基于非晶态合金材料的磁场传感器的驱动电路及其应用方法技术

本发明专利技术公开了基于非晶态合金材料的磁场传感器的驱动电路及其应用方法，该驱动电路包括磁芯激励部分、磁芯重置部分、信号采样和放大部分、电源部分。采用“对称差分采样”电路结构，消除了由模拟开关或场效应晶体管带来的“电荷注入效应”；通过在金属接收线圈中施加一个电流对磁芯进行重置，从而消除了磁芯的磁滞效应；采用偶数条串联磁芯和对称缠绕方式的金属接收线圈结构，消除了磁芯和接收线圈间的感性耦合效应、降低了激励电流在金属接收线圈上形成的容性耦合效应，从而提高了传感器输出信号的信噪比和线性度；将每一条磁芯切分为若干段等长的小段，能方便控制传感器的磁场检测范围和磁场灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
基于非晶态合金材料的磁场传感器的驱动电路及其应用方法
本专利技术属于磁场传感器领域，特别是涉及一种基于非晶态合金材料的高灵敏度磁场传感器的驱动、信号采集电路及其应用方法。
技术介绍
现有技术普遍使用单条(或多条并联)高导磁率非晶丝、非晶薄膜或非晶带作为磁芯，外绕有一个接收线圈或接收线圈+反馈补偿线圈的结构。通过在磁芯上流过一个高频交变电流或高频脉冲电流作为激励，并检测此时接收线圈上的电压信号来感测磁芯长度方向上的外加磁场，接收线圈上的电压信号大小与外加磁场的大小相对应。现有技术存在以下不足：1.在磁芯上流过一个激励电流时，该电流会在磁芯周围产生一个环绕电流流动方向的磁场，由于接收线圈和该磁场的磁感线不能做到完全平行，两者间存在一个很小的夹角。在激励电流接通或断开的瞬间，由激励电流产生的磁场变化会在接收线圈上产生感性耦合，从而在接收线圈上形成一个感应电压。该感应电压会叠加到最终的输出信号中，造成输出信号失真，并降低输出信号的信噪比。2.在现有技术所采用的结构下，由于接收线圈和磁芯之间存在寄生电容，在磁芯上流过一个激励电流时，磁芯与接收线圈间会产生容性耦合，从而在接收线圈上形成一个耦合电压，该电压会叠加到最终的输出信号中，降低输出信号的信噪比甚至造成放大器输出的饱和。3.由于非晶丝、非晶薄膜或非晶带磁芯自身的多磁畴结构特性，利用现有技术开发的磁场传感器均具有磁滞效应，即磁芯被外部磁场磁化后，传感器输出会发生偏移的现象。4.现有技术采用的峰值电压采样电路使用模拟开关(或场效应晶体管)对接收线圈上的电压信号进行采样，由于模拟开关(或场效应晶体管)存在“电荷注入效应(ChargeInjectionEffect)”，即：随着模拟开关(或场效应晶体管)的打开或关断，少量电荷会从控制端通过电容耦合至采样信号中，并且电荷的注入量会随接收线圈上的电压信号大小而变化，这使得采样后的电压信号产生失真从而影响到传感器输出的线性度。
技术实现思路
专利技术目的：解决上述现有技术中存在的不足，提出一种基于非晶态合金材料的高灵敏度磁场传感器的驱动电路，以提高传感器输出信号的信噪比和线性度，消除磁滞效应。技术方案：基于非晶态合金材料的磁场传感器的驱动电路，包括磁芯激励部分、磁芯重置部分、信号采样和放大部分、电源部分，如图10，所述电源部分的VCC为直流电源，其电压范围为+1.8V～+12V；所述磁芯激励部分由第一电阻R1，第一电容C1，第二开关SW2和第四电阻R4组成，第一电阻R1的一端连接直流电源VCC,另一端与第一电容C1和第二开关SW2的一端并联,第一电容C1的另一端接地，第二开关SW2的另一端串联第四电阻R4后与磁场传感器E1的磁芯的上输入端子a连接，磁芯的下输入端子b接地；直流电源通过限流的第一电阻R1对第一电容C1进行充电，第一电阻R1起到限流和隔离的作用，以减小第一电容C1在充放电时对电源造成的压降影响；第四电阻R4起到限制磁芯电流的作用，目的在于防止磁芯上的电流过大；通过控制第二开关SW2的控制端子P2的高低电平可实现第二开关SW2的通断，从而控制磁芯的激励电流的通断；所述磁芯重置部分由第二电阻R2，第二电容C2，第三电阻R3，二极管D1，第一开关SW1、第三开关SW3和第四开关SW4组成，第二电阻R2的一端连接直流电源VCC,另一端与第二电容C2和第一开关SW1的一端并联,第二电容C2的另一端接地，第一开关SW1的另一端串联第三电阻R3后与第三开关SW3的一端和二极管D1的负端并联，第三开关SW3的另一端连接磁场传感器E1的金属接收线圈的上输出端子c，二极管D1的正端与第四开关SW4的一端连接并接地，第四开关SW4的另一端连接金属接收线圈的下输出端子d；所述信号采样和放大部分由第五开关SW5和第六开关SW6、第三电容C3和第四电容C4、第五电阻R5和第六电阻R6以及差分放大器或仪表放大器A1组成，所述第五开关SW5、第六开关SW6和第三电容C3、第四电容C4构成对称的采样电路结构，第五开关SW5的一端连接磁场传感器E1的金属接收线圈的上输出端子c，第六开关SW6的一端与金属接收线圈的下输出端子d、第五电阻R5和第六电阻R6的一端连接；第五电阻R5的另一端连接直流电源VCC；第六电阻R6的另一端接地；第五开关SW5的另一端与第三电容C3的一端和差分放大器或仪表放大器A1的负输入端连接；第六开关SW6的另一端与第四电容C4的一端和差分放大器或仪表放大器A1的正输入端连接；第三电容C3和四电容C4的另一端并联接地。