非晶丝磁阻抗传感器以及基于非晶丝磁阻抗效应的磁场探测方法技术

本发明专利技术提供了一种非晶丝磁阻抗传感器，包括：非晶丝；信号采样线圈，缠绕在非晶丝上，用于检测外部磁场信息；激励电路，用于直接向非晶丝提供激励信号；和信号采集与处理电路，采集信号采样线圈输出的电压信号并对其进行处理，从而输出直流电压信号，其中，还包括直流偏置电压电路，直接与非晶丝连接，用于给非晶丝提供直流偏置电压，从而增强环形磁畴在圆周方向上的磁化，使得圆周磁导率增加，而且也使得非晶丝环形磁畴的指向趋于一致。通过采取直流偏置电压电路的方法能够显著增强非晶丝的磁阻抗效应，大大提高磁场测量的灵敏度，从而能够感测到更微弱的磁场变化。本发明专利技术还提供了一种基于非晶丝磁阻抗效应的磁场探测方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于弱磁场测量
，本专利技术涉及一种磁场传感器和一种磁场探测方法，具体涉及一种非晶丝磁阻抗(Magneto Impedance，简写为MI)传感器以及一种基于非晶丝磁阻抗效应的磁场探测方法。
技术介绍
磁场测量在生产科研各领域是一个重要问题。随着微电子技术的迅速发展，在国防、汽车电子、机器人技术、生物工程、自动化控制等领域需要一些微型或小型的、高性能、高灵敏度且响应速度快的磁场传感器来检测相关参数，例如磁场信息、转速、位移等等。目前，常规的磁场传感器有：霍尔效应(Hall)磁场传感器、各向异性磁电阻(AMR)磁场传感器、巨磁电阻(GMR)磁场传感器、磁通门(Fluxgate)传感器等等。但是，上述磁场传感器都有一定的缺陷。例如，霍尔效应磁场传感器虽然是目前应用最为广泛的磁场传感器，但其输出信号变化小，灵敏度低，测量磁场时还有一定的磁场方向各向异性，适用于中强磁场测量；各向异性磁电阻(AMR)磁场传感器的磁阻变化率大小只有2％-4％，其磁场灵敏度小于1％/Oe，制造设备复杂；巨磁电阻(GMR)传感器的磁阻变化率虽然可以达到80％以上，可获得较高信号输出，但其磁场灵敏度仍然较低；磁通门传感器对线圈绕制的要求特别精确，信号处理要求较高。而且上述传感器的电路太过复杂，成本较高。在较高要求的应用领域中，尤其在智能交通、水陆交通流量监测、车型与船型检测、车辆间隔与车速检测、车位及泊位检测与引导等通过探测磁场扰动的变化实现报警与信息监控的场合、公共安全防范、隐蔽性周界的建立、航空、航天、航海领域等场合下，上述磁场传感器由于磁场探测分辨率低、探测距离近、响应速度慢、体积大、功耗高、温度稳定性差、方向性差、布线繁琐、或维护困难而不能满足实际应用对微弱磁场快速测定的要求。磁阻抗效应是1992年在非晶丝中发现的。磁阻抗效应(Magneto-Impedance，简称MI)是指材料在高频交变电流的激励下，交流阻抗随外加磁场强度的变化而迅速变化的现象。利用磁阻抗效应的高敏感性，即在微小的磁场变化下就会产生很大的交流阻抗变化，通过探测材料的阻抗变化可以得知外界磁场的微弱变化，进而得出所需的检测信息。高精度、高性能的传感器制备要以质量优异、性能卓越的传感器材料为基础，非晶态材料是目前发现的微磁敏感性能最好的材料之一，在磁阻抗传感器的应用中具有得天独厚的优势。随着新型软磁材料——非晶合金的开发成功，促进了磁阻抗传感器的大发展，为各种磁阻抗传感器的微小型、轻量化、高性能化提供了基础条件。