專利名稱：非晶合金弱磁場傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于弱磁場測量技術領域，具體涉及一種基于非晶合金的弱磁場 傳感器。
背景技術：
磁場測量在生產科研各領域是一個重要問題，現(xiàn)在很多的新技術和新材料都應用到磁場測量的裝置上。最常用的磁場傳感器有霍爾(Hall)傳感器，磁通門 傳感器，振動或轉動線圈等，但在弱磁場測量中，這些傳感器都有一定的缺陷。 霍爾器件輸出信號變化小，測量磁場時還有一定的磁場方向各向異性，適用于中 強磁場測量；磁通門和檢測線圈測磁場，線圈的繞制要求特別精確，而且對信號 處理要求較高；而且上述傳感器的電路太過復雜，成本較高。與本實用新型相近的現(xiàn)有技術是刊登在《Sensors and Actuators A 59(1997)1-8》上的題目為"Rencent advances of micro magnetic sensors and sensing application"的文章。公開的傳感器由退火的CoFeS舊或CoS舊或 CoFeMoS舊等材料的非晶絲(帶)或以繞在該非晶絲(帶)上的線圈為電感元 件的雙穩(wěn)態(tài)振蕩電路、整流電路、放大電路等構成。
背景技術：
的多諧振蕩電路如圖1所示。圖1中供電電源為直流正5V， 1、 2 為在非晶帶上纏繞的線圈，5、 6為耦合電阻，7、 8為耦合電容，9、 10為開關 三極管，11、 12為平滑電容，13、 14為負載電阻，15為調零電阻。此電路可 通過對a、 b兩端電壓量(圖中a、 b已標出)的測量來測量一10e +10e范圍 內的弱磁場，因此這個電路被廣泛引用于科技文獻和應用于磁場測量器件中。具體工作方式是:接通+5V供電電源時，由于多諧振蕩橋路中各對稱元件(線 圈、三極管、電阻、電容等元件)的參數不可能完全相等，使開關管9、 10不 可能同時導通，設開關管9首先導通，而10保持截止，則一路由+5V電源通過 線圈2，耦合電阻6與耦合電容8，開關管9，再由負載電阻13到地形成電流通 路，另一路則由線圈1，經開關管9集電極，開關管9發(fā)射極，負載電阻13到 地。線圈電流隨時間增加(線圈是以電感形式存在的，所以在其上的電流不能發(fā) 生突變，即電源電壓加載后線圈上的電流時隨時間逐漸增加的)，與開關管9基 極及發(fā)射極相連的電容8和電容11被充電，當磁芯磁通達到飽和時，開關管9 截止而開關管10導通，與開關管9基極及發(fā)射極相連的電容8和電容11通過 與其相并聯(lián)的電阻迅速放電，線圈2中的磁場能量也被放掉，同時線圈1及與開關管10基極相連的電容7被充電，當磁芯反向達到飽和時，開關管10又截 止，開關管9又開始導通，此后重復出現(xiàn)上述過程，開關管9與開關管10交替 導通與截止，從而形成一定頻率的振蕩。當有外加磁場時，非晶軟磁條帶在磁場作用下，其阻抗值會產生較大變化， 而且由于此非晶軟磁條帶充當了纏繞在此條帶上的線圈的磁芯，這樣纏繞在此條 帶上的線圈的電感量就會隨之產生較大改變，從而導致了電路振蕩頻率發(fā)生較大 變化。實用新型內容本實用新型的目的是提供一種非晶合金弱磁場傳感器，其能夠很好的解決 -10e~+10e范圍內的微弱磁場的測量問題，而且本實用新型與背景技術中傳統(tǒng) 的多諧振蕩磁傳感器相比，通過測量頻率來進行磁場測量方法能夠獲得比背景技 術中所指出的利用電壓進行磁場測量的方法具有更高的精度和靈敏度。本實用新型的非晶合金弱磁場傳感器由探頭48、雙穩(wěn)態(tài)振蕩電路49、頻率 測量電路50組成，如圖2、圖3所示。作為本實用新型的進一步改進，在雙穩(wěn)態(tài)振蕩電路49的電壓輸出端Eout1、 Eout2還接有由濾波電路33、差動放大電路34和電壓電流轉換(V/I)電路35 組成的反饋電路，其將兩路電壓信號經濾波、差動放大后轉換為直流電流信號， 如圖5所示。