利用180°反相调制非线性磁电效应差分输出的磁传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种利用180°反相调制非线性磁电效应差分输出的磁传感器，包括180°反相调制差分敏感单元以及传感器电路，所述180°反相调制差分敏感探头包括两个复合磁电敏感探头，所述复合磁电敏感探头由复合磁电敏感单元以及绕制在复合磁电敏感单元外的线圈组成，两组线圈绕制方向相反且串联连接，所述传感器电路包括信号发生模块、放大器、锁相检测模块，所述信号发生模块用于输出两条通道信号，一条通道与分别与两组线圈连接，另一条通道与锁相检测模块连接，所述放大器一端与两个复合磁电敏感探头的输出电极连接，另一端与锁相检测模块连接。本发明专利技术能够有效抑制外界的温度噪声和振动噪声，降低了探头本身的本底噪声。

【技术实现步骤摘要】
利用180°反相调制非线性磁电效应差分输出的磁传感器
本专利技术属于传感器技术，具体为一种利用180°反相调制非线性磁电效应差分输出的磁传感器。
技术介绍
磁致伸缩/压电复合材料的磁电效应源于磁致伸缩材料与压电材料之间的磁-机-电耦合作用。磁致伸缩/压电复合材料具有结构简单、制备容易、磁电转换系数大和频带响应宽等优点，在新型智能材料及器件领域有着广泛的应用前景。对磁电复合材料的早期研究大多限于线性磁电效应，即复合磁电材料在弱交变磁场激励下产生磁电效应，当施加一定偏置磁场时，输出的磁电电压幅值与交变磁场的幅值成正比。利用线性磁电效应设计的磁传感器需要一定的偏置磁场使其工作在线性区域，另外施加偏置磁场必须设计额外的磁路结构，增加了器件的体积和性能影响因数。由于磁致伸缩材料具有非线性磁化和非线性磁致伸缩效应，并且磁致伸缩系数与磁场的函数关系呈偶对称的特性，磁致伸缩/压电复合材料在大幅度交变磁场作用下发生非线性磁电效应。参考文献[D.A.Burdin,D.V.Chashin,N.A.Ekonomov,Y.K.Fetisov,andA.A.Stashkevich,High-sensitivitydcfieldmagnetometerusingnonlinearresonancemagnetoelectriceffect,J.Magn.Magn.Mater.405,2016:244-248.]中的模型，具体说明如下：磁致伸缩系数与磁场的简化函数关系模型可用下面的式子表示：λ(H)＝λs[1-exp(-αH2)]其中，λs为饱和磁致伸缩系数，α为常系数，量纲为[Oe-2]，H为作用在磁电敏感单元的磁场可以进一步表示为：H(t)＝H0+hcos(2πf0t)其中，h为施加激励磁场的幅度值，f0为激励磁场的频率；H0为外部待测磁场，可以为动态磁场也可以为静态磁场。磁致伸缩材料在磁场作用下产生的磁致伸缩应力/应变通过层间耦合传递至压电层，从而，单个磁电敏感单元的磁电电压可以表示为：u(t)＝u[H(t)]＝Ad31λ[H(t)]其中，A为常数，与磁致伸缩材料和压电材料的几何参数、性能参数和两相材料之间的耦合系数有关；d31为压电层的压电系数。在H0附近，对非线性磁电电压ui(t)进行泰勒展开，得到非线性磁电电压的表达式为：其中，为常数项；a1＝2Ad31λsαH0h为1次谐波的幅度值；为2次谐波的幅度值；a3＝(1/2)Ad31λsα2H0h3为3次谐波的幅度值。由此可以看出，磁电复合材料的输出电压是待测磁场H0以及激励磁场hcos(2πf0t)的函数，待测磁场H0被调制到一次谐波、二次谐波、三次谐波及高磁谐波上，通过解调可获得待测磁场H0的值。然而，现有的研究表明，由于磁致伸缩系数的偶对称性，在磁电复合材料在hcos(2πf0t)激励下，输出的偶次谐波具有非常高的幅度值，而待测磁场H0的值需要从奇数次谐波解调。那么问题是：在进行奇数次谐波解调的时候，需要将信号放大，但是偶次谐波分量远大于奇数次谐波分量，影响了放大倍数，而直接进行偶数磁谐波滤除，又会降低信噪比，这导致传感器的信号调理电路很复杂，还可能带来信噪比的恶化。尽管如此，利用非线性磁电效应设计磁传感器，仍然受到关注，因为基于非线性磁电效应设计的磁传感器克服了线性磁电效应需要另外施加偏置磁场的缺点，并且具有更高的精度，能够进一步减小磁电传感器体积，满足高精度、集成化、便携等要求。采用差分传感器结构可以提高信噪比，但是已经报道的差分磁致伸缩/压电复合敏感单元基本都是利用线性磁电效应，都需要另外施加偏置磁场，造成传感器结构复杂、体积增大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出了一种利用180°反相调制非线性磁电效应差分输出的磁传感器。