CN111308401A - 一种基于阻抗敏感型磁传感器的检测电路及磁传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于阻抗敏感型磁传感器的检测电路及磁传感器，包括正交信号发生器、相位检测PSD、带通滤波器BPF、低通滤波器LPF、模数转换ADC、微处理器和磁传感器；正交信号发生器输出两路，每一路均依次连接相位检测PSD、低通滤波器LPF、模数转换ADC，且每一路的模数转换ADC均连接到微处理器；磁传感器连接正交信号发生器和带通滤波器BPF，带通滤波器BPF分两路分别连接到两个相位检测PSD上。相比于磁芯绕线电感的自谐振状态，由于串联的电容要远大于电感的分布电容，所以LC串联器件的串联谐振频率要元小于其自谐振频率。使用LC串联状态，有效的降低了阻抗敏感型磁传感器的激励信号频率。

Description

一种基于阻抗敏感型磁传感器的检测电路及磁传感器

技术领域

本发明属于磁传感器技术领域，特别涉及一种基于阻抗敏感型磁传感器的检测电路及磁传感器。

背景技术

磁传感器是一种应用及其普遍的传感器，其性能优异，抗干扰能力强，在现代技术中承担着重要角色，并且广泛应用于工程技术和工业领域，如自动控制、地磁导航、生物检测等。相比于其他类型的磁传感器，巨磁阻抗(GMI)型磁传感器因其极高的灵敏度备受科研人员和工程人员的关注。科研人员在对GMI的研究中，相继的在非晶丝、非晶带、薄膜、三明治/多层膜等材料中发现了GMI效应。在现有的商用GMI传感器多是采用软磁非晶丝材料作为敏感单元。其加工工艺繁琐，造成整个传感器成本高昂，不利于大面积应用。同时，一般的GMI驱动检测电路常采用柯比兹振荡器和二极管峰值检波的方案，该方案结构简单，但是也存在很多的缺陷：抗干扰能力差，采样精度不足，信号频率低等。这样的缺陷必然造成了GMI传感器在实际应用中的性能不足，不能很好的满足应用场景需求，严重的阻碍了GMI传感器的性能的提升和应用的推广。随着现代技术发展，对于GMI传感器的数量需求急剧增加，而且对性能也有了更高的要求。现有的GMI传感器由于其工艺繁琐，成本高，性能不足等问题已经无法满足未来发展应用的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于阻抗敏感型磁传感器的检测电路及磁传感器，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于阻抗敏感型磁传感器的检测电路，包括正交信号发生器、相位检测PSD、带通滤波器BPF、低通滤波器LPF、模数转换ADC、微处理器和磁传感器；正交信号发生器输出两路，每一路均依次连接相位检测PSD、低通滤波器LPF、模数转换ADC，且每一路的模数转换ADC均连接到微处理器；磁传感器连接正交信号发生器和带通滤波器BPF，带通滤波器BPF分两路分别连接到两个相位检测PSD上。

进一步的，正交信号发生器用于产生两路正交的交流信号S1＝sin(ωt+α)和S2＝cos(ωt+α)，信号幅值设定为1V；信号S1和信号S2分别作为两个相位检测PSD的输入参考信号。

进一步的，磁传感器和正交信号发生器之间串联有电阻R；磁传感器用于根据外加磁场变化而改变其两端的信号幅值。

进一步的，带通滤波器BPF对磁传感器两端信号S6进行滤波降噪，提高输入到PSD的信号质量，输出信号S5＝Asin(ωt+β)，A为信号幅值。

进一步的，相位检测PSD对参考输入信号S2/S1和被测信号S5作乘法运算；低通滤波器LPF，对PSD的输出信号进行滤波处理，去除信号S3/S4中的高频部分，只剩下直流分量V1/V2，根据理论分析V1＝0.5Asin(β-α)、V2＝0.5Acos(β-α)，根据V1和V2的输出公式，连立求解出信号幅值

