专利名称：非晶合金弱磁场传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于弱磁场测量技术领域，具体涉及一种基于非晶合金的弱磁场 传感器。
背景技术：
磁场测量在生产科研各领域是一个重要问题，现在很多的新技术和新材料都应用到磁场测量的装置上。最常用的磁场传感器有霍尔(Hall)传感器，磁通门 传感器，振动或转动线圈等，但在弱磁场测量中，这些传感器都有一定的缺陷。 霍尔器件输出信号变化�。饬看懦∈被褂幸欢ǖ拇懦》较蚋飨蛞煨裕视糜谥� 强磁场测量；磁通门和检测线圈测磁�。呷Φ娜浦埔筇乇鹁罚叶孕藕� 处理要求较高；而且上述传感器的电路太过复杂，成本较高。与本实用新型相近的现有技术是刊登在《Sensors and Actuators A 59(1997)1-8》上的题目为"Rencent advances of micro magnetic sensors and sensing application"的文章。公开的传感器由退火的CoFeS旧或CoS旧或 CoFeMoS旧等材料的非晶丝(带)或以绕在该非晶丝(带)上的线圈为电感元 件的双稳态振荡电路、整流电路、放大电路等构成。
背景技术：
的多谐振荡电路如图1所示。图1中供电电源为直流正5V， 1、 2 为在非晶带上缠绕的线圈，5、 6为耦合电阻，7、 8为耦合电容，9、 10为开关 三极管，11、 12为平滑电容，13、 14为负载电阻，15为调零电阻。此电路可 通过对a、 b两端电压量(图中a、 b已标出)的测量来测量一10e +10e范围 内的弱磁�。虼苏飧龅缏繁还惴阂糜诳萍嘉南缀陀τ糜诖懦〔饬科骷�。具体工作方式是:接通+5V供电电源时，由于多谐振荡桥路中各对称元件(线 圈、三极管、电阻、电容等元件)的参数不可能完全相等，使开关管9、 10不 可能同时导通，设开关管9首先导通，而10保持截止，则一路由+5V电源通过 线圈2，耦合电阻6与耦合电容8，开关管9，再由负载电阻13到地形成电流通 路，另一路则由线圈1，经开关管9集电极，开关管9发射极，负载电阻13到 地。线圈电流随时间增加(线圈是以电感形式存在的，所以在其上的电流不能发 生突变，即电源电压加载后线圈上的电流时随时间逐渐增加的)，与开关管9基 极及发射极相连的电容8和电容11被充电，当磁芯磁通达到饱和时，开关管9 截止而开关管10导通，与开关管9基极及发射极相连的电容8和电容11通过 与其相并联的电阻迅速放电，线圈2中的磁场能量也被放掉，同时线圈1及与开关管10基极相连的电容7被充电，当磁芯反向达到饱和时，开关管10又截 止，开关管9又开始导通，此后重复出现上述过程，开关管9与开关管10交替 导通与截止，从而形成一定频率的振荡。当有外加磁场时，非晶软磁条带在磁场作用下，其阻抗值会产生较大变化， 而且由于此非晶软磁条带充当了缠绕在此条带上的线圈的磁芯，这样缠绕在此条 带上的线圈的电感量就会随之产生较大改变，从而导致了电路振荡频率发生较大 变化。实用新型内容本实用新型的目的是提供一种非晶合金弱磁场传感器，其能够很好的解决 -10e~+10e范围内的微弱磁场的测量问题，而且本实用新型与背景技术中传统 的多谐振荡磁传感器相比，通过测量频率来进行磁场测量方法能够获得比背景技 术中所指出的利用电压进行磁场测量的方法具有更高的精度和灵敏度。本实用新型的非晶合金弱磁场传感器由探头48、双稳态振荡电路49、频率 测量电路50组成，如图2、图3所示。作为本实用新型的进一步改进，在双稳态振荡电路49的电压输出端Eout1、 Eout2还接有由滤波电路33、差动放大电路34和电压电流转换(V/I)电路35 组成的反馈电路，其将两路电压信号经滤波、差动放大后转换为直流电流信号， 如图5所示。