[发明专利]宽频带感应式磁场传感器

说明书

本发明提供了宽频带感应式磁场传感器，包括激励线圈、感应线圈、磁通门磁芯和TMR传感器；磁通门磁芯是一个空心圆柱体，激励线圈、感应线圈绕制于磁通门磁芯上，TMR传感器置于磁通门磁芯的内部中心处；宽频带感应式磁场传感器在激励线圈作用下，感应线圈输出与低频磁场相关的感应电信号，TMR传感器输出与高频磁场相关的感应电信号，以实现对矢量磁场的宽频带测量。激励线圈在外部激励信号的作用下，感应线圈输出与低频磁场相关的感应电信号，TMR传感器输出与高频磁场相关的感应电信号，从而实现对矢量磁场的宽频带测量。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及宽频带感应式磁场传感器。

背景技术

目前的磁力仪根据测量原理可大致分为三类：机械式、感应式以及量子式。机械式在测量精度、稳定性等性能较差，已逐步淘汰。量子式采用最新量子效应，可实现极高测量精度与准确度，但是存在仪器结构复杂或无法测量磁场矢量等问题。因此，目前应用最广泛的磁力仪是利用感应式原理的磁通门、磁阻等。

感应式传感器的结构不同，导致敏感频率区间存在差异，单个传感器无法实现宽频带高精度测量。磁通门的磁芯感应其轴向磁通变化响应磁场信息，传感器灵敏度决定其磁测矢量分辨率与测量精度，受趋肤效应等问题影响，难以准确测量高频磁场。TMR磁阻传感器的隧道结感应其轴向磁通变化响应磁场信息，其变化速度仅由外磁场决定，因此响应速度极快。然而由于传感器存在巴克豪森等效应，使得其低频段1/f噪声较大，影响其低频测量精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述目前的单个传感器无法实现宽频带高精度测量的技术问题，提供宽频带感应式磁场传感器解决上述技术缺陷。

宽频带感应式磁场传感器，包括激励线圈、感应线圈、磁通门磁芯和TMR传感器；磁通门磁芯是一个空心圆柱体，激励线圈、感应线圈绕制于磁通门磁芯的表面上，激励线圈与感应线圈正交绕制；激励线圈穿过磁通门磁芯圆柱体的上、下圆周面，紧密排列缠绕在磁通门磁芯圆柱体侧壁上，将整个圆柱体侧壁排列满；感应线圈平行于磁通门磁芯圆柱体的上、下圆周面，在圆柱体侧壁表面任意位置处紧密排列绕制；激励线圈和感应线圈都需要紧密排列，以避免信号互扰；在激励线圈与感应线圈的交汇处，感应线圈更贴近磁通门磁芯，激励线圈在外侧；TMR传感器使用无磁基板固定在磁通门磁芯内壁中心，TMR传感器的敏感轴与磁通门磁芯轴线平行放置；

激励线圈在外部激励信号的作用下，感应线圈输出与低频磁场相关的感应电信号，TMR传感器输出与高频磁场相关的感应电信号，从而实现对矢量磁场的宽频带测量。

进一步的，低频磁场测量由磁通门传感器组件完成，磁通门传感器组件包括激励线圈、感应线圈以及磁通门磁芯；对激励线圈通入音频段正弦或方波激励信号，磁通门磁芯的磁感应强度被激励信号调制，调制后磁化强度被感应线圈采集，感应线圈向外输出与磁通门磁芯上磁化强度同步变化的电信号；激励线圈的激励信号为：

V＝V_ac sin(2πft)，

其中，V为激励信号，V_ac为激励信号幅度峰峰值，f为激励信号频率，t为持续时间。

进一步的，高频磁场测量由TMR传感器组件完成，TMR传感器组件包括激励线圈、磁通门磁芯以及TMR传感器；TMR传感器内部由4组磁阻器件构成的文氏电桥，磁阻器件电阻随其轴向上磁场感应强度变化而变化，TMR传感器的输出为随磁场线性变化的电压；在激励线圈的激励下，磁通门磁芯对在TMR传感器周围产生磁聚通效应，并对磁场调制，该条件下TMR传感器的输出电压为：

V_TMR＝MRi_ac＝2πfMRCV_ac sin(2πft)，

其中，V_TMR为TMR磁传感器4输出电压信号，MR为TMR传感器的磁阻器件磁阻大小，i_ac为TMR传感器的磁阻结电流，C为比例常数。