本发明专利技术涉及一种基于巨磁电阻效应的测量磁场方向和强度的传感器，属于磁场测量技术领域。本传感器，包括：用于测量X方向上的磁场分量的X传感单元以及用于测量Y方向上的磁场分量的Y传感单元。每个传感单元采用两级电桥结构，第一级电桥采用相同的恒压电源供电，第二级电桥采用第一级电桥的输出为其供电，第一级输出为所测磁场产生的电压，第二级输出为所测磁场产生的电压的平方。本发明专利技术传感器适用于未知磁场的强度和方向的测量，既能够应用于地磁场，输电线路和变电站处磁场等各类磁场测量中，也可以用于电力系统中和电子系统中的电流测量，且体积小，响应速度快、灵敏度高，极大地提高了传感器的测量频率范围和响应速度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于巨磁电阻效应的测量磁场方向和强度的传感器，属于磁场测 量
技术介绍
在输电线路和变电站内，正常工作电流、短路电流和冲击电流会在周围空间产生 非常强的磁场。对之进行测量的关键部件就是磁场传感器。该传感器不仅要能够耐受强电 场环境，而且要具有相当的灵敏度，能够测量出磁场的大小和方向。传统的磁场测量一般采用电磁感应原理的磁场传感器。新型的磁场传感器主要有 Hall传感器，光纤传感器和巨磁电阻传感器。无论是传统的电磁感应式磁场传感器还是新 型的磁场传感器，都只能感知某一方向上的磁场大小，对于方向未知的磁场不能直接测量 出其大小和方向。其中，巨磁电阻传感器是一种体积小、频率响应宽、灵敏度高、成本低廉的磁场传 感器，其常规电桥结构如图1所示。但是常规电桥结构不能测量磁场的方向，因此迫切需要 研究一种可同时测量磁场方向和强度的新结构。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种基于巨磁电阻效应的测量磁场方向和强度的传感器。改 变常规的磁场传感器的结构，利用巨磁电阻材料对于不同方向磁场的灵敏度的变化规律测 出磁场的方向和强度，以用于地磁场，输电线路和变电站处磁场等各类磁场测量中，以及用 于电力系统中和电子系统中的电流测量。本专利技术提出的基于巨磁电阻效应的测量磁场方向和强度的传感器，包括X传感单元，用于测量X方向上的磁场分量，X传感单元由第一电桥和第二电桥组 成，所述的第一电桥由第一巨磁电阻、第一屏蔽电阻、第二巨磁电阻和第二屏蔽电阻组成， 所述的第一巨磁电阻、第一屏蔽电阻、第二巨磁电阻和第二屏蔽电阻首尾相接后形成电桥 结构，所述的第一巨磁电阻和第二屏蔽电阻的连接端为第一电桥的正输入端，第二巨磁电 阻和第一屏蔽电阻的连接端为第一电桥的负输入端，第一巨磁电阻和第一屏蔽电阻的连接 端为第一电桥的负输出端，第二巨磁电阻和第二屏蔽电阻的连接端为第一电桥的正输出 端；所述的第二电桥由第三巨磁电阻、第三屏蔽电阻、第四巨磁电阻和第四屏蔽电阻组成， 所述的第三巨磁电阻、第三屏蔽电阻、第四巨磁电阻和第四屏蔽电阻首尾相接后形成电桥 结构，所述的第三巨磁电阻和第四屏蔽电阻的连接端为第二电桥的正输入端，第四巨磁电 阻和第三屏蔽电阻的连接端为第二电桥的负输入端，第三巨磁电阻和第三屏蔽电阻的连接 端为第二电桥的负输出端，第四巨磁电阻和第四屏蔽电阻的连接端为第二电桥的正输出 端；所述的第一电桥的正输出端与第二电桥的正输入端相连，第一电桥的负输出端与第二 电桥的负输入端相连；Y传感单元，用于测量Y方向上的磁场分量，Y传感单元由第三电桥和第四电桥组成，所述的第三电桥由第五巨磁电阻、第五屏蔽电阻、第六巨磁电阻和第六屏蔽电阻组成， 所述的第五巨磁电阻、第五屏蔽电阻、第六巨磁电阻和第六屏蔽电阻首尾相接后形成电桥 结构，所述的第五巨磁电阻和第六屏蔽电阻的连接端为第三电桥的正输入端，第六巨磁电 