优选的，电源部分采用VCC为+5V的直流电源；所述磁场传感器E1，包括绝缘基板1、高导磁率非晶丝、非晶薄膜或非晶带做成的磁芯2、非磁性导电金属3、结构对称的非磁性金属接收线圈4，在绝缘基板1上放置或加工偶数条上下平行且首尾相连、相互串联的磁芯2，每条磁芯2的左、右两端分别连接一段非磁性导电金属3；在串联的磁芯2外部缠绕有一个或一组结构对称的非磁性金属接收线圈4；磁芯的上输入端子a、下输入端子b分别连通传感器最上部、最下部两个磁芯2的某一端的非磁性导电金属3并位于传感器的一侧，而金属接收线圈的上输出端子c和下输出端子d相互靠近并位于传感器的另一侧，如图7或图8所示；所述磁芯2具有如图1、图2所示的短轴异向性磁畴结构，磁芯的材料可为钴(CoFeSiB、CoFeNiSiB或CoZrB)基非晶材料，或镍(Ni)基非晶材料，或铁(Fe)基非晶材料；非晶薄膜、非晶带的厚度范围为0.01um～100um，非晶丝的直径范围为2um～100um，磁芯的长度范围为0.05mm～20mm；优选的，本专利技术中采用的是直径为10um的CoFeSiB非晶丝作为磁芯，其长度为0.8mm；所述金属接收线圈4的线圈形式可以是微机电(MEMS)型线圈、普通绕线线圈、金属薄膜型线圈等；优选的，将每一条磁芯2切分为若干段等长的小段，每条小段之间使用非磁性导电金属3连通(如图9所示)。在磁芯2的长度方向上存在一个外加磁场时，磁畴结构中的磁化方向将发生偏转，如图3、图4所示，此时，在磁芯2上流过一个激励电流，磁芯2中磁畴的磁化方向将被重新沿短轴方向排列，如图5、图6所示，该种排列改变了磁芯2的导磁率μ，并在磁芯2的长轴方向上形成一个磁通量的变化Δφ，该磁通量的变化被缠绕在磁芯2外部的接收线圈4感测到并转化为一个电压输出信号，该电压输出信号在固定相位的波峰处(或波谷处)的幅值大小与磁芯2长度方向上外加磁场的大小相对应，其极性与外加磁场的方向相对应；在磁芯的上输入端子a和下输入端子b间施加一个激励电流时，由于每条磁芯2首尾相连、相互串联，所以相邻上下两条磁芯2的激励电流方向相反，由激励电流流过每条磁芯2所产生的磁场将相互抵消，不会在金属接收线圈4上形成感性耦合，从而增加了输出信号的信噪比，解决了上述现有技术的第“1”点不足；采用对称缠绕方式的金属接收线圈和偶数条串联磁芯的结构，使得磁芯的上输入端子a和下输入端子b可以相互靠近位于传感器的一侧，而金属接收线圈的上输出端子c和下输出端子d可以相互靠近并位于传感器的另一侧，磁芯和接收线圈的两对端子可以尽量远离。这种结构使得激励电流在磁芯上形成的电势差通过容性耦合效应耦合到金属接收线圈4上的影响降到最小，解决了上述现有本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于非晶态合金材料的磁场传感器的驱动电路，包括磁芯激励部分、磁芯重置部分、信号采样和放大部分、电源部分，其特征在于：所述电源部分的VCC为直流电源，其电压范围为+1.8V～+12V；所述磁芯激励部分由第一电阻(R1)，第一电容(C1)，第二开关(SW2)和第四电阻(R4)组成，第四电阻(R4)的一端连接磁场传感器(E1)的磁芯的上输入端子(a)，磁芯的下输入端子(b)接地；直流电源通过限流的第一电阻(R1)对第一电容(C1)进行充电，第一电阻(R1)起到限流和隔离的作用，以减小第一电容(C1)在充放电时对电源造成的压降影响；第四电阻(R4)起到限制磁芯电流的作用，目的在于防止磁芯上的电流过大；通过控制第二模拟开关或场效应晶体管的控制端子(P2)的高低电平可实现第二开关(SW2)的通断，从而控制磁芯的激励电流的通断；所述磁芯重置部分由第二电阻(R2)，第二电容(C2)，第三电阻(R3)，二极管(D1)，第一开关(SW1)、第三开关(SW3)和第四开关(SW4)组成，第三开关(SW3)的一端连接磁场传感器(E1)的金属接收线圈的上输出端子(c)，第四开关(SW4)的一端连接金属接收线圈的下输出端子(d)；所述信号采样和放大部分由第五开关(SW5)和第六开关(SW6)、第三电容(C3)和第四电容(C4)、第五电阻(R5)和第六电阻(R6)以及差分放大器或仪表放大器(A1)组成，所述第五开关(SW5)、第六开关(SW6)和第三电容(C3)、第四电容(C4)构成对称的采样电路结构，第五开关(SW5)的一端连接磁场传感器(E1)的金属接收线圈的上输出端子(c)，第六开关(SW6)的一端连接金属接收线圈的下输出端子(d)。...