进一步的，模数转换芯片ADC将信号V1、V2转换为数字信号输入到微处理器中进行下一步分析运算；微处理器用于进行开方运算，根据V1、V2的电压值求解出信号S5幅值A。

进一步的，一种阻抗敏感型磁传感器，包括电感L和电容C，电感L和电容C串联形成LC串联磁传感器，LC串联电路发生谐振，谐振频率

谐振频率处阻抗值最小|Zmin|；交流驱动电流和信号读出电路通过接口A接入LC串联磁传感器。

进一步的，电感L为磁芯绕线电感，电容C为陶瓷电容。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明是一种LC串联谐振下阻抗敏感型磁传感器。LC串联电路的阻抗值是一个磁场敏感量。器件外部施加磁场时，LC串联电路的阻抗值会随着外加磁场单调变化。本发明提出的传感方案利用了已经技术成熟的磁芯绕线电感和陶瓷电容，工艺简单，成本低廉，基于磁芯绕线电感巨磁阻抗效应，具有很高的磁场探测灵敏度。

相比于磁芯绕线电感的自谐振状态，由于串联的电容要远大于电感的分布电容，所以LC串联器件的串联谐振频率要元小于其自谐振频率。使用LC串联状态，有效的降低了阻抗敏感型磁传感器的激励信号频率。

本发明提出了一种基于阻抗型磁传感器的硬件检测电路，可以实现快速高效的磁场检测。

附图说明

图1是本发明LC串联电路示意图；

图2是本发明LC串联电路串联谐振和自谐振曲线；

图3是本发明的LC串联电路阻抗值随磁场和频率变化曲线；

图4是本发明的LC串联电路在不同激励频率下阻抗变化率和磁场关系曲线。

图5是本发明的LC串联电路在不同激励频率下阻抗变化率相对磁场灵敏与磁场关系曲线；

图6是本发明的LC串联电路阻抗变化量随外加磁场变化曲线。

图7阻抗敏感型磁传感器硬件检测电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

请参阅图1至图7，一种基于阻抗敏感型磁传感器的检测电路，包括正交信号发生器、相位检测PSD、带通滤波器BPF、低通滤波器LPF、模数转换ADC、微处理器和磁传感器；正交信号发生器输出两路，每一路均依次连接相位检测PSD、低通滤波器LPF、模数转换ADC，且每一路的模数转换ADC均连接到微处理器；磁传感器连接正交信号发生器和带通滤波器BPF，带通滤波器BPF分两路分别连接到两个相位检测PSD上。

正交信号发生器用于产生两路正交的交流信号S1＝sin(ωt+α)和S2＝cos(ωt+α)，信号幅值设定为1V；信号S1和信号S2分别作为两个相位检测PSD的输入参考信号。

磁传感器和正交信号发生器之间串联有电阻R；磁传感器用于根据外加磁场变化而改变其两端的信号幅值。

带通滤波器BPF对磁传感器两端信号S6进行滤波降噪，提高输入到PSD的信号质量，输出信号S5＝Asin(ωt+β)，A为信号幅值。

相位检测PSD对参考输入信号S2/S1和被测信号S5作乘法运算；低通滤波器LPF，对PSD的输出信号进行滤波处理，去除信号S3/S4中的高频部分，只剩下直流分量V1/V2，根据理论分析V1＝0.5Asin(β-α)、V2＝0.5Acos(β-α)，根据V1和V2的输出公式，连立求解出信号幅值

