本發(fā)明涉及一種無線圈磁傳感器，尤其涉及一種基于磁致伸縮材料和壓電材料復(fù)合的無線圈磁傳感器。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的磁傳感器種類主要有超導(dǎo)量子干涉磁強(qiáng)計(jì)(SQUID)、霍爾傳感器、磁通門磁傳感器、磁敏二極管磁傳感器、磁敏三極管磁傳感器、核磁共振磁傳感器、光泵式磁傳感器、巨磁阻抗傳感器、電磁感應(yīng)式磁傳感器等。SQUID是最高精度的低頻磁傳感器，但其需要在低溫下工作，且體積大、價(jià)格昂貴；磁通門磁傳感器、核磁共振磁傳感器和光泵式磁傳感器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且笨重、價(jià)格昂貴、功耗高；巨磁阻抗傳感器的靈敏度很高，但是需要精密的電橋電路和有源激勵(lì)工作；電磁感應(yīng)式磁傳感器的精度高，但體積大，不適用于探測(cè)緩慢變化磁場(chǎng)。

磁致伸縮材料與壓電材料，具有磁、電、力等物理場(chǎng)耦合效應(yīng)，能夠分別實(shí)現(xiàn)磁-機(jī)和電-機(jī)轉(zhuǎn)換和逆向轉(zhuǎn)換。將這兩種材料疊層復(fù)合，還會(huì)由于復(fù)合材料的“乘積效應(yīng)”產(chǎn)生新特性——磁電效應(yīng)。目前，業(yè)內(nèi)人士將磁致伸縮材料與壓電材料復(fù)合構(gòu)成復(fù)合磁電換能單元，利用其“乘積效應(yīng)”產(chǎn)生的磁電效應(yīng)設(shè)計(jì)高靈敏度的磁傳感器，例如文獻(xiàn)Dong等報(bào)道的基于復(fù)合磁電換能單元的磁傳感器，其靈敏度可達(dá)10^-11T(Shuxiang Dong,Jie-Fang Li,and D.Viehland,Ultrahigh magnetic field sensitivity in laminates of TERFENOL-D and Pb(Mg_1/3Nb_2/3O₃–bUltO₃ crystals,Appl.Phys.Lett.,vol.83,no.11,2003)。但是由于壓電材料層的電容特性，“乘積效應(yīng)”產(chǎn)生的磁電效應(yīng)具有明顯的高通特性，導(dǎo)致傳感器低頻磁電響應(yīng)性能較差且不能直接探測(cè)靜態(tài)磁場(chǎng)(Shuxiang Dong,Junyi Zhai,Zhengping Xing,Jie-Fang Li,and D.Viehland，Extremely low frequency response of magnetoelectric multilayer composites,Appl.Phys.Lett.86,102901,2005)。一些學(xué)者在復(fù)合磁電換能單元外部繞制線圈來產(chǎn)生磁激勵(lì)磁場(chǎng)，在激勵(lì)磁場(chǎng)作用下，利用復(fù)合磁電換能單元的磁電輸出隨磁場(chǎng)變化的特性來進(jìn)行靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)磁場(chǎng)探測(cè)，從而克服復(fù)合磁電換能單元低頻磁電響應(yīng)性能較差的缺點(diǎn)。但是，這種線圈激勵(lì)的方式又帶來新的問題，例如線圈激勵(lì)會(huì)產(chǎn)生電磁干擾、焦耳熱等問題，從而導(dǎo)致傳感器功耗大、穩(wěn)定性差，還有可能對(duì)其它電子設(shè)備造成電磁干擾。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種無線圈磁傳感器，無需采用線圈即可探測(cè)靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)磁場(chǎng)，在使用中避免產(chǎn)生電磁干擾和焦耳熱，降低了功耗，提高了測(cè)量的穩(wěn)定性。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種無線圈磁傳感器，包括敏感前端、驅(qū)動(dòng)電路和測(cè)量模塊；所述敏感前端用于敏感磁場(chǎng)，其包括一對(duì)或多對(duì)復(fù)合磁電換能單元；在一對(duì)復(fù)合磁電換能單元中，其中一個(gè)復(fù)合磁電換能單元作為被激勵(lì)單元，另一個(gè)復(fù)合磁電換能單元作為接收單元；所述復(fù)合磁電換能單元由磁致伸縮材料層與壓電材料層符合而成；所述驅(qū)動(dòng)電路用于產(chǎn)生激勵(lì)被激勵(lì)單元的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所述測(cè)量模塊用于獲取接收單元輸出的電壓信號(hào)，根據(jù)所述電壓信號(hào)的電壓值和電壓-磁場(chǎng)函數(shù)關(guān)系解算出外部磁場(chǎng)值。由于正逆磁電效應(yīng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)都隨外部靜態(tài)磁場(chǎng)變化，測(cè)量模塊可以根據(jù)所述電壓信號(hào)的電壓值和電壓-磁場(chǎng)函數(shù)關(guān)系解算出外部磁場(chǎng)值；

