專利名稱：直流磁場傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種磁場測量裝置，具體涉及一種直流磁場傳感器。
背景技術：
直流磁場測量在科學研究和實際工程應用中十分重要?，F(xiàn)有的直流磁場測量技術和裝置有很多，常見的包括利用霍爾效應的磁場傳感器、超導量子干涉器件、利用磁敏元件制成的傳感器、磁通門式傳感器，等等。但目前的這些磁場傳感器都存在一定的局限性，如霍爾傳感器用于磁場測量時對小磁場信號變化不敏感，一般適用于測量中等強度的磁場；而超導量子干涉器件則造價昂貴，其它傳感器也存在結構復雜、對信號處理要求高、靈敏度不高等缺陷。
目前已知的具有磁電效應的材料可以實現(xiàn)磁-電能量的轉換，一方面它在磁場作用下可以產(chǎn)生電極化，另外一方面，它也可以在電場作用下發(fā)生磁化。因此，利用材料的磁電效應可以有效實現(xiàn)磁場的探測。目前能夠獲得實際應用的磁電材料主要是由壓電材料和磁致伸縮材料復合而成的磁電復合材料。迄今為止，已經(jīng)公開了許多有關制備磁電復合材料的方法和其相關性質。例如，專利ZL03132167.4公開了縱向耦合模式下的磁電復合材料的制備方法及其在一階縱向共振頻率下的磁電效應，專利ZL02124138.4公開了三元復合磁電材料的制備技術。但是，這些現(xiàn)有的研究均未涉及利用磁電材料制作的磁場探測傳感器，尤其未涉及利用磁電效應進行直流磁場探測的傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有直流磁場傳感器的不足，本發(fā)明的目的是提供一種成本低廉、結構簡單、靈敏度高的探測直流磁場的傳感器，尤其適合探測微弱的直流磁場。本發(fā)明將公開一種利用“電場誘導磁化”的磁電效應進行直流磁場探測的傳感器。
本發(fā)明采用的技術方案是一種直流磁場傳感器，包括磁電元件和感應線圈，其中的磁電元件的兩個電極與交變電源連接，其特征在于所述的磁電元件采用具有磁電效應的材料；所述感應線圈纏繞在磁電元件外部，該感應線圈的兩端為傳感器輸出端。
換言之，本發(fā)明的直流磁場傳感器，是一種按以下方式工作的傳感器其磁電元件上外加的交變電場使磁電元件發(fā)生振動，通過檢測其外部感應線圈的感應電動勢的變化而實現(xiàn)對直流磁場的探測。
所述直流磁場傳感器的基本工作方式是在所述磁電元件上外加一交變電場，由于磁電效應，外加的交變電場使磁電元件的內(nèi)部發(fā)生磁化，該磁化可被外部感應線圈靈敏地感應而產(chǎn)生一個感應電動勢。當所述直流磁場傳感器被放置在直流磁場中時，由于磁電元件的磁電效應隨直流磁場的變化而呈現(xiàn)出一定的規(guī)律變化，其磁化狀態(tài)將隨之發(fā)生變化，進而導致外部感應線圈的感應電動勢發(fā)生變化，因此，通過檢測外部感應線圈的感應電動勢幅值，即可獲得被探測直流磁場的大小。
所述的“感應線圈纏繞在磁電元件外部”，其纏繞位置對于傳感器的效率影響較大，所以其纏繞位置應該選擇能最大地感應磁電元件磁化狀態(tài)的位置。
本發(fā)明可以有以下不同的具體優(yōu)化方案1、所述直流磁場傳感器的磁電元件是由壓電材料與磁致伸縮材料復合而成的磁電復合材料；其中磁致伸縮材料是稀土-鐵系化合物(RFe2，R為Tb、Dy、Sm等稀土元素)，或者是具有磁致伸縮效應的氧化物(RFe2O4，R為Ni、Co或Cu等元素)，或者是其他公知的具有磁致伸縮效應的材料；其中的壓電材料是具有壓電效應的陶瓷材料或聚合物，或者是其他公知的具有壓電效應的材料。