非晶丝磁阻抗传感器的工作原理是：利用非晶丝的磁阻抗效应，通过对非晶丝施以一定频率的激励，使非晶丝成为磁阻抗变化的载体。当外部磁场发生变化时，非晶丝的磁阻抗也随之变化，绕在非晶丝上的信号采样线圈随即感应出相应的电压信号。由此，该电压信号就与此时外部磁场的强弱形成了明确的对应关系。通过测量此电压信号，就可以测量外部磁场的强弱和大小。-->但是，目前已有的利用非晶丝磁阻抗技术的磁阻抗传感器存在许多问题，例如，使用脉冲信号作为激励信号，这种信号对电路存在冲击，噪音大，可选激励信号波形种类有限。而且，现有技术的非晶丝磁阻抗传感器通过对缠绕在非晶丝上的线圈通电而对非晶丝施加偏置磁场，这种偏置磁场会对测量磁场产生影响，由于这种偏置磁场施加于非晶丝的轴向，会阻止环形磁畴的圆周方向磁化，在一定程度上阻碍了磁场测量灵敏度的提高，削弱了非晶丝的磁阻抗效应。此外，为了对采样信号进行放大，通常会在信号处理电路中设置放大电路，这不仅增加了电路的复杂性和传感器的成本，而且放大效果也不理想。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术人根据非晶丝磁阻抗效应，通过采用改善非晶丝磁阻抗传感器的结构、改进非晶丝磁阻抗传感器的激励方法、设计施加于非晶丝上的直流偏置电压电路、设计增强有效信号的并联谐振电路、改进提高测量线性度的负反馈电路等技术手段，专利技术了一种结构简单、探测距离远、分辨精度高、响应快速、体积微小、温度稳定范围大、低能耗、智能化、布线简单、维护简单的非晶丝磁阻抗传感器以及基于非晶丝磁阻抗效应的磁场探测方法。本专利技术的第一个目的是提供了一种非晶丝磁阻抗传感器，包括：非晶丝；信号采样线圈，缠绕在非晶丝上，用于检测外部磁场信息；激励电路，用于直接向非晶丝提供激励信号；和信号采集与处理电路，采集信号采样线圈输出的电压信号并对其进行处理，从而输出直流电压信号，其中，还包括直流偏置电压电路，直接与非晶丝连接，用于给非晶丝提供直流偏置电压，从而增强环形磁畴在圆周方向上的磁化，使得圆周磁导率增加，而且也使得非晶丝环形磁畴的指向趋于一致。通过采取外加偏置电压电路的方法能够显著增强非晶丝的磁阻抗效应，大大提高磁场测量的灵敏度，从而能够感测到更微弱的磁场变化。而且，直流偏置电压电路由第一电感(L1)和第一电阻(R1)串联组成。绕制在非晶丝上的线圈还包括负反馈线圈，负反馈线圈的一端接地，另一端串联第二电感(L2)和可调电阻(W1)，与信号采集与处理电路的输出端联接，从而共同构成负反馈回路。本专利技术的第二个目的是激励信号包括方波信号、正弦波信号、锯齿波信号或电噪声信号。激励电路包括可编程振荡器，可编程振荡器与非晶丝之间通过第二电阻(R2)相联接。本专利技术的第三个目的是该非晶丝磁阻抗传感器还包括并联谐振电路由电容(C1)与信号采样线圈并联组成，不仅可以选择出有效电压信号，还可以对所选的有效电压信号进行放大。本专利技术的另一个目的是提供一种基于非晶丝磁阻抗效应的磁场探测方法，包括：在非晶丝上缠绕信号采样线圈，用于检测外部磁场信息；直接向非晶丝提供激励信号；和采集信号采样线圈输出的电压信号并对其进行处理，从而输出直流电压信号，该方法还包括直接给非晶丝提供直流偏置电压，从而增强环形磁畴在圆周方向上的磁化，使得圆周磁导率增加，而且也使得非晶丝环形磁畴的指向趋于一致。