一种基于巨磁阻抗相位响应的磁传感器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种基于巨磁阻抗相位响应的磁传感器，通过信号发生器向移相器与稳流电路输出正弦信号；其中，稳流电路对正弦信号进行调制，得到稳定的交流电流提供给敏感元件；通过前置放大器对敏感元件输出电压信号放大，作为测试信号；移相器对正弦信号进行相位调节，作为基准信号；通过相位测量器对基准信号和测试信号进行测量，向输出反映基准信号与测试信号相位差的直流电压信号，输出至低通滤波器消除噪声，并输出至差分放大器；差分放大器根据参考电压源提供的参考电压与直流电压信号进行差分运算并进行放大，得到磁传感器的输出电压信号。本实用新型专利技术磁传感器结构简单，成本低廉，稳定性好，实现对磁场的快速准确测量。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

—种基于巨磁阻抗相位响应的磁传感器
技术介绍
本技术涉及磁传感器领域，是一种基于巨磁阻抗效应(GMI)的相位响应的弱磁测量装置，具体来说，是一种基于巨磁阻抗相位响应的磁传感器。
技术介绍
弱磁探测技术在军事、资源勘探、科学研究等领域有广泛的应用，尤其是军事领域的需求推动弱磁探测突飞猛进的发展。目前弱磁探测中常用的弱磁测量仪器主要有磁通门传感器、霍尔元件和超导量子干涉仪等，但分别存在响应速度低、温度稳定性差及价格昂贵等主要问题，不能完全满足现有信息技术发展对传感器的要求。而基于非晶丝GMI效应的传感器在室温下就可以得到相当大的磁阻抗效应，并且具有高灵敏度、快速响应、无磁滞、温度稳定性好等优点，因此在GMI效应被发现的二十几年来得到极大的重视。 目前，巨磁阻抗磁传感器的研究主要集中在三个方面磁传感器电路的改进。日本的K. Mohri最先发现GMI效应，并最先设计了科比茨(Colpitts)振荡电路，该电路在GMI传感器的开发与研究中被广泛使用。GMI变化率主要是外磁场Hex和驱动电流频率f的函数，但当两者都变化时，无法保证非经材料的阻抗值Z变化是有规律的，而且振荡频率f为高频(15 400MHz)时，与其他元件相耦合产生较大的噪声，测量范围小。而后Mohri又设计以脉冲电流代替高频电流驱动GMI传感器并且加入负反馈，从而改善了电压输出特性、频率特性和消除磁滞现象。利用该电路组成的GMI磁传感器，灵敏度可达200mV/0e。国内江苏大学鲍丙豪等人采用窄脉冲电流的激励方式改进传感器，增大了可检测的线性磁场范围，提高了灵敏度。磁敏感元件I的性能的提高和结构设计。这一部分又有三个方向，一是设计Co基非晶丝或者非晶带的结构，如吉林大学的韩冰等人设计的阵列式和螺旋式双探头结构；二是提高磁敏感元件I的性能，主要是研究退火、偏置磁场、偏置电流和外加应力等因素对非晶材料性能的影响，都不同程度的提高了 GMI材料的阻抗比。三是GMI薄膜的设计，日本的Yahukami 等人利用敏感兀件 I [CoNbZrCO. 5 μ m)/Cr (IOcm) /CoNbZr (O. 5 μ m) : 5mm 长，50 μ m宽]设计了一种高频载波型磁传感器，将磁传感器的分辨率提高到IOpT左右。巴西伯南布哥州联邦大学从事相关方面研究的E Costa Silva等人考虑了非晶材料的阻抗相位随微弱磁场变化响应的特性，结果发现在大概IOOKHz时就有很明显的相位变化，降低了 GMI效应对激励频率的要求，为GMI磁传感器的研究提出了一个新的思路。目前，在国内还没有开始进行相关研究。
技术实现思路
为了解决上述问题，本技术在对GMI效应相位响应的研究基础上，提供一种磁传感器，具备GMI效应幅值响应的可微型化、快速响应、无磁滞的优势外，将激励频率降低了 Γ2个数量级，同时具有提高GMI磁传感器灵敏度的潜力，对于弱磁测量领域的研究具有重大意义。本技术一种基于巨磁阻抗相位响应的磁传感器，包括敏感元件、信号发生器、稳流电路、前置放大器、移相器、相位测量器、低通滤波器、差分放大器以及参考电压源；其中，信号发生器用来向移相器与稳流电路输出正弦信号；稳流电路用来对信号发生器输出的正弦信号幅值进行调制，得到输出频率、幅值稳定的交流电流输出至敏感元件；前置放大器用来对敏感元件两端输出电压信号进行放大，经放大后的敏感元件两端输出电压信号作为测试信号；移相器用来调节信号发生器输出的正弦信号相位，作为基准信号，使基准信号与测试信号间的相位差始终稳定在相位测量信号的线性工作区间；相位测量器对基准信号和测试信号进行测量，向低通滤波器输出反映两路信号相位差的直流电压信号；低通滤波器用来消除相位测量电路输出的直流电压信号的噪声；参考电压源用来向差分放大器提供稳定的参考电压；差分放大器采用为高精度低噪声放大器，将参考电压与经低通滤波器输出的消除噪声后的直流电压信号进行差分运算并进行放大，得到磁传感器的输出电压信号。