進(jìn)一步，所述無線圈磁傳感器還包括人機(jī)交互模塊，完成人機(jī)交互功能，可以在人機(jī)交互界面上進(jìn)行待測(cè)磁場(chǎng)類型(靜態(tài)磁場(chǎng)、準(zhǔn)靜態(tài))、激勵(lì)信號(hào)類型(正弦、線性調(diào)頻等)以及測(cè)量精度等要求的設(shè)置，設(shè)置完成后通過按鍵啟動(dòng)測(cè)量。

所述無線圈磁傳感器工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生正弦、脈沖或線性調(diào)頻等類型的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳送給被激勵(lì)單元的壓電材料層的電極；由于逆磁電效應(yīng)，被激勵(lì)單元產(chǎn)生激勵(lì)磁場(chǎng)，此時(shí)，由于磁電效應(yīng)，作為接收單元的復(fù)合磁電換能單元在激勵(lì)磁場(chǎng)作用下，其壓電材料層產(chǎn)生電壓信號(hào)輸出，將該電壓信號(hào)送至測(cè)量模塊進(jìn)行幅相測(cè)量；由于正、逆磁電效應(yīng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)都隨外部靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)磁場(chǎng)變化，所以測(cè)量模塊檢測(cè)到的電壓信號(hào)值是外部待測(cè)磁場(chǎng)的函數(shù)，測(cè)量模塊根據(jù)預(yù)先標(biāo)定出的電壓信號(hào)與外部靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)磁場(chǎng)的函數(shù)關(guān)系就可以解算出外部磁場(chǎng)值，從而實(shí)現(xiàn)靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)磁場(chǎng)測(cè)量。

測(cè)量模塊根據(jù)人機(jī)交互模塊選擇的激勵(lì)信號(hào)類型，選擇對(duì)應(yīng)的測(cè)量方式來進(jìn)行磁電信號(hào)測(cè)量。如果驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)為正弦信號(hào)，則測(cè)量模塊采用鎖相放大電路進(jìn)行電壓信號(hào)檢測(cè)，獲得正弦信號(hào)幅度和相位值；如果驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)為脈沖或線性調(diào)頻信號(hào)，則測(cè)量模塊進(jìn)行對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采樣和傳遞函數(shù)分析，獲得復(fù)合磁電換能單元諧振頻率、頻帶特性、電壓信號(hào)諧振點(diǎn)峰值和相位等，測(cè)量模塊根據(jù)電壓信號(hào)值與外部磁場(chǎng)的函數(shù)關(guān)系獲得外部磁場(chǎng)值，并送到人機(jī)交互界面顯示。用戶還可以根據(jù)脈沖或線性調(diào)頻信號(hào)激勵(lì)時(shí)獲得復(fù)合磁電換能單元傳遞函數(shù)、諧振頻率值是否發(fā)生異常變化來判斷磁傳感器是否損壞。