本专利技术提供的非晶丝磁阻抗传感器和基于非晶丝磁阻抗效应的磁场探测方法具有结构简单、探测距离远、分辨精度高、响应快速、体积微小、温度稳定范围大、低能耗、智能化、布线简单、维护简单的优点，可以用于智能交通、水陆交通流量监测、车型与船型检测、-->车辆间隔与车速检测、车位及泊位检测与引导等通过探测磁场扰动的变化实现报警与信息监控的场合、公共安全防范、隐蔽性周界的建立、航空、航天、航海领域等场合。附图说明图1是非晶丝表面的磁畴结构原理图；图2是非晶丝材料的磁化曲线；图3是非晶丝磁阻抗效应原理图；图4是本专利技术的非晶丝磁阻抗传感器在不同激励信号下的输出电压与测量磁场的关系；图5是本专利技术的非晶丝磁阻抗传感器的一个实施例的结构框图；图6是本专利技术的非晶丝磁阻抗传感器的另一个实施例的结构框图；图7是本专利技术的非晶丝磁阻抗传感器的又一个实施例的结构框图；；图8是本专利技术的非晶丝磁阻抗传感器的优选实施例的结构框图；具体实施方式非晶态材料是一种结构不同于传统晶态材料的新型材料，其结构上的显著特征是原子排列短程有序而长程无序，即非晶态材料的是原子排列只在原子的最近邻距离和次近邻距离的范围内有一定的有序性，而在次近邻距离以外的范围内无序。非晶材料的原子排列可以认为是杂乱无章的，而传统的晶态材料总是存在晶粒，存在原子排列的有序性。原子排列的有序性会造成结构和性能的各向异性，而原子的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非晶丝磁阻抗传感器，包括：非晶丝；信号采样线圈，缠绕在非晶丝上，用于检测外部磁场信息；激励电路，用于直接向非晶丝提供激励信号；和信号采集与处理电路，采集信号采样线圈输出的电压信号并对其进行处理，从而输出直流电压信号，其特征在于，还包括直流偏置电压电路，直接与非晶丝连接，用于给非晶丝提供直流偏置电压，从而增强环形磁畴在圆周方向上的磁化，使得圆周磁导率增加，而且也使得非晶丝环形磁畴的指向趋于一致。

【技术特征摘要】
1.一种非晶丝磁阻抗传感器，包括：非晶丝；信号采样线圈，缠绕在非晶丝上，用于检测外部磁场信息；激励电路，用于直接向非晶丝提供激励信号；和信号采集与处理电路，采集信号采样线圈输出的电压信号并对其进行处理，从而输出直流电压信号，其特征在于，还包括直流偏置电压电路，直接与非晶丝连接，用于给非晶丝提供直流偏置电压，从而增强环形磁畴在圆周方向上的磁化，使得圆周磁导率增加，而且也使得非晶丝环形磁畴的指向趋于一致。2.根据权利要求1所述的非晶丝磁阻抗传感器，其特征在于直流偏置电压电路由第一电感(L1)和第一电阻(R1)串联组成。3.根据权利要求1或2所述的非晶丝磁阻抗传感器，其特征在于激励信号包括方波信号、正弦波信号、锯齿波信号或电噪声信号。4.根据权利要求1-3任一项所述的非晶丝磁阻抗传感器，其特征在于激励电路包括可编程振荡器，可编程振荡器与非晶丝之间通过第二电阻(R2)相联接。5.根据权利要求1-4的非晶丝磁阻抗传感器，其特征在于绕制在非晶丝上的线圈还包括负反馈线圈，负反馈线圈的一端接地，另一端串联第二电感(L2)和可调电阻(W1)，与信号采集与处理电路的输出端联接，从而共同构成负反馈回路。...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩喜萍，
申请(专利权)人：石家庄吉纳科技有限公司，
类型：发明
国别省市：13[中国|河北]