本發(fā)明涉及一種無線圈磁傳感器，尤其涉及一種基于磁致伸縮材料和壓電材料復(fù)合的無線圈磁傳感器。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的磁傳感器種類主要有超導(dǎo)量子干涉磁強計(SQUID)、霍爾傳感器、磁通門磁傳感器、磁敏二極管磁傳感器、磁敏三極管磁傳感器、核磁共振磁傳感器、光泵式磁傳感器、巨磁阻抗傳感器、電磁感應(yīng)式磁傳感器等。SQUID是最高精度的低頻磁傳感器，但其需要在低溫下工作，且體積大、價格昂貴；磁通門磁傳感器、核磁共振磁傳感器和光泵式磁傳感器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且笨重、價格昂貴、功耗高；巨磁阻抗傳感器的靈敏度很高，但是需要精密的電橋電路和有源激勵工作；電磁感應(yīng)式磁傳感器的精度高，但體積大，不適用于探測緩慢變化磁場。

磁致伸縮材料與壓電材料，具有磁、電、力等物理場耦合效應(yīng)，能夠分別實現(xiàn)磁-機和電-機轉(zhuǎn)換和逆向轉(zhuǎn)換。將這兩種材料疊層復(fù)合，還會由于復(fù)合材料的“乘積效應(yīng)”產(chǎn)生新特性——磁電效應(yīng)。目前，業(yè)內(nèi)人士將磁致伸縮材料與壓電材料復(fù)合構(gòu)成復(fù)合磁電換能單元，利用其“乘積效應(yīng)”產(chǎn)生的磁電效應(yīng)設(shè)計高靈敏度的磁傳感器，例如文獻Dong等報道的基于復(fù)合磁電換能單元的磁傳感器，其靈敏度可達10^-11T(Shuxiang Dong,Jie-Fang Li,and D.Viehland,Ultrahigh magnetic field sensitivity in laminates of TERFENOL-D and Pb(Mg_1/3Nb_2/3O₃–bUltO₃ crystals,Appl.Phys.Lett.,vol.83,no.11,2003)。但是由于壓電材料層的電容特性，“乘積效應(yīng)”產(chǎn)生的磁電效應(yīng)具有明顯的高通特性，導(dǎo)致傳感器低頻磁電響應(yīng)性能較差且不能直接探測靜態(tài)磁場(Shuxiang Dong,Junyi Zhai,Zhengping Xing,Jie-Fang Li,and D.Viehland，Extremely low frequency response of magnetoelectric multilayer composites,Appl.Phys.Lett.86,102901,2005)。一些學(xué)者在復(fù)合磁電換能單元外部繞制線圈來產(chǎn)生磁激勵磁場，在激勵磁場作用下，利用復(fù)合磁電換能單元的磁電輸出隨磁場變化的特性來進行靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)磁場探測，從而克服復(fù)合磁電換能單元低頻磁電響應(yīng)性能較差的缺點。但是，這種線圈激勵的方式又帶來新的問題，例如線圈激勵會產(chǎn)生電磁干擾、焦耳熱等問題，從而導(dǎo)致傳感器功耗大、穩(wěn)定性差，還有可能對其它電子設(shè)備造成電磁干擾。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種無線圈磁傳感器，無需采用線圈即可探測靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)磁場，在使用中避免產(chǎn)生電磁干擾和焦耳熱，降低了功耗，提高了測量的穩(wěn)定性。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種無線圈磁傳感器，包括敏感前端、驅(qū)動電路和測量模塊；所述敏感前端用于敏感磁場，其包括一對或多對復(fù)合磁電換能單元；在一對復(fù)合磁電換能單元中，其中一個復(fù)合磁電換能單元作為被激勵單元，另一個復(fù)合磁電換能單元作為接收單元；所述復(fù)合磁電換能單元由磁致伸縮材料層與壓電材料層符合而成；所述驅(qū)動電路用于產(chǎn)生激勵被激勵單元的驅(qū)動信號，所述測量模塊用于獲取接收單元輸出的電壓信號，根據(jù)所述電壓信號的電壓值和電壓-磁場函數(shù)關(guān)系解算出外部磁場值。由于正逆磁電效應(yīng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)都隨外部靜態(tài)磁場變化，測量模塊可以根據(jù)所述電壓信號的電壓值和電壓-磁場函數(shù)關(guān)系解算出外部磁場值；

