一种适用于磁电耦合传感器的微弱直流磁场测量方法技术

本发明专利技术属于微弱磁场探测技术领域，涉及一种基于磁电耦合(ME)传感器的微弱直流磁场测量方法，首先寻找悬臂梁结构磁电耦合传感器的最佳工作点直流偏置磁场H

【技术实现步骤摘要】
一种适用于磁电耦合传感器的微弱直流磁场测量方法


[0001]本专利技术属于微弱磁场探测
，涉及一种基于磁电耦合(ME)传感器的微弱直流磁场测量方法。

技术介绍

[0002]微弱磁场探测在基础和前沿科学(度量衡、物理、化学、宇宙学等)、军事(如航空探潜、地磁制导等)、生物医学(脑磁图、心磁图、脏腑磁图等)、地球物理(地磁模型、地磁异常磁场)、资源勘探(铁矿、金属矿床、地下水、石油等)、无损探伤(飞机机体和轮毂、金属探伤等)等领域都有着广泛应用。目前常用磁传感器主要有霍尔(Hall)效应传感器、各向异性磁电阻(AMR)传感器、巨磁电阻(GMR)传感器、隧道磁电阻(TMR)传感器、巨磁阻抗(GMI)传感器、质子旋进磁力仪(PPM)、光泵原子磁力仪(AMM)、磁通门计(FGM)、感应线圈+磁通门复合式(BFx-coil)、超导量子干涉器件-磁强计(SQUID-MM)等。磁电耦合磁场传感器是近年来的研究热点，其白噪声密度已达到表现出灵敏度高、量程范围大等优点，是最有前途的新一代微弱磁场传感器。该传感器属于磁场敏感型传感器，其灵敏度受尺寸限制较小，有利于小型化。所谓磁电耦合(ME，Magnetoelectric coupling)效应是指表征材料磁学性质的磁化强度M和介电性质的电极化强度P之间存在耦合作用。外加磁场可以改变介质的电极化性质(磁电耦合效应，)，反之亦然。磁电耦合效应可用于磁场探测、能量转换、多态信息存储等。变化的外界磁场H通过磁致伸缩效应引起压磁材料的伸缩；以压磁/压电界面应力σ为媒介，压磁材料将应变传递给压电材料，并引起压电材料的电极化，而感生出电势差V
ME
；通过V
ME
测量值可以推算出磁场H的大小，从而实现对磁场的探测。
[0003]基于磁电耦合效应的微弱磁场传感器是新一代高灵敏度磁场传感器，其高频(数十kHz或数MHz以上)磁场信号测量的白噪声密度已达到的水平，然而由于1/f噪声的影响，其低频(1kHz以下)磁场白噪声密度只有数的量级。对于直流磁场的测量，其白噪声密度更高，一般在以上。因此，适用于超低频和直流微弱磁场探测的磁电耦合传感器的低灵敏度问题亟待解决。
[0004]目前超低频磁场测量的解决方案主要有：(1)结构降频，即增大传感器尺寸或改变悬臂梁共振的模式(由伸缩模式改为弯折模式)。虽然该方法能够降低共振频率，但降频有限，对于超低频的传感器尺寸巨大，不利于实际应用。(2)频率转换技术。利用交流电场或磁场作为调制源使悬臂梁振动，再通过解调被测信号与调制信号，得到低频磁场信号。该方法主要有交流磁场调制和交流电场调制两种。(3)微分杨氏模量技术。将交流磁场施加到压磁材料上，利用压磁材料的杨氏模量E随着外场H变化的特点，通过测量磁电耦合传感器的频率、相位或输出电压幅值的变化，推算出被测磁场。Delta-E方法保留了共振增强效应，并将测量频率降低到很低。
[0005]上述降频方案中频率转换和微分杨氏模量技术已经实现了几赫兹频率的磁场测
量，但直接测量微弱直流磁场仍然十分困难。
[0006]CN201810414093.0公开了一种基于磁致伸缩材料光学腔的精密磁场探测方法及系统，该方法通过利用磁致伸缩材料形成光学腔，进一步将激光频率锁定到光学腔上，从而将微弱磁场的变化转化为激光频率的变化，实现在常温条件下工作的高灵敏度磁场探测。
[0007]CN200610040817.7公开了一种直流磁场传感器，包括磁电元件和感应线圈，所述的磁电元件采用具有磁电效应的材料；所述感应线圈缠绕在磁电元件外部，该感应线圈的两端为传感器输出端。当所述直流磁场传感器被放置在直流磁场中时，由于磁电元件的磁电效应随直流磁场的变化而呈现出一定的规律变化，其磁化状态将随之发生变化，进而导致外部感应线圈的感应电动势发生变化，因此，通过检测外部感应线圈的感应电动势幅值，即可获得被探测直流磁场的大小。
