[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明属于弱磁场测量技术领域，本发明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。

背景技术

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。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明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，发明了一种结构简单、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。