進一步，所述無線圈磁傳感器還包括人機交互模塊，完成人機交互功能，可以在人機交互界面上進行待測磁場類型(靜態(tài)磁場、準(zhǔn)靜態(tài))、激勵信號類型(正弦、線性調(diào)頻等)以及測量精度等要求的設(shè)置，設(shè)置完成后通過按鍵啟動測量。

所述無線圈磁傳感器工作時，驅(qū)動電路產(chǎn)生正弦、脈沖或線性調(diào)頻等類型的驅(qū)動信號，驅(qū)動信號傳送給被激勵單元的壓電材料層的電極；由于逆磁電效應(yīng)，被激勵單元產(chǎn)生激勵磁場，此時，由于磁電效應(yīng)，作為接收單元的復(fù)合磁電換能單元在激勵磁場作用下，其壓電材料層產(chǎn)生電壓信號輸出，將該電壓信號送至測量模塊進行幅相測量；由于正、逆磁電效應(yīng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)都隨外部靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)磁場變化，所以測量模塊檢測到的電壓信號值是外部待測磁場的函數(shù)，測量模塊根據(jù)預(yù)先標(biāo)定出的電壓信號與外部靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)磁場的函數(shù)關(guān)系就可以解算出外部磁場值，從而實現(xiàn)靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)磁場測量。

測量模塊根據(jù)人機交互模塊選擇的激勵信號類型，選擇對應(yīng)的測量方式來進行磁電信號測量。如果驅(qū)動電路產(chǎn)生的激勵信號為正弦信號，則測量模塊采用鎖相放大電路進行電壓信號檢測，獲得正弦信號幅度和相位值；如果驅(qū)動電路產(chǎn)生的激勵信號為脈沖或線性調(diào)頻信號，則測量模塊進行對電壓信號進行采樣和傳遞函數(shù)分析，獲得復(fù)合磁電換能單元諧振頻率、頻帶特性、電壓信號諧振點峰值和相位等，測量模塊根據(jù)電壓信號值與外部磁場的函數(shù)關(guān)系獲得外部磁場值，并送到人機交互界面顯示。用戶還可以根據(jù)脈沖或線性調(diào)頻信號激勵時獲得復(fù)合磁電換能單元傳遞函數(shù)、諧振頻率值是否發(fā)生異常變化來判斷磁傳感器是否損壞。

進一步，所述無線圈磁傳感器還包括導(dǎo)磁體，與復(fù)合磁電換能單元內(nèi)的磁致伸縮材 料構(gòu)成閉合磁路，增強不同復(fù)合磁電換能單元之間逆磁電效應(yīng)和正磁電效應(yīng)的磁耦合，從而提高傳感器的靈敏度。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點在于：(1)本發(fā)明所述的無線圈磁傳感器同時利用了復(fù)合磁電換能單元的正磁電效應(yīng)和逆磁電效應(yīng)，其中，逆磁電效應(yīng)用于產(chǎn)生激勵磁場，采用所述傳感器進行靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)磁場探測時無需采用線圈激勵和感應(yīng)，克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的功耗大、產(chǎn)生焦耳熱和電磁干擾等缺點；(2)本發(fā)明利用復(fù)合磁電換能單元的磁電效應(yīng)，還可以同時實現(xiàn)高頻磁場探測；(3)本發(fā)明中復(fù)合磁電換能單元由磁致伸縮材料和壓電材料可以以黏結(jié)、物理濺射、化學(xué)生長等方式復(fù)合在一起構(gòu)成，當(dāng)采用物理濺射或化學(xué)生長的方法制備時，有利于以微機電系統(tǒng)(MEMS)的方式實現(xiàn)，可以降低磁傳感器探頭的成本和體積。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述無線圈磁傳感器一種實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明所述無線圈磁傳感器另一種實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明所述無線圈磁傳感器第三種實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明所述無線圈磁傳感器第四種實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