2、所述直流磁場傳感器的磁電元件是矩形片，或圓柱片，或圓環(huán)片，其它任何具有規(guī)則形狀的塊材。
3、所述施加在磁電元件上的交變電場的頻率與磁電元件結構共振的頻率一致。
4、所述施加在磁電元件上的交變電場的頻率為磁電元件一階縱向(或徑向)共振頻率。
當所述施加在磁電元件上的交變電場頻率調整到與磁電元件結構共振的頻率一致時，磁電元件將發(fā)生電-磁耦合共振，這樣，磁電元件由于磁電效應而產(chǎn)生的磁化水平將獲得大幅度的提高，進而導致感應線圈的感應電動勢大幅度增加，因此探測直流磁場的靈敏度得到了大大提高。
當交變電場的頻率為磁電元件的一階縱向共振頻率時，所需的驅動電場頻率低，電源功率小，而且磁電耦合效率較高，有利于達到最佳的磁場探測靈敏度。另外，磁電元件的頻率可以通過改變整個元件的尺寸來調節(jié)。
本發(fā)明將磁電元件的電場激勵和感應線圈的電信號檢測集于一體，無需傳統(tǒng)的磁場斬波附件以及復雜的信號處理裝置即可有效完成靜態(tài)直流磁場的探測。因此，本發(fā)明具有結構簡單、價格低廉的優(yōu)點，同時還具有體積小、靈敏度高、操作簡單等優(yōu)點；另外，通過調節(jié)激勵電場參數(shù)、磁電元件的材料參數(shù)以及感應線圈參數(shù)等，還可以對探測靈敏度和探測范圍進行調節(jié)，以適應不同的磁場探測的應用需要。根據(jù)實驗，本發(fā)明可探測的最小直流磁場可達10-5Oe，探測范圍在0至數(shù)百Oe。


圖1(a)是本發(fā)明的實施例1的磁場傳感器的結構示意圖；圖1(b)是本發(fā)明的實施例1的磁場傳感器工作在一階縱向共振磁電耦合模式下時，感應線圈的感應電動勢與直流磁場的關系曲線圖；圖2是本發(fā)明的實施例2的磁場傳感器的結構示意圖；圖3是本發(fā)明的實施例3的磁場傳感器的結構示意圖；圖4是本發(fā)明的實施例4的磁場傳感器的結構示意圖。
具體實施例方式
實施例1，參見圖1(a)，直流磁場傳感器，包括磁電元件11和外部感應線圈14。
磁電元件11由PZT壓電陶瓷單元12和TbDyFe磁致伸縮合金單元13縱向復合而成，形狀為矩形，整體尺寸為28mm(長度)×6mm(寬度)×1mm(厚度)，其中，PZT壓電陶瓷單元12的尺寸為16mm×6mm×1mm，TbDyFe磁致伸縮合金單元13的尺寸為12mm×6mm×1mm。PZT壓電陶瓷單元12的極化方向是厚度方向，TbDyFe磁致伸縮合金單元13的擇優(yōu)磁疇取向<111>沿著長度方向。PZT壓電陶瓷單元12和TbDyFe磁致伸縮合金單元13之間采用環(huán)氧樹脂膠粘劑粘結。該磁電元件11的兩個電極與交變電源連接(圖中未顯示)。
外部感應線圈14纏繞在磁電元件11外，采用線徑0.2mm的銅芯漆包線，線繞匝數(shù)是100匝。外部感應線圈14的內(nèi)部尺寸為4mm(長度)×6mm(寬度)×1mm(厚度)，感應線圈14放置在PZT壓電陶瓷單元12和TbDyFe磁致伸縮合金單元13的交界處。
