CN111398880A - 一种用于多铁性磁传感器的负反馈式读出*** - Google Patents

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罗京
邱阳
朱明敏
郁国良
杨浛
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Abstract

本发明公开了一种用于多铁性磁传感器的负反馈式读出***，包括信号处理模块、调制模块、反馈电路及磁场生成单元，所述信号处理模块的输入端连接多铁性磁传感器，调制模块连接信号处理模块的参考信号端，调制模块同时调制信号处理模块的输入端信号，信号处理模块的输出端连接反馈电路的输入端，反馈电路的输出端连接磁场生成单元，磁场生成单元产生反馈磁场，其中信号处理模块的输出端作为信号读取端。本发明引入了反馈模块，通过其产生的反馈磁场，使多铁性磁传感器本身处在一个稳定的磁场环境中，进而锁定多铁性磁传感器的工作点，由此该传感器的量程不再依赖其本身的线性区间，而是取决于反馈模块，保证该磁电传感器具有超宽的线性工作区间。

Description

一种用于多铁性磁传感器的负反馈式读出***
技术领域
本发明涉及磁场测量领域，特别涉及一种用于多铁性磁传感器的负反馈式读出***。
背景技术
磁电耦合效应是指材料在外加磁场作用下产生电极化或者材料在外加电场作用下产生磁化的现象。因此，在同时具有压电效应和磁致伸缩效应的材料***中，外界磁场的变化可以通过磁电耦合效应产生电信号响应，并且该电信号响应与外界磁场幅值成一定范围的线性关系。目前，经过良好屏蔽处理，磁电材料在谐振频率下可以探测到1.2*10-10T的交流磁场；利用非晶层的高磁导率和强磁性各向异性，可以使得非晶合金/PZT纤维阵列叠层复合材料对直流磁场具有10-9T的灵敏度，以及高达10-5度的角度灵敏度。已有的研究案例展示了基于磁电材料的磁场传感器在航海航空、医学检测、地质勘探、信息处理等方面的应用前景，并且其具有灵敏度高、成本低、功耗小等优点。
如授权公告号CN101047225B的发明提供一种磁电耦合器件，其包括：两个磁致伸缩材料片；压电器件，其位于两个磁致伸缩材料片之间并与其耦合，用以将磁致伸缩材料产生的位移转换为电信号；以及夹具，其上安装耦合在一起的压电器件和两个磁致伸缩材料片。
然而，尽管目前已提出基于磁电材料的磁场传感器原型，并演示了探测磁场的可行性，但将该类型磁场传感器推向实用化仍有许多工作，如优化器件结构设计与***集成、提高器件整体性能和信噪比等。此外，目前磁电耦合式磁场传感器设计都是直接将磁电材料输出的微弱电信号直接放大，读出电路中没有引入负反馈。磁场-电压转换系数取决于磁电材料本身的磁场-电压特性曲线，这样，对曲线的线性度要求很高，磁场探测区间局限于磁场-电压特性曲线中的线性区域，导致磁场测量工作区间较窄。
发明内容
针对现有技术灵敏度均依赖于磁电材料本身磁场-电压特性曲线中线性区间，对磁电材料设计要求较高，磁场测量工作区较窄的问题，本发明提供了一种用于多铁性磁传感器的负反馈式读出***，通过负反馈的形式，不再依赖磁场-电压特性曲线中的线性区域，使得磁场-电压转换系数将主要取决于反馈模块，而不是多铁性磁传感器本身，可以将非线性的磁场-电压特性曲线线性化，大幅提高了测量灵敏度，使量程范围大幅增加，且结构简单，成本低，功耗小，能够室温实现，易于集成。
以下是本发明的技术方案。
一种用于多铁性磁传感器的负反馈式读出***，包括信号处理模块、调制模块、反馈电路及磁场生成单元，所述信号处理模块的输入端连接多铁性磁传感器，调制模块连接信号处理模块的参考信号端，调制模块同时调制信号处理模块的输入端信号，信号处理模块的输出端连接反馈电路的输入端，反馈电路的输出端连接磁场生成单元，磁场生成单元产生反馈磁场，其中信号处理模块的输出端作为信号读取端。
为了解决被多铁性磁传感器本身线性区间限制的问题，引入了反馈电路和磁场生成单元，将反馈的电信号转化为磁场强度，用以叠加在被测磁场中，使得整体磁场保持稳定在所需的磁场强度中，其中磁场生成单元可以是能根据电信号生成可控磁场的任意器件，使得一定磁场强度内，通过叠加反馈磁场，使多铁性磁传感器本身处在一个稳定的磁场环境中，测量量程不再依赖多铁性磁传感器本身的线性区间，而是取决于反馈电路。