實施例1：

結(jié)合圖1，敏感前端1由兩個復(fù)合磁電換能單元和導(dǎo)磁體4構(gòu)成；兩個復(fù)合磁電換能單元平行放置，導(dǎo)磁體4與兩個復(fù)合磁電換能單元中的磁致伸縮材料層2形成閉合磁路以增強磁耦合，從而提高磁測量的靈敏度。敏感前端1也可以采用特殊形狀的磁致伸縮材料層2，例如在方形的磁致伸縮材料層2上復(fù)合兩片壓電材料層3，這樣既能形成兩個復(fù)合磁電換能單元，又可以在不借組外部導(dǎo)磁體4的情況下由磁致伸縮材料自身構(gòu)成閉合磁路；或者直接加長兩個復(fù)合磁電換能單元中的磁致伸縮材料層2，使其能夠自行形成閉合磁路。兩個復(fù)合磁電換能單元中，其中一個作為被激勵單元，另外一個作為接收單元。

復(fù)合磁電換能單元由磁致伸縮材料層2和壓電材料層3以黏結(jié)、物理濺射、化學(xué)生長等方式復(fù)合在一起構(gòu)成。復(fù)合的方式使得磁致伸縮材料層2和壓電材料層3之間存在應(yīng)力應(yīng)變耦合，即磁致伸縮材料2在磁場激勵下產(chǎn)生的磁致伸縮變形可以傳遞到壓電材 料3上，使壓電材料層3也發(fā)生變形，反之，壓電材料層3在電壓激勵下產(chǎn)生的電致伸縮變形也能傳遞到磁致伸縮材料層2上，使磁致伸縮材料層3發(fā)生磁化。復(fù)合磁電換能單元具有正磁電效應(yīng)和逆磁電效應(yīng)。復(fù)合磁電換能單元的磁致伸縮材料層在磁場激勵下，會產(chǎn)生機械變形，該機械變形耦合到壓電材料層后，使壓電材料產(chǎn)生電極化，從而在壓電材料層的電極之間產(chǎn)生電壓，這種磁-電的轉(zhuǎn)換現(xiàn)象稱為正磁電效應(yīng)；復(fù)合磁電換能單元的壓電材料層在電壓驅(qū)動信號激勵下產(chǎn)生機械變形，該機械變形耦合到磁致伸縮材料層后，使磁致伸縮材料產(chǎn)生磁化，從而產(chǎn)生磁場，這種電-磁的轉(zhuǎn)換現(xiàn)象稱為逆磁電效應(yīng)。因為磁致伸縮材料的磁致伸縮系數(shù)是外部磁場的非線性函數(shù)，所以正磁電效應(yīng)的磁-電轉(zhuǎn)換系數(shù)和逆磁電效應(yīng)的電-磁轉(zhuǎn)換系數(shù)都隨外部磁場的變化而變換。因此，本發(fā)明在敏感前端最少設(shè)置一對復(fù)合磁電換能單元，每對復(fù)合磁電換能單元中，將其中一個復(fù)合磁電換能單元作為被激勵單元，將另一個復(fù)合磁電換能單元作為接收單元，利用被激勵單元的逆磁電效應(yīng)產(chǎn)生激勵磁場，使接收單元在激勵磁場的作用下輸出電壓信號。由于正、逆磁電效應(yīng)都隨外部磁場變化，從而接收單元的磁電輸出隨外部磁場變化，利用該特性進行靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)磁場探測無需采用線圈，克服了傳統(tǒng)線圈激勵方式產(chǎn)生焦耳熱、電磁干擾等缺點。

人機交互模塊7包含人機交互界面和對外通訊接口，根據(jù)用戶設(shè)定的測量參數(shù)自動發(fā)送對應(yīng)的控制指令到驅(qū)動電路5和測量模塊6，并接收驅(qū)動電路5和測量模塊6返回的狀態(tài)和測量結(jié)果。