對磁電元件施加一交變電壓V＝V0cos(2πfrt)，其中V0＝30V，fr＝37.6kHz，該頻率為磁電元件的一階縱向共振頻率。在上述工作條件下，使被探測的直流磁場的方向與磁電元件的長度方向一致，測量得到的感應線圈的感應電動勢與直流磁場的關系曲線如圖1(b)所示，可以看到，感應線圈的感應電動勢隨著直流磁場的變化呈線性變化，可探測的直流磁場范圍在0～250Oe，可探測的最小直流磁場為10-4Oe，探測靈敏度為0.2mOe/μV?？梢灶A計，如果增加激勵電場的幅值，或增加感應線圈的線繞匝數(shù)，或優(yōu)化工作頻率，本實施例的傳感器的探測靈敏度和探測范圍將進一步得到提高。
實施例2，參見圖2，直流磁場傳感器，包括磁電元件21和外部感應線圈24。
磁電元件21為矩形，共有三層，上下兩層為PZT壓電陶瓷片22(a)和22(b)，中間的一層為TbFe2磁致伸縮合金片23。其中，外面的兩層PZT壓電陶瓷矩形片22(a)和22(b)的極化方向為厚度方向，中間一層的TbFe2合金矩形片23的擇優(yōu)磁疇取向<111>沿著長度方向。磁電元件的整體尺寸為18mm(長度)×4mm(寬度)×3mm(厚度)，其中，TbFe2合金矩形片23和PZT壓電陶瓷矩形片22(a)和22(b)的尺寸均為18mm×4mm×1mm。
外部感應線圈24采用線徑0.2mm的銅芯漆包線，線繞匝數(shù)為100匝，內(nèi)部尺寸為4mm(長度)×6mm(寬度)×3mm(厚度)。感應線圈24放置在磁電元件21的中心處。
按照本實施例制作的傳感器具有與實施例1的傳感器相似的工作方式和工作特性。但是，由于磁電元件的組分、結構和尺寸發(fā)生了變化，磁電元件磁電耦合特性和共振頻率也發(fā)生了變化，因此相應的傳感器的工作頻率、探測范圍和靈敏度也隨著發(fā)生了變化。被探測的直流磁場方向與磁電元件的長度方向一致時，本實施例的可探測的直流磁場范圍在0～600Oe，可探測的最小直流磁場為10-3Oe，探測靈敏度為0.15mOe/μV。
實施例3，參見圖3，直流磁場傳感器，包括磁電元件31和外部感應線圈33。
磁電元件31為NiFe2O4/PZT的顆粒復合型磁電復合材料，其中NiFe2O4的體積含量為0.45。磁電元件31的形狀為圓柱體，整體尺寸為直徑10mm、厚度5mm。為了減小驅動電壓，圓柱體由5片直徑10mm、厚度1mm的NiFe2O4/PZT圓片32疊合而成，層間用環(huán)氧樹脂膠粘劑粘結。每個NiFe2O4/PZT圓片32沿著厚度方向電極化。磁電元件31的一階徑向共振頻率為350kHz。
感應線圈33采用線徑0.1mm的銅芯漆包線纏繞在磁電元件圓柱體31的外圍，匝數(shù)為200匝，尺寸為內(nèi)部直徑10mm、長度4mm。
按照本實施例制作的傳感器具有與實施例1的傳感器相似的工作方式和工作特性。但是，磁電元件組分、結構和尺寸發(fā)生了變化，導致磁電元件的共振頻率和磁電耦合特性發(fā)生了變化，同時感應線圈的參數(shù)也發(fā)生了改變，因此傳感器的工作頻率、探測靈敏度和探測范圍也發(fā)生了變化。被探測的直流磁場方向與磁電元件的徑向一致時，本實施例的可探測的直流磁場范圍在0～200Oe，可探測的最小直流磁場為10-3Oe，探測靈敏度為0.1mOe/μV。
實施例4，參見圖4，直流磁場傳感器，包括磁電元件41和外部感應線圈44。
