一种无线圈磁传感器制造技术

本发明专利技术提出一种无线圈磁传感器。包括敏感前端、驱动电路和测量模块；所述敏感前端用于敏感磁场，其包括一对或多对复合磁电换能单元；在一对复合磁电换能单元中，其中一个复合磁电换能单元作为被激励单元，另一个复合磁电换能单元作为接收单元；所述复合磁电换能单元由磁致伸缩材料层与压电材料层符合而成；所述驱动电路用于产生激励被激励单元的驱动信号，所述测量模块用于获取接收单元输出的电压信号，根据所述电压信号的电压值和电压-磁场函数关系解算出外部磁场值。本发明专利技术无需采用线圈即可探测静态和准静态磁场，在使用中避免产生电磁干扰和焦耳热，降低了功耗，提高了测量的稳定性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种无线圈磁传感器，尤其涉及一种基于磁致伸缩材料和压电材料复合的无线圈磁传感器。
技术介绍
传统的磁传感器种类主要有超导量子干涉磁强计(SQUID)、霍尔传感器、磁通门磁传感器、磁敏二极管磁传感器、磁敏三极管磁传感器、核磁共振磁传感器、光泵式磁传感器、巨磁阻抗传感器、电磁感应式磁传感器等。SQUID是最高精度的低频磁传感器，但其需要在低温下工作，且体积大、价格昂贵；磁通门磁传感器、核磁共振磁传感器和光泵式磁传感器的结构复杂，且笨重、价格昂贵、功耗高；巨磁阻抗传感器的灵敏度很高，但是需要精密的电桥电路和有源激励工作；电磁感应式磁传感器的精度高，但体积大，不适用于探测缓慢变化磁场。磁致伸缩材料与压电材料，具有磁、电、力等物理场耦合效应，能够分别实现磁-机和电-机转换和逆向转换。将这两种材料叠层复合，还会由于复合材料的“乘积效应”产生新特性——磁电效应。目前，业内人士将磁致伸缩材料与压电材料复合构成复合磁电换能单元，利用其“乘积效应”产生的磁电效应设计高灵敏度的磁传感器，例如文献Dong等报道的基于复合磁电换能单元的磁传感器，其灵敏度可达10-11T(ShuxiangDong,Jie-FangLi,andD.Viehland,UltrahighmagneticfieldsensitivityinlaminatesofTERFENOL-DandPb(Mg1/3Nb2/3O3–bUltO3crystals,Appl.Phys.Lett.,vol.83,no.11,2003)。但是由于压电材料层的电容特性，“乘积效应”产生的磁电效应具有明显的高通特性，导致传感器低频磁电响应性能较差且不能直接探测静态磁场(ShuxiangDong,JunyiZhai,ZhengpingXing,Jie-FangLi,andD.Viehland，Extremelylowfrequencyresponseofmagnetoelectricmultilayercomposites,Appl.Phys.Lett.86,102901,2005)。一些学者在复合磁电换能单元外部绕制线圈来产生磁激励磁场，在激励磁场作用下，利用复合磁电换能单元的磁电输出随磁场变化的特性来进行静态和准静态磁场探测，从而克服复合磁电换能单元低频磁电响应性能较差的缺点。但是，这种线圈激励的方式又带来新的问题，例如线圈激励会产生电磁干扰、焦耳热等问题，从而导致传感器功耗大、稳定性差，还有可能对其它电子设备造成电磁干扰。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种无线圈磁传感器，无需采用线圈即可探测静态和准静态磁场，在使用中避免产生电磁干扰和焦耳热，降低了功耗，提高了测量的稳定性。为了解决上述技术问题，本专利技术提出一种无线圈磁传感器，包括敏感前端、驱动电路和测量模块；所述敏感前端用于敏感磁场，其包括一对或多对复合磁电换能单元；在一对复合磁电换能单元中，其中一个复合磁电换能单元作为被激励单元，另一个复合磁电换能单元作为接收单元；所述复合磁电换能单元由磁致伸缩材料层与压电材料层符合而成；所述驱动电路用于产生激励被激励单元的驱动信号，所述测量模块用于获取接收单元输出的电压信号，根据所述电压信号的电压值和电压-磁场函数关系解算出外部磁场值。由于正逆磁电效应的转换系数都随外部静态磁场变化，测量模块可以根据所述电压信号的电压值和电压-磁场函数关系解算出外部磁场值；进一步，所述无线圈磁传感器还包括人机交互模块，完成人机交互功能，可以在人机交互界面上进行待测磁场类型(静态磁场、准静态)、激励信号类型(正弦、线性调频等)以及测量精度等要求的设置，设置完成后通过按键启动测量。所述无线圈磁传感器工作时，驱动电路产生正弦、脉冲或线性调频等类型的驱动信号，驱动信号传送给被激励单元的压电材料层的电极；由于逆磁电效应，被激励单元产生激励磁场，此时，由于磁电效应，作为接收单元的复合磁电换能单元在激励磁场作用下，其压电材料层产生电压信号输出，将该电压信号送至测量模块进行幅相测量；由于正、逆磁电效应的转换系数都随外部静态或准静态磁场变化，所以测量模块检测到的电压信号值是外部待测磁场的函数，测量模块根据预先标定出的电压信号与外部静态或准静态磁场的函数关系就可以解算出外部磁场值，从而实现静态和准静态磁场测量。