圖2為探頭48結構示意圖，其由纏繞在非晶合金條帶4上的磁場信號采集 線圈1、 2和反饋線圈3組成，線圈1、 2、 3并排緊密繞制且沒有疊線；非晶合 金條帶4既作為線圈1、 2、 3的磁芯，又同時作為外加磁場的感應元件，A端 為磁場信號采集線圈1、 2的公共端，B端為線圈2與后面的雙穩(wěn)態(tài)振蕩電路49 的連接端，C端為線圈1與后面的雙穩(wěn)態(tài)振蕩電路49的連接端，D端為反饋線 圈3的接地端，E端為反饋線圈3的反饋信號輸入端，該反饋信號是由反饋電路 產生的直流電流信號。采集線圈和反饋線圈1、 2、 3的匝數為150~500匝，條帶由Co基或Fe 基非晶帶等具有較好軟磁性能的材料構成， 一般為長60mm~100mm，寬1mm 3mm，厚20戶~40。這樣制作的目的是為了盡可能的保持兩磁場信號采集線圈的對稱性，將線圈 1的尾端與線圈2的頭端接到一起作為公共的A端，這樣把兩磁場信號采集線圈 1、 2接成串聯(lián)反接的形式，優(yōu)點是能夠使有用的信號加倍，無用的干擾相抵消。探頭48的供電電源為直流正5V，加載到線圈1、 2的公共端A上。對于非 晶合金條帶4，為Co基或Fe基等材料制成的非晶合金條帶，要求其具有很好 的軟磁特性，即要求其對外磁場的變化要非常敏感。探頭48具有兩個功能，其 中一個功能為將外磁場信號的變化轉變成了采集線圈1、 2的電感值的變化，即 當有外磁場存在時，由于充當采集線圈1、 2磁芯的非晶合金條帶4的阻抗值會 隨著外磁場的作用而發(fā)生改變，由于非晶合金條帶4充當了線圈1、 2纏繞的磁 芯，這就導致了線圈1、 2的電感值發(fā)生改變。探頭48的另一個功能為通過探 頭中的+5V電源，經過磁場信號采集線圈1、 2為雙穩(wěn)態(tài)振蕩電路49供電。如圖3所示，為雙穩(wěn)態(tài)振蕩電路49，其與圖1所示的現(xiàn)有技術相類似，只 是增加了限流電阻16、 17、 18、 19,限流電阻16、 17的一端分別連接到采集 線圈1、 2的兩個輸出端C、 B上。限流電阻16的另一端連接到開關三極管9 的集電極，并經耦合電阻5、耦合電容7后連接到開關三極管10的基極；限流 電阻17的另一端連接到開關三極管10的集電極，并經耦合電阻6、耦合電容8 后連接到開關三極管9的基極。開關三極管9的發(fā)射極通過限流電阻18、并聯(lián) 的平滑電容11和負載電阻13后接地，開關三極管10的發(fā)射極通過限流電阻19、 并聯(lián)的平滑電容12和負載電阻14后接地；再在限流電阻18和19間接入調零 電阻15，調零電阻15的調節(jié)端接地，這樣就構成了一個雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩橋路。 此電路不但能夠在兩個充當電感的采集線圈1、 2電感值不變(即沒有外加磁場) 的條件下產生穩(wěn)頻振蕩，而且由于平滑電容11、負載電阻13和平滑電容12、 負載電阻14分別構成了兩個交流-直流的整流電路，所以能夠在圖3中的Eout1 和Eout2間產生一直流電壓輸出信號。如圖3所示，在頻率測量電路50當中，36、 37、 38為三個十進制計數器 74HC90, 39為在測量及數據處理中所應用的單片機AT89C2051， 40為數據經 單片機處理后的顯示輸出，41、 42為與石英晶振搭配的晶振電容，43為石英晶 振，44為限流電阻，45為分頻器CC4060， 46、 47為以雙D觸發(fā)器CC4013。 為實現(xiàn)對較高頻率信號的頻率測量，先利用三個十進制計數器74HC90對雙穩(wěn) 態(tài)振蕩電路49產生的振蕩信號進行連續(xù)三次的1/10分頻，以達到對振蕩信號 1/1000分頻的目的，來實現(xiàn)對雙穩(wěn)態(tài)振蕩電路的輸出信號振蕩頻率的精確測量。 之后將最后一個十進制計數器38的輸出端接到單片機的T0端，利用單片機來 測量此經過1/1000分頻的信號的頻率。