模数转换芯片ADC将信号V1、V2转换为数字信号输入到微处理器中进行下一步分析运算；微处理器用于进行开方运算，根据V1、V2的电压值求解出信号S5幅值A。

一种阻抗敏感型磁传感器，包括电感L和电容C，电感L和电容C串联形成LC串联磁传感器，LC串联电路发生谐振，谐振频率

谐振频率处阻抗值最小|Zmin|；交流驱动电流和信号读出电路通过接口A接入LC串联磁传感器。

电感L为磁芯绕线电感，电容C为陶瓷电容。

(1)如图1所示，本发明提出的LC串联阻抗敏感型磁传感器由磁芯绕线电感L1和陶瓷电容C1串联组成。交流驱动电流和信号读出电路通过接口A接入LC串联磁传感器。

(2)本发明提出的LC串联磁传感器是通过磁芯绕线电感磁芯对磁场的敏感性实现磁场探测。由于电感磁芯在收到外加磁场作用时，其磁导率会发生变化，反映到LC串联电路中的表现就是谐振频率f0的改变和阻抗值得变化。磁芯绕线电感由于其自身分布电容的存在，会产生一个LC并联谐振峰，如图2中曲线A所示，该曲线说明了磁芯绕线电感的自谐振现象。

本发明提出的LC串联谐振模式阻抗随频率变化关系，如图2中曲线B所示。通过串联电容C1，阻抗随频率变化曲线在低频处出现一个波谷，即LC串联谐振点。通过串联电容C1，实现了谐振频率处阻抗取到最小值。

由于磁芯绕线电感具有自谐振特性，要在远离自谐振频率的低频处形成LC串联谐振，就需要选取合适大小的陶瓷电容。一般的磁芯绕线电感分布电容在20pF以下，所以选取的串联陶瓷电容要远大于电感分布电容。本发明实例中选取的电容为100pF陶瓷电容。

(3)LC串联谐振电路由于外加磁场对电感磁芯的作用，导致串联谐振频率发生变化，同时会造成阻抗值发生改变。如图3所示，在串联谐振状态时，其谐振频率f0随着外加磁场的增大而变大。同时，同一频率的激励信号对应的阻抗值也发生了明显的变化，这一现象表明在同一激励信号频率下，阻抗值与磁场存在相关性。

(4)根据图3所显示的LC串联磁传感器特性，进一步测试了器件在不同激励信号频率f下阻抗值Z随磁场H变化关系。根据通用的磁阻抗器件的阻抗变化率R计算公式：

可以得到LC串联磁传感器阻抗变化率R与外加磁场H关系，如图4所示。在一定磁场范围内，约7-10Oe范围内，阻抗变化率R随着磁场的增大，有一个近似于台阶的变化，此台阶处即为传感器可利用的有效工作区间。进一步获得阻抗变化率R随磁场变化的灵敏度：S＝dR/dH，可以得到如图5所示结果。

根据图4和图5所示结果，可以得出，LC串联型传感器有较高的灵敏度S，其高灵敏度工作区域在8Oe附近，其工作时需要施加一个偏置磁场Hbias。

(5)根据图2、图3、图4、图5所示结果，选取合适的激励信号频率f和偏置磁场Hbias，测试LC串联磁传感器对于外加磁场H的响应特性。对LC串联磁传感施加1Hz的正弦磁场信号，改变外加磁场H的幅值，测量传感器的阻抗变化量ΔZ，测试结果如图6所示，随着外加磁场H的逐渐减小，阻抗变化量ΔZ也在减小，在800nT-3nT范围内，外加磁场H和阻抗变化量ΔZ基本呈线性变化。当外加磁场值低于3nT后，阻抗变化量不再沿线性拟合曲线变化。

(6)根据本发明提出的阻抗敏感型磁传感器特性，其阻抗值的变化映射到传感器驱动信号上的幅值变化。根据信号幅值变化特性，本发明提出了一种硬件检测原理电路，如图7所示。该硬件电路采用了正交双向锁定放大器设计，消除了单一锁相放大器中参考信号和被测信号之间相位差的影响。本发明提出的硬件检测原理电路包括：正交信号发生器、相位检测PSD、带通滤波器BPF、低通滤波器LPF、模数转换ADC、微处理器、RLC串联网络。

所述正交信号发生器：用于产生两路正交的交流信号S1＝sin(ωt+α)和S2＝cos(ωt+α)，信号幅值设定为1V。信号S1和信号S2分别作为两个相位检测PSD的输入参考信号。

所述RLC串联网络：基于本发明提出的LC串联谐振阻抗敏感型磁传感器，通过串联电阻R进行分压，LC串联网络阻抗值会随外加磁场变化，所以其两端的信号S6幅值也会随磁场变化。