图2为探头48结构示意图，其由缠绕在非晶合金条带4上的磁场信号采集 线圈1、 2和反馈线圈3组成，线圈1、 2、 3并排紧密绕制且没有叠线；非晶合 金条带4既作为线圈1、 2、 3的磁芯，又同时作为外加磁场的感应元件，A端 为磁场信号采集线圈1、 2的公共端，B端为线圈2与后面的双稳态振荡电路49 的连接端，C端为线圈1与后面的双稳态振荡电路49的连接端，D端为反馈线 圈3的接地端，E端为反馈线圈3的反馈信号输入端，该反馈信号是由反馈电路 产生的直流电流信号。采集线圈和反馈线圈1、 2、 3的匝数为150~500匝，条带由Co基或Fe 基非晶带等具有较好软磁性能的材料构成， 一般为长60mm~100mm，宽1mm 3mm，厚20戶~40。这样制作的目的是为了尽可能的保持两磁场信号采集线圈的对称性，将线圈 1的尾端与线圈2的头端接到一起作为公共的A端，这样把两磁场信号采集线圈 1、 2接成串联反接的形式，优点是能够使有用的信号加倍，无用的干扰相抵消。探头48的供电电源为直流正5V，加载到线圈1、 2的公共端A上。对于非 晶合金条带4，为Co基或Fe基等材料制成的非晶合金条带，要求其具有很好 的软磁特性，即要求其对外磁场的变化要非常敏感。探头48具有两个功能，其 中一个功能为将外磁场信号的变化转变成了采集线圈1、 2的电感值的变化，即 当有外磁场存在时，由于充当采集线圈1、 2磁芯的非晶合金条带4的阻抗值会 随着外磁场的作用而发生改变，由于非晶合金条带4充当了线圈1、 2缠绕的磁 芯，这就导致了线圈1、 2的电感值发生改变。探头48的另一个功能为通过探 头中的+5V电源，经过磁场信号采集线圈1、 2为双稳态振荡电路49供电。如图3所示，为双稳态振荡电路49，其与图1所示的现有技术相类似，只 是增加了限流电阻16、 17、 18、 19,限流电阻16、 17的一端分别连接到采集 线圈1、 2的两个输出端C、 B上。限流电阻16的另一端连接到开关三极管9 的集电极，并经耦合电阻5、耦合电容7后连接到开关三极管10的基极；限流 电阻17的另一端连接到开关三极管10的集电极，并经耦合电阻6、耦合电容8 后连接到开关三极管9的基极。开关三极管9的发射极通过限流电阻18、并联 的平滑电容11和负载电阻13后接地，开关三极管10的发射极通过限流电阻19、 并联的平滑电容12和负载电阻14后接地；再在限流电阻18和19间接入调零 电阻15，调零电阻15的调节端接地，这样就构成了一个双稳态多谐振荡桥路。 此电路不但能够在两个充当电感的采集线圈1、 2电感值不变(即没有外加磁场) 的条件下产生稳频振荡，而且由于平滑电容11、负载电阻13和平滑电容12、 负载电阻14分别构成了两个交流-直流的整流电路，所以能够在图3中的Eout1 和Eout2间产生一直流电压输出信号。如图3所示，在频率测量电路50当中，36、 37、 38为三个十进制计数器 74HC90, 39为在测量及数据处理中所应用的单片机AT89C2051， 40为数据经 单片机处理后的显示输出，41、 42为与石英晶振搭配的晶振电容，43为石英晶 振，44为限流电阻，45为分频器CC4060， 46、 47为以双D触发器CC4013。 为实现对较高频率信号的频率测量，先利用三个十进制计数器74HC90对双稳 态振荡电路49产生的振荡信号进行连续三次的1/10分频，以达到对振荡信号 1/1000分频的目的，来实现对双稳态振荡电路的输出信号振荡频率的精确测量。 之后将最后一个十进制计数器38的输出端接到单片机的T0端，利用单片机来 测量此经过1/1000分频的信号的频率。