41、 42、 43、 44、 45構成了石英晶體 振蕩器和分頻器，將32768Hz晶體振蕩信號分頻為2Hz信號，再經過CC4013 雙D觸發(fā)器四分頻獲得持續(xù)時間為1s、頻率為0.5Hz的時基信號，此信號送入 單片機的INTO端，來控制TO計數器的啟停。之后通過單片機編程來處理采集到的頻率信號，以實驗中所建立起來的標定曲線為標準，來反查所測得的頻率值所對應的磁場值。再通過單片機編程將此磁場值的大小通過圖3所示的顯示部分 輸出出來。串聯(lián)反接的線圈1、 2作為雙穩(wěn)態(tài)振蕩電路49的電感部分，當有外加磁場 發(fā)生作用的時候，由于外磁場的作用，探頭部分中非晶合金條帶4的阻抗值會隨 著外磁場的作用而發(fā)生改變，就造成了線圈1和線圈2的電感值發(fā)生變化，雙 穩(wěn)態(tài)振蕩電路49中開關三極管9或開關三極管10的集電極處產生一個頻率與 線圈1、 2電感量相關的振蕩信號，利用單片機測量經分頻的開關三極管9或開 關三極管10集電極處振蕩信號的頻率，再根據實驗中所標定出來的頻率值和所 測量磁場值的標準曲線，就實現(xiàn)了對未知弱磁場的測量。標準曲線的獲得，是將已知弱磁場置于探頭的上方，接通+5V電源后，通過 雙穩(wěn)態(tài)振蕩電路、頻率測量電路后，就會得到與磁場相對應的一定頻率f的振蕩 信號。改變弱磁場的強度，就會得到一系列的振蕩信號，再以頻率和磁場H為 坐標作圖，從而得到f-H標準曲線。按上述原理所設計出的開環(huán)狀態(tài)磁場傳感器的靈敏度較高，但是穩(wěn)定度有 限，通過更換元件的方法來改善傳感器的性能指標，難度較大。作為本專利的進 一步改進，在此基礎上設計出了該傳感器的閉環(huán)測量系統(tǒng)，如圖4所示，并在電 路上予以了實現(xiàn)，實驗表明加入該系統(tǒng)后，傳感器的性能指標有了較大的提高。如圖5所示，閉環(huán)測量系統(tǒng)中反饋電路部分共包括濾波電路33、差動放大 電路34和電壓電流轉換(V/I)電路35這三個部分，在濾波電路33中，由濾波 電阻20、濾波電容22及濾波電阻21、濾波電容23組成了兩個低通濾波電路， 來實現(xiàn)對從圖3中雙穩(wěn)態(tài)振蕩電路的直流電壓輸出端(Eout1和Eout2)接入的 直流電壓信號進行低通濾波，來過濾掉在疊加在這兩個直流電壓信號上面的高頻 噪聲。在差動放大電路中，利用的是儀表放大器來進行差動放大。其中，24為 放大倍數調節(jié)電阻，25為儀表放大器。此部分電路所實現(xiàn)的功能為將兩個經過 低通濾波后得到的直流信號進行差動放大。差動放大倍數的調節(jié)范圍為30~100 倍。在電壓-電流轉換(V/I)電路35中，由電阻26、 27、 28、 29、 31及運算 放大器30、 32構成了常規(guī)的電壓-電流轉換電路(童詩白，華成英模擬電子技 術基礎，高等教育出版社，2002， 438~439)。其功能為將經差動放大后得到的 直流電壓信號轉變成直流電流信號，反饋到圖3的探頭中的反饋線圈3的E端。 這樣在反饋線圈中將產生一個與外加磁場反向的磁場Hf。則非晶磁芯除了受到 外磁場作用和多諧振蕩橋路的交變磁場作用外，還要受到反饋線圈產生的磁場的 作用，即反向削弱了磁芯中的外磁場，雖然這樣靈敏度有所降低，但是通過此負反饋穩(wěn)定了多諧振蕩電路的工作點、穩(wěn)定了電路的輸出頻率，很好的提高了傳感 器的頻率穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性等指標，而且還增強了系統(tǒng)的抗干擾能力。雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路的振蕩頻率范圍在30KHz~500KHz之間，綜合頻率隨 磁場變化的靈敏度和穩(wěn)定度來看，當用頻率變化來測量磁場時最佳頻率范圍在 70KHz 100KHz之間。