阻和第五屏蔽电阻的连接端为第三电桥的负输入端，第五巨磁电阻和第五屏蔽电阻的连接 端为第三电桥的负输出端，第六巨磁电阻和第六屏蔽电阻的连接端为第三电桥的正输出 端；所述的第四电桥由第七巨磁电阻、第七屏蔽电阻、第八巨磁电阻和第八屏蔽电阻组成， 所述的第四电桥由第七巨磁电阻、第七屏蔽电阻、第八巨磁电阻和第八屏蔽电阻首尾相接 后形成电桥结构，所述的第七巨磁电阻和第八屏蔽电阻的连接端为第四电桥的正输入端， 第八巨磁电阻和第七屏蔽电阻的连接端为第四级电桥的负输入端，第七巨磁电阻和第七屏 蔽电阻的连接端为第四电桥的负输出端，第八巨磁电阻和第八屏蔽电阻的连接端为第四电 桥的正输出端；所述的第三电桥的正输出端与第四电桥的正输入端相连，第三电桥的负输 出端与第四电桥的负输入端相连；X传感单元的第一电桥的正输入端与Y传感单元的第三电桥的正输入端为同一电 源的正极，X传感单元的第一电桥的负输入端与Y传感单元的第三电桥的负输入端为同一 电源的负极。本专利技术提出的基于巨磁电阻效应的测量磁场方向和强度的传感器，适用于方向未 知磁场的强度和方向的测量，既能够应用于地磁场，输电线路和变电站处磁场等各类磁场 测量中，也可以用于电力系统中和电子系统中的电流测量。本传感器尺寸较小，适用于磁场 的体外测量和分布式测量。本磁场传感器使用的正交测量结构能够同时测量磁场的强度和 方向，并且在传感器的方向在发生较大变化时，依然能够保证稳定的输出电压，大大提高了 测量的稳定性。该传感器使用巨磁电阻材料，其响应速度快、灵敏度高，极大地提高了传感 器的测量频率范围和响应速度。附图说明图1为常规的巨磁电阻磁场传感器的电桥结构示意图。图2是本专利技术提出的基于巨磁电阻效应的测量磁场方向和强度的传感器的电路 结构示意图。图3是本专利技术提出的磁场传感器的测量原理示意图。图1-图3中，1、3分别为常规电桥结构中的第一，第二巨磁电阻，2、4分别为常规 电桥结构中的第一，第二屏蔽电阻，5和6分别为电桥的正输入端和负输入端，7和8分别为 电桥的正输出端和负输出端。9为X传感单元，10为Y传感单元；其中，I X1，Rx2，Rx3，^i4分 别为X传感单元内的第一，第二，第三和第四巨磁电阻，Rsxl, Rsx2, RSX3' Kx4分别为X传感单 元内的第一，第二，第三和第四屏蔽电阻；RY1，RY2，RY3，RY4分别为Y传感单元内的第五，第六， 第七和第八巨磁电阻，RSY1, Rsy2, Rsy3，Rsw分别为Y传感单元内的第五，第六，第七和第八屏 蔽电阻；Vcc为电源正极，GND为电源负极；U1+和U1-分别为X传感器单元的第一电桥的正 输出端和负输出端，U12+和U12-分别为X传感器单元的第二电桥的正输出端和负输出端；U2+ 和U2_分别为Y传感器单元的第三电桥的正输出端和负输出端，U22+和U22_分别为Y传感器 单元的第四电桥的正输出端和负输出端。U1为X敏感轴上的磁场信号，U2为Y敏感轴上的 磁场信号，U为平面内的合成磁场信号。具体实施例方式本专利技术提出的基于巨磁电阻效应的测量磁场方向和强度的传感器，其结构如图2 所示，包括X传感单元9，用于测量X方向上的磁场分量，X传感单元由第一电桥和第二电桥组 成，所述的第一电桥由第一巨磁电阻1^、第一屏蔽电阻、第二巨磁电阻Rx2和第二屏蔽电 阻I^2组成，所述的第一巨磁电阻K1、第一屏蔽电阻、第二巨磁电阻Rx2和第二屏蔽电阻 Rsx2首尾相接后形成电桥结构，所述的第一巨磁电阻&和第二屏蔽电阻I^2的连接端为第 一电桥的正输入端Vcc，第二巨磁电阻Rx2和第一屏蔽电阻Iisxi的连接端为第一电桥的负输 入端GND，第一巨磁电阻和第一屏蔽电阻I