41、 42、 43、 44、 45构成了石英晶体 振荡器和分频器，将32768Hz晶体振荡信号分频为2Hz信号，再经过CC4013 双D触发器四分频获得持续时间为1s、频率为0.5Hz的时基信号，此信号送入 单片机的INTO端，来控制TO计数器的启停。之后通过单片机编程来处理采集到的频率信号，以实验中所建立起来的标定曲线为标准，来反查所测得的频率值所对应的磁场值。再通过单片机编程将此磁场值的大小通过图3所示的显示部分 输出出来。串联反接的线圈1、 2作为双稳态振荡电路49的电感部分，当有外加磁场 发生作用的时候，由于外磁场的作用，探头部分中非晶合金条带4的阻抗值会随 着外磁场的作用而发生改变，就造成了线圈1和线圈2的电感值发生变化，双 稳态振荡电路49中开关三极管9或开关三极管10的集电极处产生一个频率与 线圈1、 2电感量相关的振荡信号，利用单片机测量经分频的开关三极管9或开 关三极管10集电极处振荡信号的频率，再根据实验中所标定出来的频率值和所 测量磁场值的标准曲线，就实现了对未知弱磁场的测量。标准曲线的获得，是将已知弱磁场置于探头的上方，接通+5V电源后，通过 双稳态振荡电路、频率测量电路后，就会得到与磁场相对应的一定频率f的振荡 信号。改变弱磁场的强度，就会得到一系列的振荡信号，再以频率和磁场H为 坐标作图，从而得到f-H标准曲线。按上述原理所设计出的开环状态磁场传感器的灵敏度较高，但是稳定度有 限，通过更换元件的方法来改善传感器的性能指标，难度较大。作为本专利的进 一步改进，在此基础上设计出了该传感器的闭环测量系统，如图4所示，并在电 路上予以了实现，实验表明加入该系统后，传感器的性能指标有了较大的提高。如图5所示，闭环测量系统中反馈电路部分共包括滤波电路33、差动放大 电路34和电压电流转换(V/I)电路35这三个部分，在滤波电路33中，由滤波 电阻20、滤波电容22及滤波电阻21、滤波电容23组成了两个低通滤波电路， 来实现对从图3中双稳态振荡电路的直流电压输出端(Eout1和Eout2)接入的 直流电压信号进行低通滤波，来过滤掉在叠加在这两个直流电压信号上面的高频 噪声。在差动放大电路中，利用的是仪表放大器来进行差动放大。其中，24为 放大倍数调节电阻，25为仪表放大器。此部分电路所实现的功能为将两个经过 低通滤波后得到的直流信号进行差动放大。差动放大倍数的调节范围为30~100 倍。在电压-电流转换(V/I)电路35中，由电阻26、 27、 28、 29、 31及运算 放大器30、 32构成了常规的电压-电流转换电路(童诗白，华成英模拟电子技 术基�。叩冉逃霭嫔纾�2002， 438~439)。其功能为将经差动放大后得到的 直流电压信号转变成直流电流信号，反馈到图3的探头中的反馈线圈3的E端。 这样在反馈线圈中将产生一个与外加磁场反向的磁场Hf。则非晶磁芯除了受到 外磁场作用和多谐振荡桥路的交变磁场作用外，还要受到反馈线圈产生的磁场的 作用，即反向削弱了磁芯中的外磁�。淙徽庋槊舳扔兴档停峭ü烁悍蠢∥榷硕嘈痴竦吹缏返墓ぷ鞯�、稳定了电路的输出频率，很好的提高了传感 器的频率稳定性和温度稳定性等指标，而且还增强了系统的抗干扰能力。双稳态多谐振荡电路的振荡频率范围在30KHz~500KHz之间，综合频率随 磁场变化的灵敏度和稳定度来看，当用频率变化来测量磁场时最佳频率范围在 70KHz 100KHz之间。
图1:背景技术的多谐振荡磁场传感器电路图；图2:本实用新型的非晶合金弱磁场传感器探头部分结构示意图；图3:本实用新型的非晶合金弱磁场传感器测量系统框图；图4:本实用新型的非晶合金弱磁场传感器闭环测量系统框图；图5:本实用新型的非晶合金弱磁场传感器反馈电路图；图6:本实用新型在开关管集电极频率输出点处的振荡信号图；(a)未加外磁场的情形；(b)加有0.94Oe外磁场的情形；图7:本实用新型的频率随磁场变化输出标定曲线。