[0008]CN201910923238.4公开了一种直流磁场强度的测试方法，通过横向场激励下磁场传感器的谐振频率来判断直流磁场强度，克服了温度对磁场传感器的影响；而且通过磁场传感器三种不同振动模态下的谐振频率来判断不同强度范围的直流磁场，实现了直流磁场强度的准确测试；又由于磁场传感器上的正、负电极位于压电材料层的同一侧，使得所有的电极及引线均置于磁场传感器的后端，消除了电极对磁场探测信号的干扰与衰减，进一步确保了磁场强度测试的准确性。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于磁电耦合传感器的微弱直流磁场测量方法，具体包括以下步骤：
[0010](1)在一定频率的激励磁场下，通过扫描直流偏置磁场H
dc
的大小，得到悬臂梁结构磁电耦合传感器输出电压V
out
(或磁电耦合系数α
ME
)与H
dc
的关系曲线，取V
out-H
dc
曲线或α
ME-H
dc
曲线的微分，微分曲线的峰值对应的磁场即为最佳偏置磁场H
bias
；
[0011](2)在最佳偏置磁场H
bias
的条件下，不断改变交流激发磁场频率测量V
out
或α
ME
的大小，其峰值对应的频率即为共振频率f
r
；
[0012](3)根据步骤(1)和(2)确定最佳工作点H
bias
和f
r
，在最佳工作点下，将微扰偏置直流磁场作为定标磁场叠加到H
bias
，使传感器工作点偏离最佳工作状态，但仍在最佳工作状态附近；这样，增大或减小微扰偏置直流磁场传感器的输出电压均逐渐靠近最佳工作点时的电压(V
ME
)
max
；对于很小的电压差正比于即
[0013](4)不断缩小的值，通过锁相放大技术精确测量出随时间变化的台阶图，就可以得到该测量方法和使用该ME传感器作为直流磁场测量元件情况下的直流磁场分辨率和所能测量的直流磁场的最小值；将ΔV和关系曲线拟合定标，即可得到该ME传感器的灵敏度S，用S作为该ME传感器的定标系数，则对于任意待测微小直流磁场Hdc＝ΔV/S，即可给出被测直流磁场的大小。
[0014]本专利技术中，步骤(1)和(2)获得最佳工作点H
bias
和f
r
的方法不分先后，即也可以先得
到f
r
再得到H
bias
。
[0015]本专利技术中，所述悬臂梁结构磁电耦合传感器选自Metglas/PZT传感器、FeGa/PMN-PT传感器、Metglas/PVDF-TrFE传感器中的一种。
[0016]采用本专利技术所述方法测量直流磁场的ME传感器的磁场分辨率优于1nT，可达到600pT，白噪声的功率谱密度PSD在左右，可低至利用输出电压差值ΔV得到的直流磁场直接测量曲线，相应的磁场灵敏度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于磁电耦合传感器的微弱直流磁场测量方法，其特征在于，具体包括以下步骤：(1)在一定频率的激励磁场下，通过改变直流偏置磁场H
dc
的大小，得到悬臂梁结构磁电耦合传感器输出电压V
out
或磁电耦合系数α
ME
与H
dc
的关系曲线，取V
out-H
dc
曲线或α
ME-H
dc
曲线的微分，微分曲线的峰值对应的磁场即为最佳偏置磁场H
bias
；(2)在最佳偏置磁场H
bias
的条件下，不断改变交流激发磁场频率，测量V
out
或α
ME
大小随频率变化的曲线，曲线峰值对应的频率即为共振频率f
r
；(3)根据步骤(1)和(2)确定最佳工作点H
bias
和f
r
，在最佳工作点下，将微扰偏置直流磁场作为定标磁场叠加到H
bias
，使传感器工作点偏离最佳工作状态，但仍在最佳工作状态附近；这样，增大或减小微扰偏置直流磁场传感器的输出电压均逐渐靠近最佳工作点时的电压(V
ME
)
max
；对于很小的电压差电压差正比...

【专利技术属性】
技术研发人员：李山东，李进明，李远哲，黄一聪，金哲俊，宗卫华，曹德让，徐洁，王霞，
申请(专利权)人：青岛大学，
类型：发明
国别省市：