進(jìn)一步，所述無線圈磁傳感器還包括導(dǎo)磁體，與復(fù)合磁電換能單元內(nèi)的磁致伸縮材 料構(gòu)成閉合磁路，增強(qiáng)不同復(fù)合磁電換能單元之間逆磁電效應(yīng)和正磁電效應(yīng)的磁耦合，從而提高傳感器的靈敏度。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)在于：(1)本發(fā)明所述的無線圈磁傳感器同時(shí)利用了復(fù)合磁電換能單元的正磁電效應(yīng)和逆磁電效應(yīng)，其中，逆磁電效應(yīng)用于產(chǎn)生激勵(lì)磁場(chǎng)，采用所述傳感器進(jìn)行靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)磁場(chǎng)探測(cè)時(shí)無需采用線圈激勵(lì)和感應(yīng)，克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的功耗大、產(chǎn)生焦耳熱和電磁干擾等缺點(diǎn)；(2)本發(fā)明利用復(fù)合磁電換能單元的磁電效應(yīng)，還可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高頻磁場(chǎng)探測(cè)；(3)本發(fā)明中復(fù)合磁電換能單元由磁致伸縮材料和壓電材料可以以黏結(jié)、物理濺射、化學(xué)生長等方式復(fù)合在一起構(gòu)成，當(dāng)采用物理濺射或化學(xué)生長的方法制備時(shí)，有利于以微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的方式實(shí)現(xiàn)，可以降低磁傳感器探頭的成本和體積。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述無線圈磁傳感器一種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明所述無線圈磁傳感器另一種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明所述無線圈磁傳感器第三種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明所述無線圈磁傳感器第四種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：

結(jié)合圖1，敏感前端1由兩個(gè)復(fù)合磁電換能單元和導(dǎo)磁體4構(gòu)成；兩個(gè)復(fù)合磁電換能單元平行放置，導(dǎo)磁體4與兩個(gè)復(fù)合磁電換能單元中的磁致伸縮材料層2形成閉合磁路以增強(qiáng)磁耦合，從而提高磁測(cè)量的靈敏度。敏感前端1也可以采用特殊形狀的磁致伸縮材料層2，例如在方形的磁致伸縮材料層2上復(fù)合兩片壓電材料層3，這樣既能形成兩個(gè)復(fù)合磁電換能單元，又可以在不借組外部導(dǎo)磁體4的情況下由磁致伸縮材料自身構(gòu)成閉合磁路；或者直接加長兩個(gè)復(fù)合磁電換能單元中的磁致伸縮材料層2，使其能夠自行形成閉合磁路。兩個(gè)復(fù)合磁電換能單元中，其中一個(gè)作為被激勵(lì)單元，另外一個(gè)作為接收單元。