具体实施方式
以下结合附图说明本实用新型的具体结构和工作方式实施例1:如图2所示，作为磁芯的非晶条带4采用CoFeS旧材料制作，作为采集线 圈的磁芯，非晶条带4长80mm，宽2mm，厚度为30/^，直流电阻约为1Q，采集线圈1、 2和反馈线圈3采用的是0.1mm直径漆包线，绕制圈数均为280 圈，绕制方法为三线同绕，连接方法为线圈1、 2串联反接。A与C间为线圈1， A与B间为线圈2， A为电源接入点，B、 C为探头与 振荡电路连接点；D与E间为反馈线圈3， D为反馈线圈接地点，E为反馈电路 与反馈线圈连接点。这样进行连接可以尽量的保证多谐振荡电路的对称性。如图3所示，非晶合金弱磁场传感器的多谐振荡电路磁场信号采集线圈的供 电电压为5V，与信号采集线圈1、 2的C、 B点处所接的振荡电路的两个限流电阻16、 17可选用50Q，耦合电阻5、 6为化Q，耦合电容7、 8为0.1/zF，开关三极管9、 10的型号为3DK4D，其后接的电阻18、 19为50Q,平滑电容 11、 12为0.1/zF，负载电阻13、 14为10Q，调零电阻15为20kQ，集成芯片36、 37、 38为计数器74HC90,单片机39为AT89C2051， 40为测量结果 显示输出端，谐振电容41、 42为100pF，石英晶振43振荡频率为32768Hz， 电阻44为4.7kQ，集成芯片45为4060，集成芯片46、 47为CD4013。图5的滤波电路中电阻20、 21为1kQ，滤波电容22、 23为10/^1，放大电路中放大倍数调节电阻24为830Q， 25为仪表放大器AD620，反馈电路电 阻26、 27、 28、 29为10kQ，运算放大器30为OP07,反馈电流调节电阻31 为1.3kQ，运算放大器32为OP07。实验中，外加待测磁场是由赫姆霍兹线圈提供，磁场的大小由对赫姆霍兹线 圈供电的直流电源来控制，此赫姆霍兹线圈的电压/磁场转换系数为0.094Oe/V， 为消除地球磁场等外界干扰场对测量结果的影响，实验中，将赫姆霍兹线圈和传 感器都置于用高磁导率材料制作的屏蔽设备当中。用本实施例的装置在开关管9、 10集电极处得到的未经分频的振荡波形图 如图6所示。图6的信号为直接从开关管集电极处采集出来的振荡波形，没有 经过1/1000的分频处理，在图6中，(a)为未加外磁场时采集到的振荡波形图， 其中，曲线l是从开关管9集电极处采集出的振荡波形，曲线ll为从开关管10 集电极处采集处的振荡波形，从图6 (a)中我们能够看出，当未加外场时，由 于电路的对称性较好，使得振荡波形的占空比近似为1: 1，此时振荡电路的振 荡频率为58.090kHz，振荡信号的峰峰值Vpp=4.86V，而且曲线I与曲线II的波 形对称，正符合了关于二开关管交替导通与截止的分析。图6 (b)为当外加 0.940e磁�。竦米畲罅槊舳仁彼玫降恼竦床ㄐ瓮迹叽ㄎ谴涌毓�9 集电极处采集出的振荡波形，曲线IV为从开关管10集电极处采集处的振荡波形， 把图6 (b)和图6 (a)相比较我们可以看出，当有外场存在时，由于两信号采 集线圈1、 2为串联反接结构，使得外场信号对两线圈的作用并不相同，就造成 了两线圈的电感值的不再相等，这样就引起了振荡电路的不对称性加剧，使得振 荡波形的占空比和频率都发生了较大改变，此时振荡电路的振荡频率变成了 93.475kHz，振荡信号的峰峰值Vpp=5.99V，而且曲线川与曲线IV的波形对称， 符合了关于二开关管交替导通与截止的分析。