圖1:背景技術的多諧振蕩磁場傳感器電路圖；圖2:本實用新型的非晶合金弱磁場傳感器探頭部分結構示意圖；圖3:本實用新型的非晶合金弱磁場傳感器測量系統(tǒng)框圖；圖4:本實用新型的非晶合金弱磁場傳感器閉環(huán)測量系統(tǒng)框圖；圖5:本實用新型的非晶合金弱磁場傳感器反饋電路圖；圖6:本實用新型在開關管集電極頻率輸出點處的振蕩信號圖；(a)未加外磁場的情形；(b)加有0.94Oe外磁場的情形；圖7:本實用新型的頻率隨磁場變化輸出標定曲線。
具體實施方式

以下結合附圖說明本實用新型的具體結構和工作方式實施例1:如圖2所示，作為磁芯的非晶條帶4采用CoFeS舊材料制作，作為采集線 圈的磁芯，非晶條帶4長80mm，寬2mm，厚度為30/^，直流電阻約為1Q，采集線圈1、 2和反饋線圈3采用的是0.1mm直徑漆包線，繞制圈數均為280 圈，繞制方法為三線同繞，連接方法為線圈1、 2串聯(lián)反接。A與C間為線圈1， A與B間為線圈2， A為電源接入點，B、 C為探頭與 振蕩電路連接點；D與E間為反饋線圈3， D為反饋線圈接地點，E為反饋電路 與反饋線圈連接點。這樣進行連接可以盡量的保證多諧振蕩電路的對稱性。如圖3所示，非晶合金弱磁場傳感器的多諧振蕩電路磁場信號采集線圈的供 電電壓為5V，與信號采集線圈1、 2的C、 B點處所接的振蕩電路的兩個限流電阻16、 17可選用50Q，耦合電阻5、 6為化Q，耦合電容7、 8為0.1/zF，開關三極管9、 10的型號為3DK4D，其后接的電阻18、 19為50Q,平滑電容 11、 12為0.1/zF，負載電阻13、 14為10Q，調零電阻15為20kQ，集成芯片36、 37、 38為計數器74HC90,單片機39為AT89C2051， 40為測量結果 顯示輸出端，諧振電容41、 42為100pF，石英晶振43振蕩頻率為32768Hz， 電阻44為4.7kQ，集成芯片45為4060，集成芯片46、 47為CD4013。圖5的濾波電路中電阻20、 21為1kQ，濾波電容22、 23為10/^1，放大電路中放大倍數調節(jié)電阻24為830Q， 25為儀表放大器AD620，反饋電路電 阻26、 27、 28、 29為10kQ，運算放大器30為OP07,反饋電流調節(jié)電阻31 為1.3kQ，運算放大器32為OP07。實驗中，外加待測磁場是由赫姆霍茲線圈提供，磁場的大小由對赫姆霍茲線 圈供電的直流電源來控制，此赫姆霍茲線圈的電壓/磁場轉換系數為0.094Oe/V， 為消除地球磁場等外界干擾場對測量結果的影響，實驗中，將赫姆霍茲線圈和傳 感器都置于用高磁導率材料制作的屏蔽設備當中。用本實施例的裝置在開關管9、 10集電極處得到的未經分頻的振蕩波形圖 如圖6所示。圖6的信號為直接從開關管集電極處采集出來的振蕩波形，沒有 經過1/1000的分頻處理，在圖6中，(a)為未加外磁場時采集到的振蕩波形圖， 其中，曲線l是從開關管9集電極處采集出的振蕩波形，曲線ll為從開關管10 集電極處采集處的振蕩波形，從圖6 (a)中我們能夠看出，當未加外場時，由 于電路的對稱性較好，使得振蕩波形的占空比近似為1: 1，此時振蕩電路的振 蕩頻率為58.090kHz，振蕩信號的峰峰值Vpp=4.86V，而且曲線I與曲線II的波 形對稱，正符合了關于二開關管交替導通與截止的分析。圖6 (b)為當外加 0.940e磁場，獲得最大靈敏度時所得到的振蕩波形圖，曲線川為是從開關管9 集電極處采集出的振蕩波形，曲線IV為從開關管10集電極處采集處的振蕩波形， 把圖6 (b)和圖6 (a)相比較我們可以看出，當有外場存在時，由于兩信號采 集線圈1、 2為串聯(lián)反接結構，使得外場信號對兩線圈的作用并不相同，就造成 了兩線圈的電感值的不再相等，這樣就引起了振蕩電路的不對稱性加劇，使得振 蕩波形的占空比和頻率都發(fā)生了較大改變，此時振蕩電路的振蕩頻率變成了 93.475kHz，振蕩信號的峰峰值Vpp=5.99V，而且曲線川與曲線IV的波形對稱， 符合了關于二開關管交替導通與截止的分析。