復(fù)合磁電換能單元由磁致伸縮材料層2和壓電材料層3以黏結(jié)、物理濺射、化學(xué)生長等方式復(fù)合在一起構(gòu)成。復(fù)合的方式使得磁致伸縮材料層2和壓電材料層3之間存在應(yīng)力應(yīng)變耦合，即磁致伸縮材料2在磁場(chǎng)激勵(lì)下產(chǎn)生的磁致伸縮變形可以傳遞到壓電材 料3上，使壓電材料層3也發(fā)生變形，反之，壓電材料層3在電壓激勵(lì)下產(chǎn)生的電致伸縮變形也能傳遞到磁致伸縮材料層2上，使磁致伸縮材料層3發(fā)生磁化。復(fù)合磁電換能單元具有正磁電效應(yīng)和逆磁電效應(yīng)。復(fù)合磁電換能單元的磁致伸縮材料層在磁場(chǎng)激勵(lì)下，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，該機(jī)械變形耦合到壓電材料層后，使壓電材料產(chǎn)生電極化，從而在壓電材料層的電極之間產(chǎn)生電壓，這種磁-電的轉(zhuǎn)換現(xiàn)象稱為正磁電效應(yīng)；復(fù)合磁電換能單元的壓電材料層在電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)激勵(lì)下產(chǎn)生機(jī)械變形，該機(jī)械變形耦合到磁致伸縮材料層后，使磁致伸縮材料產(chǎn)生磁化，從而產(chǎn)生磁場(chǎng)，這種電-磁的轉(zhuǎn)換現(xiàn)象稱為逆磁電效應(yīng)。因?yàn)榇胖律炜s材料的磁致伸縮系數(shù)是外部磁場(chǎng)的非線性函數(shù)，所以正磁電效應(yīng)的磁-電轉(zhuǎn)換系數(shù)和逆磁電效應(yīng)的電-磁轉(zhuǎn)換系數(shù)都隨外部磁場(chǎng)的變化而變換。因此，本發(fā)明在敏感前端最少設(shè)置一對(duì)復(fù)合磁電換能單元，每對(duì)復(fù)合磁電換能單元中，將其中一個(gè)復(fù)合磁電換能單元作為被激勵(lì)單元，將另一個(gè)復(fù)合磁電換能單元作為接收單元，利用被激勵(lì)單元的逆磁電效應(yīng)產(chǎn)生激勵(lì)磁場(chǎng)，使接收單元在激勵(lì)磁場(chǎng)的作用下輸出電壓信號(hào)。由于正、逆磁電效應(yīng)都隨外部磁場(chǎng)變化，從而接收單元的磁電輸出隨外部磁場(chǎng)變化，利用該特性進(jìn)行靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)磁場(chǎng)探測(cè)無需采用線圈，克服了傳統(tǒng)線圈激勵(lì)方式產(chǎn)生焦耳熱、電磁干擾等缺點(diǎn)。

人機(jī)交互模塊7包含人機(jī)交互界面和對(duì)外通訊接口，根據(jù)用戶設(shè)定的測(cè)量參數(shù)自動(dòng)發(fā)送對(duì)應(yīng)的控制指令到驅(qū)動(dòng)電路5和測(cè)量模塊6，并接收驅(qū)動(dòng)電路5和測(cè)量模塊6返回的狀態(tài)和測(cè)量結(jié)果。

驅(qū)動(dòng)電路5根據(jù)人機(jī)交互模塊7的指令，產(chǎn)生正弦、脈沖或者線性調(diào)頻三種信號(hào)，三種激勵(lì)信號(hào)模式下，使用正弦信號(hào)進(jìn)行激勵(lì)時(shí)，可以獲得最高的測(cè)量值精度，使用脈沖或者線性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行進(jìn)行激勵(lì)時(shí)，可獲得器件的諧振頻率和寬帶特性，從而可以判斷傳感器是否損壞或存在異常。驅(qū)動(dòng)信號(hào)送入到被激勵(lì)單元中壓電材料層3的電極上，被激勵(lì)單元由于逆磁電效應(yīng)產(chǎn)生激勵(lì)磁場(chǎng)；由于磁電效應(yīng)，接收單元在激勵(lì)磁場(chǎng)作用下，其壓電材料層3產(chǎn)生電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)通過接收單元中壓電材料層3的電極送入測(cè)量模塊6。測(cè)量模塊6根據(jù)測(cè)量獲得的電壓信號(hào)的電壓值，以及根據(jù)預(yù)先標(biāo)定的電壓-外部磁場(chǎng)函數(shù)關(guān)系，解算出外部磁場(chǎng)值，然后將外部磁場(chǎng)值送到人機(jī)交互模塊7的界面進(jìn)行顯示。本發(fā)明可以采用的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)為高頻信號(hào)時(shí)，例如大于等于1000Hz，可以針對(duì)的測(cè)量磁場(chǎng)是靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)(DC～幾Hz)，比如用一個(gè)1kHz的電壓激勵(lì)，產(chǎn)生的激勵(lì)磁場(chǎng)是1000Hz的，接收單元的輸出電壓也是1kHz的，這個(gè)1kHz電壓信號(hào)的幅度隨外部靜態(tài)磁場(chǎng)變化，這個(gè)關(guān)系是可以標(biāo)定出來的，根據(jù)標(biāo)定的函數(shù)關(guān)系就可以獲得 外部靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)磁場(chǎng)的值。