S)a的连接端为第一电桥的负输出端U1-，第二 巨磁电阻Rx2和第二屏蔽电阻的连接端为第一电桥的正输出端U1+ ；所述的第二电桥由 第三巨磁电阻Rx3、第三屏蔽电阻、第四巨磁电阻R5i4和第四屏蔽电阻IW组成，所述的第 三巨磁电阻Rx3、第三屏蔽电阻、第四巨磁电阻Ι Χ4和第四屏蔽电阻I 首尾相接后形成 电桥结构，所述的第三巨磁电阻Rx3和第四屏蔽电阻的连接端为第二电桥的正输入端， 第四巨磁电阻Rx4和第三屏蔽电阻的连接端为第二电桥的负输入端，第三巨磁电阻Ι Χ3 和第三屏蔽电阻的连接端为第二电桥的负输出端U1L第四巨磁电阻R本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种基于巨磁电阻效应的测量磁场方向和强度的传感器，其特征在于该传感器包括：Ｘ传感单元，用于测量Ｘ方向上的磁场分量，Ｘ传感单元由第一电桥和第二电桥组成，所述的第一电桥由第一巨磁电阻、第一屏蔽电阻、第二巨磁电阻和第二屏蔽电阻组成，所述的第一巨磁电阻、第一屏蔽电阻、第二巨磁电阻和第二屏蔽电阻首尾相接后形成电桥结构，所述的第一巨磁电阻和第二屏蔽电阻的连接端为第一电桥的正输入端，第二巨磁电阻和第一屏蔽电阻的连接端为第一电桥的负输入端，第一巨磁电阻和第一屏蔽电阻的连接端为第一电桥的负输出端，第二巨磁电阻和第二屏蔽电阻的连接端为第一电桥的正输出端；所述的第二电桥由第三巨磁电阻、第三屏蔽电阻、第四巨磁电阻和第四屏蔽电阻组成，所述的第三巨磁电阻、第三屏蔽电阻、第四巨磁电阻和第四屏蔽电阻首尾相接后形成电桥结构，所述的第三巨磁电阻和第四屏蔽电阻的连接端为第二电桥的正输入端，第四巨磁电阻和第三屏蔽电阻的连接端为第二电桥的负输入端，第三巨磁电阻和第三屏蔽电阻的连接端为第二电桥的负输出端，第四巨磁电阻和第四屏蔽电阻的连接端为第二电桥的正输出端；所述的第一电桥的正输出端与第二电桥的正输入端相连，第一电桥的负输出端与第二电桥的负输入端相连；Ｙ传感单元，用于测量Ｙ方向上的磁场分量，Ｙ传感单元由第三电桥和第四电桥组成，所述的第三电桥由第五巨磁电阻、第五屏蔽电阻、第六巨磁电阻和第六屏蔽电阻组成，所述的第五巨磁电阻、第五屏蔽电阻、第六巨磁电阻和第六屏蔽电阻首尾相接后形成电桥结构，所述的第五巨磁电阻和第六屏蔽电阻的连接端为第三电桥的正输入端，第六巨磁电阻和第五屏蔽电阻的连接端为第三电桥的负输入端，第五巨磁电阻和第五屏蔽电阻的连接端为第三电桥的负输出端，第六巨磁电阻和第六屏蔽电阻的连接端为第三电桥的正输出端；所述的第四电桥由第七巨磁电阻、第七屏蔽电阻、第八巨磁电阻和第八屏蔽电阻组成，所述的第四电桥由第七巨磁电阻、第七屏蔽电阻、第八巨磁电阻和第八屏蔽电阻首尾相接后形成电桥结构，所述的第七巨磁电阻和第八屏蔽电阻的连接端为第四电桥的正输入端，第八巨磁电阻和第七屏蔽电阻的连接端为第四级电桥的负输入端，第七巨磁电阻和第七屏蔽电阻的连接端为第四电桥的负输出端，第八巨磁电阻和第八屏蔽电阻的连接端为第四电桥的正输出端；所述的第三电桥的正输出端与第四电桥的正输入端相连，第三电桥的负输出端与第四电桥的负输入端相连；Ｘ传感单元的第一电桥的正输入端与Ｙ传感单元的第三电桥的正输入端为同一电源的正极，Ｘ传感单元的第一电桥的负输入端与Ｙ传感单元的第三电桥的负输入端为同一电源的负极。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：何金良，嵇士杰，胡军，刘俊，欧阳勇，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11
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