磁電元件41為外徑20mm、內(nèi)徑10mm、整體厚度3mm的圓環(huán)片，由上下的兩層PZT壓電陶瓷片42(a)、42(b)和中間的一層TbDyFe磁致伸縮合金片43層疊而成，每層的厚度均為1mm，層間用環(huán)氧樹脂膠粘劑粘結。其中，PZT壓電陶瓷片42(a)和42(b)沿著厚度方向電極化，TbDyFe磁致伸縮合金片43的擇優(yōu)磁疇取向<111>沿著徑向。磁電元件41的一階徑向共振頻率為70kHz。
感應線圈44采用線徑0.2mm的銅芯漆包線，沿著磁電元件41的環(huán)體纏繞成螺線管形，匝數(shù)為300匝。
按照本實施例制作的傳感器具有與實施例1的傳感器相似的工作方式和工作特性。但是，磁電元件組分、結構和尺寸均發(fā)生了變化，導致磁電元件的共振頻率和磁電耦合特性發(fā)生了變化，同時感應線圈的參數(shù)也發(fā)生了改變，因此傳感器的工作頻率、探測靈敏度和探測范圍也發(fā)生了相應的變化。當被探測的直流磁場方向與磁電元件的徑向一致時，本實施例的可探測的直流磁場范圍在0～300Oe，可探測的最小直流磁場為10-5Oe，探測靈敏度為0.3mOe/μV。
權利要求
1.一種直流磁場傳感器，包括磁電元件和感應線圈，其中的磁電元件的兩個電極與交變電源連接，其特征在于所述的磁電元件采用具有磁電效應的材料；所述感應線圈纏繞在磁電元件外部，該感應線圈的兩端為傳感器輸出端。
2.按照權利要求1所述的直流磁場傳感器，其特征在于所述的直流磁場傳感器，是一種按以下方式工作的傳感器其磁電元件上外加的交變電場使磁電元件發(fā)生振動，通過檢測其外部感應線圈的感應電動勢的變化而實現(xiàn)對直流磁場的探測。
3.按照權利要求1所述的直流磁場傳感器，其特征在于所述施加在磁電元件上的交變電場的頻率與磁電元件結構共振的頻率一致。
4.按照權利要求3所述的直流磁場傳感器，其特征在于所述施加在磁電元件上的交變電場的頻率為磁電元件一階縱向或徑向共振頻率。
5.按照權利要求1、2、3或4所述的直流磁場傳感器，其特征在于所述磁電元件是由壓電材料與磁致伸縮材料復合而成的磁電復合材料；其中磁致伸縮材料是稀土-鐵系化合物RFe2，R為Tb、Dy、Sm等稀土元素、或者是具有磁致伸縮效應的氧化物RFe2O4，R為Ni、Co或Cu等元素；其中的壓電材料是具有壓電效應的陶瓷材料或聚合物。
6.按照權利要求5所述的直流磁場傳感器，其特征在于所述的磁電元件是矩形片，或圓柱片，或圓環(huán)片。
全文摘要
一種直流磁場傳感器，包括磁電元件和感應線圈，其中的磁電元件的兩個電極與交變電源連接，其特征在于所述的磁電元件采用具有磁電效應的材料；所述感應線圈纏繞在磁電元件外部，該感應線圈的兩端為傳感器輸出端。由于磁電效應，外加的交變電場使磁電元件的內(nèi)部發(fā)生磁化，該磁化可被外部感應線圈靈敏地感應而產(chǎn)生一個感應電動勢。當所述直流磁場傳感器被放置在直流磁場中時，由于磁電元件的磁電效應隨直流磁場的變化而呈現(xiàn)出一定的規(guī)律變化，其磁化狀態(tài)將隨之發(fā)生變化，進而導致外部感應線圈的感應電動勢發(fā)生變化，因此，通過檢測外部感應線圈的感應電動勢幅值，即可獲得被探測直流磁場的大小。
文檔編號G01R33/06GK1900732SQ20061004081
公開日2007年1月24日 申請日期2006年7月27日 優(yōu)先權日2006年7月27日
發(fā)明者萬建國, 劉俊明, 王廣厚 申請人:南京大學