在探头上加载的反馈场Hf=NI， I为从图5所示反馈电路的输出端Feedback Signal连接到线圈3的E端的反馈电流，N为反馈线圈3的匝密度。其中I的值 随所测外磁场值变化而变化，这样能在测量不同场值的磁场信号时都加载一个和 所测磁场值相匹配的反馈场。在未接如图5所示的反馈电路时，由于电路的稳定 度不足，造成所测量出的最终频率值在0.02Hz范围内抖动，接入如图5所示的反馈电路后，电路的稳定度得到了很大的改善，对最终的频率的测量精度能够达至ij 0.001 Hz。利用单片机从双稳态振荡电路的开关管9或开关管10的集电极检测的输出 频率与被测磁场的关系曲线见图7。从图7所示的磁场-频率关系测量曲线能够 看出，沿非晶带正反两方向的磁场-频率输出曲线在一10e +10e的范围内重 合，说明本实用新型可在量程内无差别准确测量正反方向的磁场。(图7为一个 在实验中所获得的标准磁场-频率图，为在实际应用中所用的标定曲线)经过实验测量所获得的传感器的具体技术参数如下表量程最大灵敏度 重复性误差土10e87.95Hz/Oe0.17%
权利要求1、非晶合金弱磁场传感器，由探头(48)、双稳态振荡电路(49)、频率测量电路(50)组成，其特征在于探头(48)是由缠绕在非晶合金条带(4)上的磁场信号采集线圈(1、2)组成，线圈(1、2)串联反接且作为双稳态振荡电路(49)的电感部分；双稳态振荡电路(49)中开关三极管(9)或开关三极管(10)的集电极处产生一个频率与线圈(1、2)电感量相关的振荡信号，通过频率测量电路(50)测量振荡信号的频率就能够测量通过非晶合金条带(4)上的磁场值的大小。
2、 如权利要求1所述的非晶合金弱磁场传感器，其特征在于在双稳态振荡 电路(49)的直流电压输出端Eout1、 Eout2接有由滤波电路(33)、差动 放大电路(34)和电压电流转换电路(35)组成的反馈电路，其将两路电 压信号经滤波、差动放大后转换为直流电流反馈信号。
3、 如权利要求2所述的非晶合金弱磁场传感器，其特征在于在非晶合金条 带(4)上还缠绕有反馈线圈(3)，线圈(1、 2、 3)并排紧密绕制且没有 叠线，反馈线圈(3)的一端接地，另一端为反馈信号输入端，该反馈信号 是由反馈电路产生的直流电流反馈信号。
4、 如权利要求1 、 2或3所述的非晶合金弱磁场传感器，其特征在于采集线 圈(1、 2)和反馈线圈(3)的匝数为150~500匝。
5、 如权利要求1、 2或3所述的非晶合金弱磁场传感器，其特征在于非晶合 金条带(4)由Co基或Fe基非晶带且具有较好软磁性能的材料构成，长 60mm~100mm，宽1mm 3mm，厚20戸~40。
专利摘要本实用新型属于弱磁场测量技术领域，具体涉及一种基于非晶合金的弱磁场传感器。由探头、双稳态振荡电路、频率测量电路组成，探头是由缠绕在非晶合金条带上的磁场信号采集线圈1、2组成，线圈1、2串联反接且作为双稳态振荡电路的电感部分；双稳态振荡电路中开关三极管集电极处产生一个频率与线圈1、2电感量相关的振荡信号，通过频率测量电路测量振荡信号的频率就能够测量通过非晶合金条带上的磁场值的大小。本实用新型是用测量多谐振荡电路振荡频率的方法来测量磁场大�。氪车挠玫缪共饬康姆椒ㄏ啾龋洳饬亢途攘槊舳雀撸垢扇拍芰Ω浚晒惴河τ糜谏蒲懈髁煊虻拇懦〔饬�。
文档编号G01R23/10GK201173966SQ200820071628
公开日2008年12月31日 申请日期2008年4月2日 优先权日2008年4月2日
发明者岳鑫隆, 涛 张, 冰 韩, 黄东岩 申请人:吉林大学
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