驅(qū)動電路5根據(jù)人機交互模塊7的指令，產(chǎn)生正弦、脈沖或者線性調(diào)頻三種信號，三種激勵信號模式下，使用正弦信號進行激勵時，可以獲得最高的測量值精度，使用脈沖或者線性調(diào)頻信號進行進行激勵時，可獲得器件的諧振頻率和寬帶特性，從而可以判斷傳感器是否損壞或存在異常。驅(qū)動信號送入到被激勵單元中壓電材料層3的電極上，被激勵單元由于逆磁電效應(yīng)產(chǎn)生激勵磁場；由于磁電效應(yīng)，接收單元在激勵磁場作用下，其壓電材料層3產(chǎn)生電壓信號，該電壓信號通過接收單元中壓電材料層3的電極送入測量模塊6。測量模塊6根據(jù)測量獲得的電壓信號的電壓值，以及根據(jù)預(yù)先標(biāo)定的電壓-外部磁場函數(shù)關(guān)系，解算出外部磁場值，然后將外部磁場值送到人機交互模塊7的界面進行顯示。本發(fā)明可以采用的驅(qū)動電壓信號為高頻信號時，例如大于等于1000Hz，可以針對的測量磁場是靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)(DC～幾Hz)，比如用一個1kHz的電壓激勵，產(chǎn)生的激勵磁場是1000Hz的，接收單元的輸出電壓也是1kHz的，這個1kHz電壓信號的幅度隨外部靜態(tài)磁場變化，這個關(guān)系是可以標(biāo)定出來的，根據(jù)標(biāo)定的函數(shù)關(guān)系就可以獲得 外部靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)磁場的值。

所述驅(qū)動電路5采用數(shù)字頻率合成(DDS)等常規(guī)方法產(chǎn)生驅(qū)動信號，測量模塊6對正弦信號采用鎖定放大電路測量出電壓信號的幅度值和相位，對脈沖或線性調(diào)頻等信號則進行采樣，并采用快速傅里葉變換(FFT)、脈沖壓縮等數(shù)字信號處理方法進行分析，獲得諧振頻率、頻帶特性等特征參數(shù)變化特性和外部磁場值。

上述敏感前端中磁致伸縮材料層2為各種具有磁致伸縮效應(yīng)的材料，包括稀土鈦鏑鐵合金和鐵鎵合金、非晶態(tài)合金等。

上述敏感前端中壓電材料層3為各種具有壓電效應(yīng)的材料，包括壓電陶瓷、氧化鋅、壓電單晶PMN-PT、石英晶體等。

上述傳感器中導(dǎo)磁材料4為各種具有高磁導(dǎo)率的材料，包括電磁純鐵、鐵氧體、非晶態(tài)合金等。

實施例2：

結(jié)合圖2，本實施例與實施例1不同之處在于，敏感前端1中的兩個復(fù)合磁電換能單元一字排列，與實施例1采用的平行排列方式相比，可以減小傳感器敏感前端的橫向尺寸。

實施例3：

結(jié)合圖3，本實施例與實施例1不同之處在于，敏感前端1中的兩個復(fù)合磁電換能單元平行排列，與實施例1的排列相同，但在本實施例中將導(dǎo)磁體4制作成支架形式，可以作為兩個復(fù)合磁電換能單元的固定支架，這樣方便敏感前端1和整個傳感器的加工安裝。

實施例4：

實際上，敏感前端1采用的復(fù)合磁電換能單元的數(shù)量和放置形式還有其它多種方案，比如四個復(fù)合磁電換能單元按照四邊形放置或者八個復(fù)合磁電換能單元按照八邊形放置，只要滿足對稱的多邊結(jié)構(gòu)即可，這樣可以實現(xiàn)矢量參量的全方位、立體測量。結(jié)合圖4，實施例4與實施例1的不同之處仍然在于敏感前端1，實施例4的敏感前端1采用了六個復(fù)合磁電換能單元。六個復(fù)合磁電換能單元依此分布形成一個正六邊形邊結(jié)構(gòu)，六個復(fù)合磁電換能單元布置在正六邊形的六個邊框上，呈對稱分布。六個復(fù)合磁電換能單元的磁致伸縮材料層2構(gòu)成一個閉合磁路；也可以在相鄰的復(fù)合磁電換能單元之間放置多個導(dǎo)磁體4以增強相鄰兩個復(fù)合磁電換能單元之間的磁耦合。在兩兩相對的、互相平行的邊框上的一對復(fù)合磁電換能單元中，當(dāng)其中任意一個用作被激勵的單元時， 另一個則用作接收單元。這種對稱多邊形的結(jié)構(gòu)形式，能夠?qū)崿F(xiàn)物理量的矢量測量，分辨出待測磁場的方向。