一种快速响应的负反馈型GMI磁场测量传感器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种快速响应的负反馈型GMI磁场测量传感器，包含振荡器、电压电流转换器、GMI元件、幅度检波器以及积分器；电压电流转换器的输入端连接振荡器的输出端；GMI元件的一端连接电压电流转换器的输出端，另一端接地；幅度检波器的输入端连接电压电流转换器的输出端；积分器的输入端连接幅度检波器的输出端，输出端作为所述负反馈型GMI磁场测量传感器的输出端。由于采用积分器代替滤波器，因此传感器的响应速度更快；由于采用了负反馈机制，传感器测量时的线性度更高。

A Fast Response GMI Magnetic Field Measurement Sensor with Negative Feedback

【技术实现步骤摘要】
一种快速响应的负反馈型GMI磁场测量传感器
本技术属于弱磁场测量装置
，特别涉及一种快速响应的负反馈型GMI(巨磁阻抗)磁场测量传感器。
技术介绍
传感器技术是当今世界令人瞩目且发展迅猛的技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志。无论是在工业生产领域，还是在日常生活，都离不开传感器。在各类传感器中，磁传感器是应用最为广泛的一种传感器。磁传感器是将磁信号转换为电信号并输出磁场信息的装置，广泛应用于工业、医学、航空、国防、环境等领域，是现代信息技术的重要支撑，在国家信息产业建设和工业生产活动中占有非常重要的地位。目前基于不同物理原理的磁传感器种类繁多，包括霍尔(Hall)传感器、磁通门(Flux-gate)传感器、巨磁电阻(GMR)传感器、各向异性磁阻(AMR)传感器和巨磁阻抗(GMI)传感器等。霍尔传感器体积小、成本低，但磁场灵敏度低，适用于中强磁场测量；磁通门传感器体积小、精度高，但响应速度慢，适用于静态或低频磁场测量；GMR传感器和AMR传感器磁场灵敏度可达1～2％/Oe，响应速度快，但存在磁滞和温度稳定性问题。GMI传感器作为一种新型的磁传感器技术，其磁场灵敏度可达2％～1000％/Oe，如图1所示。其比GMR和AMR传感器高1-2个数量级，且满足低功耗、尺寸微型化和响应速度快等要求，逐渐成为弱磁探测领域的研究热点。典型的GMI传感器电路结构框图如图2所示。用CMOS非门电路构成多谐振荡器，产生高频方波信号，采用电压电流转换器将其转换为交流电流信号作用于GMI敏感元件，对其进行激励。当外加磁场Hex作用于GMI元件时，通过改变其阻抗Z，改变GMI元件两端的电压。通过幅度检波器检测出其幅值大小，再通过低通滤波器并与基准电压进行差动放大，得到随外磁场变化的电压值Vs。基于以上原理的GMI传感器电路存在以下2点技术缺陷：(1)基于调制解调原理的幅度检波器，必须通过后接低通滤波器进行解调，得到与交流信号幅值成正比的直流量。但低通滤波器的存在限制了传感器的带宽，使得传感器的响应速度限制于低通滤波器的截止频率。(2)由于GMI元件效应曲线的非线性，GMI元件的阻抗变化率是外磁场Hex和驱动频率f(即高频方波的频率)的函数，当两者之一发生变化时，无法保证传感器的输出电压Vs与外磁场Hex的线性关系。
技术实现思路
针对上述技术问题，本技术提供了一种快速响应的负反馈型GMI磁场测量传感器，其目的在于提高GMI磁场测量传感器的响应速度以及测量时的线性度。本技术解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种快速响应的负反馈型GMI磁场测量传感器，包含：振荡器；电压电流转换器，输入端连接振荡器的输出端；GMI元件，一端连接电压电流转换器的输出端，另一端接地；幅度检波器，输入端连接电压电流转换器的输出端；积分器，输入端连接幅度检波器的输出端，输出端作为所述负反馈型GMI磁场测量传感器的输出端。进一步地，在本技术的负反馈型GMI磁场测量传感器中，所述幅度检波器为非同步检波器；或者，所述幅度检波器为同步检波器，同步检波器的参考信号输入端连接振荡器的另一输出端，其中振荡器的所述输出端与所述另一输出端的输出频率相同，相位差固定。进一步地，在本技术的负反馈型GMI磁场测量传感器中，电压电流转换器与幅度检波器之间还串接有交流耦合电路，交流耦合电路的输入端连接电压电流转换器的输出端，交流耦合电路的输出端连接幅度检波器的所述输入端。进一步地，在本技术的负反馈型GMI磁场测量传感器中，交流耦合电路通过并联的电解电容和瓷片电容实现，以隔断电压信号中的直流分量，抑制低频噪声。进一步地，在本技术的负反馈型GMI磁场测量传感器中，所述积分器包含输入电阻、运算放大器以及积分电容，输入端电阻的一端连接幅度检波器的所述输出端，另一端连接运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端接地或者通过偏置电阻接地，运算放大器的输出端作为积分器的输出端，积分电容连接在运算放大器的输出端与反相输入端之间。进一步地，在本技术的负反馈型GMI磁场测量传感器中，还包括反馈线圈和反馈电阻，反馈线圈绕制在所述GMI元件上，一端接地，另一端通过反馈电阻连接至积分器的输出端，反馈线圈在所述GMI元件上的绕制方向满足反馈磁场的方向与GMI元件接收到的外磁场的方向相反。进一步地，在本技术的负反馈型GMI磁场测量传感器中，还包括偏置电源、偏置线圈和偏置电阻，偏置线圈也绕制在所述GMI元件上，偏置线圈和偏置电阻串接后一端接地另一端接偏置电源，偏置线圈在所述GMI元件上的绕制方向满足偏置磁场的方向与GMI元件接收到的外磁场的方向相同。进一步地，在本技术的负反馈型GMI磁场测量传感器中，所述振荡器产生的激励信号的频率为0.1～200MHz。进一步地，在本技术的负反馈型GMI磁场测量传感器中，所述激励信号为正弦信号、方波信号或者窄脉冲信号。进一步地，在本技术的负反馈型GMI磁场测量传感器中，GMI元件为Co基软磁薄带材料制成。实施本技术的负反馈型GMI磁场测量传感器，具有以下有益效果：由于采用积分器代替滤波器，因此传感器的响应速度更快；由于采用了负反馈机制，传感器测量时的线性度更高。附图说明下面将结合附图及实施例对本技术作进一步说明，附图中：图1是典型GMI元件的GMI效应阻抗变化率曲线；图2是典型GMI传感器电路结构框图；图3是积分电路的原理图；图4是本技术的负反馈型GMI磁场测量传感器原理示意图；图5是本技术的负反馈型GMI磁场测量传感器的一实施例的电路原理图；图6是本技术的负反馈型GMI磁场测量传感器的输出V-H曲线。具体实施方式为了对本技术的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本技术的具体实施方式。为解决上述技术问题(1)，采用积分电路取代低通滤波器，对幅度检波器的输出信号进行解调，积分电路如图3所示。利用运算放大器虚短和虚断的概念：vN＝0,iI＝0,因此有i1＝i2＝i，电容器C以电流i1＝v1/R进行充电。假设电容器C初始电压vC(0)＝0，则上式表明，输出电压vo为输入电压vI对时间的积分，负号表示它们在相位上是相反的。幅度检波器的输出信号作为积分电路的输入vI，vI包含DC直流分量，幅度为Vdc，和AC交流分量，频率为ω，幅度为vω，可表示为下式，其中ω有振荡器的激励频率f决定，ω＝2*π*f。vI＝Vdc+vωcos(ωt)将上式代入vo的表达式，化简，可得积分电路的输出为：由上式可知，对于vo中角频率为ω的交流部分，其积分结果仍为交流信号，幅度大小为原信号的1/ω。设置GMI的激励频率f为0.1～200MHz，本实施例优选为1～20MHz，1/ω足够小使得积分输出信号中交流成分大小可忽略不计。并且当Vdc>0时，则积分器输出vo减小；当Vdc<0时，则积分器输出vo增大；当Vdc＝0时，积分器输出vo保持不变。由此可见，积分器的作用相当于直流误差放大器，对幅度检波器输出信号信号中的DC直流分量进行解调，而不受其交流分量的影响。为解决上述问题(2)，本技术采样积分电路的输出电压信号，通过反馈电阻转换为电流信号，驱动绕制在GMI元件外部的反馈线本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种快速响应的负反馈型GMI磁场测量传感器，其特征在于，包含：振荡器；电压电流转换器，输入端连接振荡器的输出端；GMI元件，一端连接电压电流转换器的输出端，另一端接地；幅度检波器，输入端连接电压电流转换器的输出端；积分器，输入端连接幅度检波器的输出端，输出端作为所述负反馈型GMI磁场测量传感器的输出端。