所述BPF：带通滤波器BPF对LC两端信号进行滤波降噪，提高输入到PSD的信号质量，输出信号S5＝Asin(ωt+β)，A为信号幅值，与外加磁场信号相关。

所述PSD：PSD是一个相敏检测器，PSD对参考输入信号S2/S1和被测信号S5作乘法运算。

所述LPF：低通滤波器LPF，对PSD的输出信号进行滤波处理，去除信号S3/S4中的高频部分，只剩下直流分量V1/V2，根据理论分析V1＝0.5Asin(β-α)、V2＝0.5Acos(β-α)。根据V1和V2的输出公式，可以连立求解出信号幅值

所述ADC：模数转换芯片ADC可以将信号V1 V2转换为数字信号输入到微处理器中进行下一步分析运算。

所述微处理器：微处理器主要用来进行开方运算，根据V1 V2的电压值求解出信号S5幅值A。

根据本发明提出的硬件检测电路原理，可以实现对LC串联谐振阻抗敏感型磁传感器的驱动的检测，通过该电路方案，可以实现LC串联谐振阻抗敏感型磁传感器对磁场的检测，最终的输出电压Vout是开方运算后的S5信号幅值A，该输出信号与外加磁场相关：Vout＝f(H)。

Claims (8)

1.一种基于阻抗敏感型磁传感器的检测电路，其特征在于，包括正交信号发生器、相位检测PSD、带通滤波器BPF、低通滤波器LPF、模数转换ADC、微处理器和磁传感器；正交信号发生器输出两路，每一路均依次连接相位检测PSD、低通滤波器LPF、模数转换ADC，且每一路的模数转换ADC均连接到微处理器；磁传感器连接正交信号发生器和带通滤波器BPF，带通滤波器BPF分两路分别连接到两个相位检测PSD上。

2.根据权利要求1所述的一种基于阻抗敏感型磁传感器的检测电路，其特征在于，正交信号发生器用于产生两路正交的交流信号S1＝sin(ωt+α)和S2＝cos(ωt+α)，信号幅值设定为1V；信号S1和信号S2分别作为两个相位检测PSD的输入参考信号。

3.根据权利要求1所述的一种基于阻抗敏感型磁传感器的检测电路，其特征在于，磁传感器和正交信号发生器之间串联有电阻R；磁传感器用于根据外加磁场变化而改变其两端的信号幅值。

4.根据权利要求1所述的一种基于阻抗敏感型磁传感器的检测电路，其特征在于，带通滤波器BPF对磁传感器两端信号S6进行滤波降噪，提高输入到PSD的信号质量，输出信号S5＝Asin(ωt+β)，A为信号幅值。

5.根据权利要求1所述的一种基于阻抗敏感型磁传感器的检测电路，其特征在于，相位检测PSD对参考输入信号S2/S1和被测信号S5作乘法运算；低通滤波器LPF，对PSD的输出信号进行滤波处理，去除信号S3/S4中的高频部分，只剩下直流分量V1/V2，根据理论分析V1＝0.5Asin(β-α)、V2＝0.5Acos(β-α)，根据V1和V2的输出公式，连立求解出信号幅值

6.根据权利要求1所述的一种基于阻抗敏感型磁传感器的检测电路，其特征在于，模数转换芯片ADC将信号V1、V2转换为数字信号输入到微处理器中进行下一步分析运算；微处理器用于进行开方运算，根据V1、V2的电压值求解出信号S5幅值A。

7.一种阻抗敏感型磁传感器，其特征在于，包括电感L和电容C，电感L和电容C串联形成LC串联磁传感器，LC串联电路发生谐振，谐振频率

谐振频率处阻抗值最小|Zmin|；交流驱动电流和信号读出电路通过接口A接入LC串联磁传感器。

8.根据权利要求7所述的一种阻抗敏感型磁传感器，其特征在于，电感L为磁芯绕线电感，电容C为陶瓷电容。

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