所述驅(qū)動(dòng)電路5采用數(shù)字頻率合成(DDS)等常規(guī)方法產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，測(cè)量模塊6對(duì)正弦信號(hào)采用鎖定放大電路測(cè)量出電壓信號(hào)的幅度值和相位，對(duì)脈沖或線性調(diào)頻等信號(hào)則進(jìn)行采樣，并采用快速傅里葉變換(FFT)、脈沖壓縮等數(shù)字信號(hào)處理方法進(jìn)行分析，獲得諧振頻率、頻帶特性等特征參數(shù)變化特性和外部磁場(chǎng)值。

上述敏感前端中磁致伸縮材料層2為各種具有磁致伸縮效應(yīng)的材料，包括稀土鈦鏑鐵合金和鐵鎵合金、非晶態(tài)合金等。

上述敏感前端中壓電材料層3為各種具有壓電效應(yīng)的材料，包括壓電陶瓷、氧化鋅、壓電單晶PMN-PT、石英晶體等。

上述傳感器中導(dǎo)磁材料4為各種具有高磁導(dǎo)率的材料，包括電磁純鐵、鐵氧體、非晶態(tài)合金等。

實(shí)施例2：

結(jié)合圖2，本實(shí)施例與實(shí)施例1不同之處在于，敏感前端1中的兩個(gè)復(fù)合磁電換能單元一字排列，與實(shí)施例1采用的平行排列方式相比，可以減小傳感器敏感前端的橫向尺寸。

實(shí)施例3：

結(jié)合圖3，本實(shí)施例與實(shí)施例1不同之處在于，敏感前端1中的兩個(gè)復(fù)合磁電換能單元平行排列，與實(shí)施例1的排列相同，但在本實(shí)施例中將導(dǎo)磁體4制作成支架形式，可以作為兩個(gè)復(fù)合磁電換能單元的固定支架，這樣方便敏感前端1和整個(gè)傳感器的加工安裝。

實(shí)施例4：

實(shí)際上，敏感前端1采用的復(fù)合磁電換能單元的數(shù)量和放置形式還有其它多種方案，比如四個(gè)復(fù)合磁電換能單元按照四邊形放置或者八個(gè)復(fù)合磁電換能單元按照八邊形放置，只要滿足對(duì)稱的多邊結(jié)構(gòu)即可，這樣可以實(shí)現(xiàn)矢量參量的全方位、立體測(cè)量。結(jié)合圖4，實(shí)施例4與實(shí)施例1的不同之處仍然在于敏感前端1，實(shí)施例4的敏感前端1采用了六個(gè)復(fù)合磁電換能單元。六個(gè)復(fù)合磁電換能單元依此分布形成一個(gè)正六邊形邊結(jié)構(gòu)，六個(gè)復(fù)合磁電換能單元布置在正六邊形的六個(gè)邊框上，呈對(duì)稱分布。六個(gè)復(fù)合磁電換能單元的磁致伸縮材料層2構(gòu)成一個(gè)閉合磁路；也可以在相鄰的復(fù)合磁電換能單元之間放置多個(gè)導(dǎo)磁體4以增強(qiáng)相鄰兩個(gè)復(fù)合磁電換能單元之間的磁耦合。在兩兩相對(duì)的、互相平行的邊框上的一對(duì)復(fù)合磁電換能單元中，當(dāng)其中任意一個(gè)用作被激勵(lì)的單元時(shí)， 另一個(gè)則用作接收單元。這種對(duì)稱多邊形的結(jié)構(gòu)形式，能夠?qū)崿F(xiàn)物理量的矢量測(cè)量，分辨出待測(cè)磁場(chǎng)的方向。