【技术特征摘要】
1.基于非晶态合金材料的磁场传感器的驱动电路，包括磁芯激励部分、磁芯重置部分、信号采样和放大部分、电源部分，其特征在于：所述电源部分的VCC为直流电源，其电压范围为+1.8V～+12V；所述磁芯激励部分由第一电阻(R1)，第一电容(C1)，第二开关(SW2)和第四电阻(R4)组成，第一电阻(R1)的一端连接直流电源VCC,另一端与第一电容(C1)和第二开关(SW2)的一端并联,第一电容(C1)的另一端接地，第二开关(SW2)的另一端串联第四电阻(R4)后与磁场传感器(E1)的磁芯的上输入端子(a)连接，磁芯的下输入端子(b)接地；直流电源通过限流的第一电阻(R1)对第一电容(C1)进行充电，第一电阻(R1)起到限流和隔离的作用，以减小第一电容(C1)在充放电时对电源造成的压降影响；第四电阻(R4)起到限制磁芯电流的作用，目的在于防止磁芯上的电流过大；通过控制第二开关(SW2)的控制端子(P2)的高低电平可实现第二开关(SW2)的通断，从而控制磁芯的激励电流的通断；所述磁芯重置部分由第二电阻(R2)，第二电容(C2)，第三电阻(R3)，二极管(D1)，第一开关(SW1)、第三开关(SW3)和第四开关(SW4)组成，第二电阻(R2)的一端连接直流电源VCC,另一端与第二电容(C2)和第一开关(SW1)的一端并联,第二电容(C2)的另一端接地，第一开关(SW1)的另一端串联第三电阻(R3)后与第三开关(SW3)的一端和二极管(D1)的负端并联，第三开关(SW3)的另一端连接磁场传感器(E1)的金属接收线圈的上输出端子(c)，二极管(D1)的正端与第四开关(SW4)的一端连接并接地，第四开关(SW4)的另一端连接金属接收线圈的下输出端子(d)；所述信号采样和放大部分由第五开关(SW5)和第六开关(SW6)、第三电容(C3)和第四电容(C4)、第五电阻(R5)和第六电阻(R6)以及差分放大器或仪表放大器(A1)组成，所述第五开关(SW5)、第六开关(SW6)和第三电容(C3)、第四电容(C4)构成对称的采样电路结构，第五开关(SW5)的一端连接磁场传感器(E1)的金属接收线圈的上输出端子(c)，第六开关(SW6)的一端与金属接收线圈的下输出端子(d)、第五电阻(R5)和第六电阻(R6)的一端连接；第五电阻(R5)的另一端连接直流电源VCC；第六电阻(R6)的另一端接地；第五开关(SW5)的另一端与第三电容(C3)的一端和差分放大器或仪表放大器(A1)的负输入端连接；第六开关(SW6)的另一端与第四电容(C4)的一端和差分放大器或仪表放大器(A1)的正输入端连接；第三电容(C3)和四电容(C4)的另一端并联接地。2.根据权利要求1所述的基于非晶态合金材料的磁场传感器的驱动电路，其特征在于：所述磁场传感器(E1)，包括绝缘基板(1)、高导磁率非晶丝、非晶薄膜或非晶带做成的磁芯(2)、非磁性导电金属(3)、结构对称的非磁性金属接收线圈(4)，在绝缘基板(1)上放置或加工偶数条上下平行且首尾相连、相互串联的磁芯(2)，每条磁芯(2)的左、右两端分别连接一段非磁性导电金属(3)；在串联的磁芯(2)外部缠绕有一个或一组结构对称的非磁性金属接收线圈(4)；磁芯的上输入端子(a)、下输入端子(b)分别连通传感器最上部、最下部两个磁芯(2)的某一端的非磁性导电金属(3)并位于传感器的一侧，而金属接收线圈的上输出端子(c)和下输出端子(d)相互靠近并位于传感器的另一侧。3.根据权利要求2所述的基于非晶态合金材料的磁场传感器的驱动电路，其特征在于：所述磁芯(2)具有短轴...

【专利技术属性】
技术研发人员：王国安，
申请(专利权)人：王国安，
类型：发明
国别省市：辽宁;21