【技术特征摘要】
1.一种快速响应的负反馈型GMI磁场测量传感器，其特征在于，包含：振荡器；电压电流转换器，输入端连接振荡器的输出端；GMI元件，一端连接电压电流转换器的输出端，另一端接地；幅度检波器，输入端连接电压电流转换器的输出端；积分器，输入端连接幅度检波器的输出端，输出端作为所述负反馈型GMI磁场测量传感器的输出端。2.根据权利要求1所述的负反馈型GMI磁场测量传感器，其特征在于，所述幅度检波器为非同步检波器；或者，所述幅度检波器为同步检波器，同步检波器的参考信号输入端连接振荡器的另一输出端，其中振荡器的所述输出端与所述另一输出端的输出频率相同，相位差固定。3.根据权利要求1所述的负反馈型GMI磁场测量传感器，其特征在于，电压电流转换器与幅度检波器之间还串接有交流耦合电路，交流耦合电路的输入端连接电压电流转换器的输出端，交流耦合电路的输出端连接幅度检波器的所述输入端。4.根据权利要求3所述的负反馈型GMI磁场测量传感器，其特征在于，交流耦合电路通过并联的电解电容和瓷片电容实现，以隔断电压信号中的直流分量，抑制低频噪声。5.根据权利要求1所述的负反馈型GMI磁场测量传感器，其特征在于，所述积分器包含输入电阻、运算放大器以及积分电容，输入端电阻的一端连接幅度检波...

【专利技术属性】
技术研发人员：晋芳，王晋超，朱蕾，赵植，饶恒畅，宋俊磊，董凯锋，莫文琴，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：新型
国别省市：湖北,42