調(diào)節(jié)偏置線圈的工作電流，得到非晶磁芯磁敏元件處于磁場(chǎng)強(qiáng)度為1～200e下時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H0，再將非晶磁芯磁敏元件置于待測(cè)磁場(chǎng)中，并測(cè)得振蕩電路輸出的諧振頻率fx，接著，先由公式fx＝5.94Hx+36.51得到諧振頻率為fx時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hx，再由公式ΔHx＝Hx-H0得到待測(cè)磁場(chǎng)的強(qiáng)度ΔHx。它可廣泛地用于對(duì)弱磁場(chǎng)進(jìn)行高精度的測(cè)量。
文檔編號(hào)G01R33/09GK102478646SQ20101056291
公開(kāi)日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2010年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月29日
發(fā)明者劉柱, 劉長(zhǎng)菊, 史同飛, 尹志軍, 文龍, 曾雪松, 李新化, 王玉琦, 肖正國(guó), 趙志飛, 郭浩民 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院