本技术的优点在于I、本技术磁传感器利用GMI效应的相位效应制成，使磁传感器能够探测微弱直流磁场；2、本技术磁传感器激励磁场相对于GMI幅值响应的传感器降低了 Γ2个数量级；3、本技术磁传感器具备GMI效应幅值响应的可微型化、快速响应且无磁滞；4、本技术磁传感器结构简单，成本低廉，稳定性好，并且其灵敏度还有很大的提高空间，实现了对磁场的快速准确测量，对于弱磁测量领域的研究具有重大意义。附图说明图I是本技术的电路原理图。图2是H-P (磁场-相位)转化曲线。图中I-敏感元件 2-信号发生器 3-稳流电路 4-前置放大器5-移相器 6-相位测量器 7-低通滤波器8-差分放大器9-参考电压源具体实施方式以下结合附图对本专利技术作出进一步说明。本技术是一种基于巨磁阻抗相位响应的磁传感器，包括敏感元件I、信号发生器2、稳流电路3、前置放大器4、移相器5、相位测量器6、低通滤波器7、差分放大器8以及参考电压源9，如图I所示，信号发生器2的输出端分别与稳流电路3、移相器5的输入端相连；稳流电路3的输出端与前置放大器4的输入端相连；前置放大器4、移相器5的输出端均与相位测量器6的输入端相连。相位测量器6的输出端与低通滤波器7的输入端相连；低通滤波器7的输出端与差分放大器8的输入端相连；差分放大器8的输入端还与参考电压源9的输出端相连。所述敏感元件I接地，采用磁场退火的热处理方式进行处理后的钴基非晶丝，敏感元件I 一端接地，另一端与稳流电路3的输出端以及前置放大器4的输入端相连。上述信号发生器2用来向移相器5与稳流电路3两路输出激励频率在IOKHz 20MHz范围内可调的稳定正弦信号。稳流电路3用来对信号发生器2输出的正弦信号幅值进行调制，得到输出频率、幅值稳定的交流电流，实现回路中的电流控制，为敏感元件I提供稳定的电流激励。稳流电路3将稳定的交流电流输出至敏感元件I。前置放大器用来对敏感元件I两端输出电压信号进行放大，经放大后的敏感元件I两端输出电压信号作为测试信号输出至相位测量器6中。移相器5用来调节信号发生器2输出的正弦信号相位，作为基准信号，输出至相位测量器6中。通过移相器5使基准信号与测试信号间的相位差始终稳定在相位测量信号的线性工作区间。相位测量器6采用单片集成芯片对基准信号和测试信号进行测量，直接向低通滤波器7输出反映两路信号相位差的直流电压信号。低通滤波器7为RC有源巴特沃思低通滤波器7，用来消除相位测量电路输出的直流电压信号的噪声，并输出至差分放大器8，低通滤波器7使直流电压信号更加稳定。参考电压源9用来向差分放大器8提供稳定的参考电压。差分放大器8采用为高精度低噪声放大器，将参考电压与经低通滤波器7输出的消除噪声后的直流电压信号进行差分运算并进行放大，最终得到磁传感器的输出电压信号Vwt。当外部磁场为零时，通过差分放大器8进行差分运算后得到的磁传感器输出电压信号Vout为零。当外部磁场不为零时，通过差分放大器8进行差分运算后得到的磁传感器输出电压信号Vrat即为外部磁场的电压信号。由此通过本技术磁传感器，在外磁场变化造成敏感元件I阻抗变化时，可保证敏感元件I两端的电压和通过的电流恒定，实现了用电压信息反映敏感元件I的阻抗变本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于巨磁阻抗相位响应的磁传感器，其特征在于：包括敏感元件、信号发生器、稳流电路、前置放大器、移相器、相位测量器、低通滤波器、差分放大器以及参考电压源；其中，信号发生器用来向移相器与稳流电路输出正弦信号；稳流电路用来对信号发生器输出的正弦信号幅值进行调制，得到输出频率、幅值稳定的交流电流输出至敏感元件；前置放大器用来对敏感元件两端输出电压信号进行放大，经放大后的敏感元件两端输出电压信号作为测试信号；移相器用来调节信号发生器输出的正弦信号相位，作为基准信号，使基准信号与测试信号间的相位差始终稳定在相位测量信号的线性工作区间；相位测量器对基准信号和测试信号进行测量，向低通滤波器输出反映两路信号相位差的直流电压信号；低通滤波器用来消除相位测量电路输出的直流电压信号的噪声；参考电压源用来向差分放大器提供稳定的参考电压；差分放大器采用为高精度低噪声放大器，将参考电压与经低通滤波器输出的消除噪声后的直流电压信号进行差分运算并进行放大，得到磁传感器的输出电压信号。

【技术特征摘要】
1.一种基于巨磁阻抗相位响应的磁传感器，其特征在于包括敏感兀件、信号发生器、稳流电路、前置放大器、移相器、相位测量器、低通滤波器、差分放大器以及参考电压源； 其中，信号发生器用来向移相器与稳流电路输出正弦信号； 稳流电路用来对信号发生器输出的正弦信号幅值进行调制，得到输出频率、幅值稳定的交流电流输出至敏感元件； 前置放大器用来对敏感元件两端输出电压信号进行放大，经放大后的敏感元件两端输出电压信号作为测试信号； 移相器用来调节信号发生器输出的正弦信号相位，作为基准信号，使基准信号与测试信号间的相位差始终稳定在相位测量信号的线性工作区间； 相位测量器对基准信号和测试信号进行测量，向低通滤波器...

【专利技术属性】
技术研发人员：王三胜，宁晓帅，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：实用新型
国别省市：