实现本专利技术目的的技术方案为：一种利用180°反相调制非线性磁电效应差分输出的磁传感器，包括180°反相调制差分敏感单元以及传感器电路，所述180°反相调制差分敏感探头包括两个复合磁电敏感探头，所述复合磁电敏感探头由复合磁电敏感单元以及绕制在复合磁电敏感单元外的线圈组成，两组线圈绕制方向相反且串联连接，所述传感器电路包括信号发生模块、放大器、锁相检测模块，所述信号发生模块用于输出两条通道信号，一条通道与分别与两组线圈连接，另一条通道与锁相检测模块连接，所述放大器一端与两个复合磁电敏感探头的输出电极连接，另一端与锁相检测模块连接。优选地，所述两个复合磁电敏感单元的电极串联连接，且两个电极的极化方向相反。优选地，所述信号发生模块与两组线圈连接的通道用于产生频率为f0的动态电压或电流信号，与锁相检测模块连接的通道用于产生频率为f0或3f0的奇次谐波电压信号。优选地，所述两个复合磁电敏感单元相同且均由磁致伸缩材料和压电材料按照不同的方式叠层复合而成。优选地，所述磁致伸缩材料为Fe基非晶态合金或FeGaB合金。优选地，所述压电材料为压电陶瓷PZT、AIN。优选地，锁相检测模块为AD630锁相检测模块。本专利技术与现有技术相比，其显著效果为：(1)本专利技术利用180°反相调制双复合磁电敏感单元产生非线性磁电效应，压电层差分输出的方法设计差分敏感探头，抵消非线性磁电效应产生的偶次谐波信号，同时倍增奇次谐波信号，探头本身具有更低的本底噪声，并且为设计高信噪比传感电路提供了便利条件；(2)本专利技术利用180°反相调制双复合磁电敏感单元产生非线性磁电效应，压电层差分输出的方法设计差分敏感探头，能够有效抑制外界的温度噪声和振动噪声，降低了探头本身的本底噪声。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1是利用180°反相调制非线性磁电效应差分输出磁传感器的原理图。图2是磁致伸缩/压电复合磁电敏感单元典型结构及边界固定方式。图3是本专利技术实施例含有绕制线圈磁电复合敏感单元结构示意图。图4是本专利技术实施例一种180°反相调制非线性磁电效应、双敏感单元平行放置差分结构示意图。图5是本专利技术实施例单个复合磁电敏感单元和差分敏感探头1次谐波解调出的磁电电压随外部静态磁场变化特性曲线对比。图6是本专利技术实施例单个复合磁电敏感单元和差分敏感探头1次谐波解调输出信号随1Hz动态待测磁场幅度变化曲线。图7是本专利技术实施例信号幅度随待测磁场幅度值的变化曲线。图中标记：1为复合磁电敏感单元，11为磁致伸缩材料，12为压电材料；2为PCB电路板，21为焊接孔，22为横梁；3为封装外壳；4为激励线圈，5为底座；A、B为复合磁电敏感探头。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用180°反相调制非线性磁电效应差分输出的磁传感器，其特征在于，包括180°反相调制差分敏感探头以及传感器电路，所述180°反相调制差分敏感探头包括两个复合磁电敏感探头，所述复合磁电敏感探头由复合磁电敏感单元以及绕制在复合磁电敏感单元外的线圈组成，两组线圈绕制方向相反且串联连接，所述传感器电路包括信号发生模块、放大器、锁相检测模块，所述信号发生模块用于输出两条通道信号，一条通道与分别与两组线圈连接，另一条通道与锁相检测模块连接，所述放大器一端与两个复合磁电敏感探头的输出电极连接，另一端与锁相检测模块连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用180°反相调制非线性磁电效应差分输出的磁传感器，其特征在于，包括180°反相调制差分敏感探头以及传感器电路，所述180°反相调制差分敏感探头包括两个复合磁电敏感探头，所述复合磁电敏感探头由复合磁电敏感单元以及绕制在复合磁电敏感单元外的线圈组成，两组线圈绕制方向相反且串联连接，所述传感器电路包括信号发生模块、放大器、锁相检测模块，所述信号发生模块用于输出两条通道信号，一条通道与分别与两组线圈连接，另一条通道与锁相检测模块连接，所述放大器一端与两个复合磁电敏感探头的输出电极连接，另一端与锁相检测模块连接。


2.根据权利要求1所述的利用180°反相调制非线性磁电效应差分输出的磁传感器，其特征在于，所述两个复合磁电敏感单元的电极串联连接，且两个电极的极化方向相反。


3.根据权利要求1所述的利用180°反相调制非线性磁电效应差分输出的磁传感器，其特征在于，所...

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