测量模块根据人机交互模块选择的激励信号类型，选择对应的测量方式来进行磁电信号测量。如果驱动电路产生的激励信号为正弦信号，则测量模块采用锁相放大电路进行电压信号检测，获得正弦信号幅度和相位值；如果驱动电路产生的激励信号为脉冲或线性调频信号，则测量模块进行对电压信号进行采样和传递函数分析，获得复合磁电换能单元谐振频率、频带特性、电压信号谐振点峰值和相位等，测量模块根据电压信号值与外部磁场的函数关系获得外部磁场值，并送到人机交互界面显示。用户还可以根据脉冲或线性调频信号激励时获得复合磁电换能单元传递函数、谐振频率值是否发生异常变化来判断磁传感器是否损坏。进一步，所述无线圈磁传感器还包括导磁体，与复合磁电换能单元内的磁致伸缩材料构成闭合磁路，增强不同复合磁电换能单元之间逆磁电效应和正磁电效应的磁耦合，从而提高传感器的灵敏度。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：(1)本专利技术所述的无线圈磁传感器同时利用了复合磁电换能单元的正磁电效应和逆磁电效应，其中，逆磁电效应用于产生激励磁场，采用所述传感器进行静态和准静态磁场探测时无需采用线圈激励和感应，克服了现有技术存在的功耗大、产生焦耳热和电磁干扰等缺点；(2)本专利技术利用复合磁电换能单元的磁电效应，还可以同时实现高频磁场探测；(3)本专利技术中复合磁电换能单元由磁致伸缩材料和压电材料可以以黏结、物理溅射、化学生长等方式复合在一起构成，当采用物理溅射或化学生长的方法制备时，有利于以微机电系统(MEMS)的方式实现，可以降低磁传感器探头的成本和体积。附图说明图1是本专利技术所述无线圈磁传感器一种实施方式的结构示意图。图2是本专利技术所述无线圈磁传感器另一种实施方式的结构示意图。图3是本专利技术所述无线圈磁传感器第三种实施方式的结构示意图。图4是本专利技术所述无线圈磁传感器第四种实施方式的结构示意图。具体实施方式实施例1：结合图1，敏感前端1由两个复合磁电换能单元和导磁体4构成；两个复合磁电换能单元平行放置，导磁体4与两个复合磁电换能单元中的磁致伸缩材料层2形成闭合磁路以增强磁耦合，从而提高磁测量的灵敏度。敏感前端1也可以采用特殊形状的磁致伸缩材料层2，例如在方形的磁致伸缩材料层2上复合两片压电材料层3，这样既能形成两个复合磁电换能单元，又可以在不借组外部导磁体4的情况下由磁致伸缩材料自身构成闭合磁路；或者直接加长两个复合磁电换能单元中的磁致伸缩材料层2，使其能够自行形成闭合磁路。两个复合磁电换能单元中，其中一个作为被激励单元，另外一个作为接收单元。复合磁电换能单元由磁致伸缩材料层2和压电材料层3以黏结、物理溅射、化学生长等方式复合在一起构成。复合的方式使得磁致伸缩材料层2和压电材料层3之间存在应力应变耦合，即磁致伸缩材料2在磁场激励下产生的磁致伸缩变形可以传递到压电材料3上，使压电材料层3也发生变形，反之，压电材料层3在电压激励下产生的电致伸缩变形本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无线圈磁传感器，其特征在于，包括敏感前端、驱动电路和测量模块；所述敏感前端用于敏感磁场，其包括一对或多对复合磁电换能单元；各对复合磁电换能单元中，其中一个复合磁电换能单元作为被激励单元，另一个复合磁电换能单元作为接收单元；所述驱动电路用于产生激励被激励单元的驱动信号；所述测量模块用于获取接收单元输出的电压信号，根据所述电压信号的电压值和电压与磁场之间的函数关系解算出外部磁场值。

【技术特征摘要】
1.一种无线圈磁传感器，其特征在于，包括敏感前端、驱动电路和测量模块；所述敏感前端用于敏感磁场，其包括一对或多对复合磁电换能单元；各对复合磁电换能单元中，其中一个复合磁电换能单元作为被激励单元，另一个复合磁电换能单元作为接收单元；所述驱动电路用于产生激励被激励单元的驱动信号；所述测量模块用于获取接收单元输出的电压信号，根据所述电压信号的电压值和电压与磁场之间的函数关系解算出外部磁场值。2.如权利要求1所述无线圈磁传感器，其特征在于，所述驱动电路产生的驱动信号为正弦信号、或者为脉冲信号，或者为线性调频信号。3.如权利要求1所述无线圈磁传感器，其特征在于，所述敏感前端包括两个复合磁电换能单元，所述两个复合磁电换能单元平行放置。4.如权利要求1所述无线圈磁传感器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：卞雷祥，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32