在探頭上加載的反饋場Hf=NI， I為從圖5所示反饋電路的輸出端Feedback Signal連接到線圈3的E端的反饋電流，N為反饋線圈3的匝密度。其中I的值 隨所測外磁場值變化而變化，這樣能在測量不同場值的磁場信號時都加載一個和 所測磁場值相匹配的反饋場。在未接如圖5所示的反饋電路時，由于電路的穩(wěn)定 度不足，造成所測量出的最終頻率值在0.02Hz范圍內抖動，接入如圖5所示的反饋電路后，電路的穩(wěn)定度得到了很大的改善，對最終的頻率的測量精度能夠達至ij 0.001 Hz。利用單片機從雙穩(wěn)態(tài)振蕩電路的開關管9或開關管10的集電極檢測的輸出 頻率與被測磁場的關系曲線見圖7。從圖7所示的磁場-頻率關系測量曲線能夠 看出，沿非晶帶正反兩方向的磁場-頻率輸出曲線在一10e +10e的范圍內重 合，說明本實用新型可在量程內無差別準確測量正反方向的磁場。(圖7為一個 在實驗中所獲得的標準磁場-頻率圖，為在實際應用中所用的標定曲線)經過實驗測量所獲得的傳感器的具體技術參數如下表量程最大靈敏度 重復性誤差土10e87.95Hz/Oe0.17%
權利要求1、非晶合金弱磁場傳感器，由探頭(48)、雙穩(wěn)態(tài)振蕩電路(49)、頻率測量電路(50)組成，其特征在于探頭(48)是由纏繞在非晶合金條帶(4)上的磁場信號采集線圈(1、2)組成，線圈(1、2)串聯(lián)反接且作為雙穩(wěn)態(tài)振蕩電路(49)的電感部分；雙穩(wěn)態(tài)振蕩電路(49)中開關三極管(9)或開關三極管(10)的集電極處產生一個頻率與線圈(1、2)電感量相關的振蕩信號，通過頻率測量電路(50)測量振蕩信號的頻率就能夠測量通過非晶合金條帶(4)上的磁場值的大小。
2、 如權利要求1所述的非晶合金弱磁場傳感器，其特征在于在雙穩(wěn)態(tài)振蕩 電路(49)的直流電壓輸出端Eout1、 Eout2接有由濾波電路(33)、差動 放大電路(34)和電壓電流轉換電路(35)組成的反饋電路，其將兩路電 壓信號經濾波、差動放大后轉換為直流電流反饋信號。
3、 如權利要求2所述的非晶合金弱磁場傳感器，其特征在于在非晶合金條 帶(4)上還纏繞有反饋線圈(3)，線圈(1、 2、 3)并排緊密繞制且沒有 疊線，反饋線圈(3)的一端接地，另一端為反饋信號輸入端，該反饋信號 是由反饋電路產生的直流電流反饋信號。
4、 如權利要求1 、 2或3所述的非晶合金弱磁場傳感器，其特征在于采集線 圈(1、 2)和反饋線圈(3)的匝數為150~500匝。
5、 如權利要求1、 2或3所述的非晶合金弱磁場傳感器，其特征在于非晶合 金條帶(4)由Co基或Fe基非晶帶且具有較好軟磁性能的材料構成，長 60mm~100mm，寬1mm 3mm，厚20戸~40。
專利摘要本實用新型屬于弱磁場測量技術領域，具體涉及一種基于非晶合金的弱磁場傳感器。由探頭、雙穩(wěn)態(tài)振蕩電路、頻率測量電路組成，探頭是由纏繞在非晶合金條帶上的磁場信號采集線圈1、2組成，線圈1、2串聯(lián)反接且作為雙穩(wěn)態(tài)振蕩電路的電感部分；雙穩(wěn)態(tài)振蕩電路中開關三極管集電極處產生一個頻率與線圈1、2電感量相關的振蕩信號，通過頻率測量電路測量振蕩信號的頻率就能夠測量通過非晶合金條帶上的磁場值的大小。本實用新型是用測量多諧振蕩電路振蕩頻率的方法來測量磁場大小，與傳統(tǒng)的用電壓測量的方法相比，其測量和精度靈敏度更高，抗干擾能力更強，可廣泛應用于生產科研各領域的磁場測量。
文檔編號G01R23/10GK201173966SQ200820071628
公開日2008年12月31日 申請日期2008年4月2日 優(yōu)先權日2008年4月2日
發(fā)明者岳鑫隆, 濤 張, 冰 韓, 黃東巖 申請人:吉林大學