其中调制模块影响信号处理模块的输入端信号的方式可以是产生调制磁场以影响多铁性磁传感器的输出，也可以直接改变电传感模块与信号处理模块的输入端之间的电压信号，最终这两种方式都改变了信号处理模块的输入端的信号，完成调制。
作为优选，所述信号处理模块包括前置放大器、锁相放大器及低通滤波器，调制模块包括振荡器及第一线圈组，所述前置放大器的输入端连接多铁性磁传感器，锁相放大器的输入端连接前置放大器的输出端，振荡器的输出端连接第一线圈组及锁相放大器参考信号端，低通滤波器的输入端连接锁相放大器的输出端，低通滤波器的输出端作为信号读取端，第一线圈组置于多铁性磁传感器的检测距离内。通过振荡器及第一线圈组为待测磁场增加一个稳定的变化磁场，以调制多铁性磁传感器的输出电信号，再通过前置放大器放大，锁相放大器解调和放大，最后通过低通滤波器后输出，可以得到更精确的数据。其中很多情况下低通滤波器可以用积分器代替。
作为优选，所述磁场生成单元与信号处理模块共用第一线圈组。可以将反馈信号与信号处理模块中用于控制磁场的信号叠加在第一线圈中，与上一方案的区别仅在于，本方案是将两种原本产生磁场的电信号直接在同一个线圈组中叠加。
作为优选，所述第一线圈组缠绕于多铁性磁传感器上。可以节省空间，同时提高调制的强度。
作为优选，所述多铁性磁传感器与信号处理模块之间通过变压器连接。
作为优选，所述磁场生成单元为第二线圈组，第二线圈组置于多铁性磁传感器的检测距离内。
作为优选，所述磁场生成单元还包括屏蔽盒，屏蔽盒与第二线圈组可拆卸连接。屏蔽盒一般使用高磁导率材料制成，如铁等。在调试等不需要反馈磁场的时候，可以将第二线圈组放置在屏蔽盒中，防止频繁在电路上改动影响可靠性。
本发明的实质性效果包括：结构简单，通过反馈的方式补偿被测磁场，锁定多铁性磁传感器的线性工作点，不再受到多铁性磁传感器本身的线性区间限制，保证最终输出电压信号与所检测的磁信号具有超宽的线性工作区间。
附图说明
图1为本发明实施例一的电路原理图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。另外，为了更好的说明本发明，在下文中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未做详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
实施例一：
如图1所示是一种用于多铁性磁传感器的负反馈式读出***，包括信号处理模块、调制模块、反馈电路及磁场生成单元。本实施例的信号处理模块包括前置放大器U1、锁相放大器U2及低通滤波器U3，调制模块包括振荡器fm及第一线圈组，多铁性磁传感器K1与前置放大器U1之间通过变压器H1连接，锁相放大器U2的输入端连接前置放大器U1的输出端，振荡器fm的输出端连接第一线圈组及锁相放大器U2参考信号端，低通滤波器U3的输入端连接锁相放大器U2的输出端，低通滤波器U3的输出端作为信号读取端，第一线圈组置于多铁性磁传感器K1的检测距离内。通过振荡器fm及第一线圈组为待测磁场增加一个稳定的变化磁场，以调制多铁性磁传感器K1的输出电信号，再通过前置放大器U1放大，锁相放大器U2解调和放大，最后通过低通滤波器U3后输出，可以得到更精确的数据。
磁场生成单元与信号处理模块共用第一线圈组。可以将反馈信号与信号处理模块中用于控制磁场的信号叠加在第一线圈中，与上一方案的区别仅在于，本方案是将两种原本产生磁场的电信号直接在同一个线圈组中叠加。
其中多铁性磁传感器K1包括相互耦合的压电单元与磁致伸缩单元。本实施例的多铁性磁传感器K1由两个磁致伸缩材料片及压电器件组成，压电器件位于两个磁致伸缩材料片之间并与其耦合，同时外部通过夹具固定，磁致伸缩材料片感受到磁场后产生形变，压电器件感受压力后产生电信号。本实施例中的压电单元与磁致伸缩单元还可以是其他类似的组合形式，如多层结构或者多方向延伸的结构，可根据检测需要进行改动。
实施例二：
本实施例与上一实施例的区别在于，磁场生成单元为第二线圈组，第二线圈组置于多铁性磁传感器K1的检测距离内。
磁场生成单元还包括屏蔽盒，屏蔽盒与第二线圈组可拆卸连接。屏蔽盒一般使用高磁导率材料制成，如铁等。在调试等不需要反馈磁场的时候，可以将第二线圈组放置在屏蔽盒中，防止频繁在电路上改动影响可靠性。
上述实施例为了解决被多铁性磁传感器K1本身线性区间限制的问题，引入了反馈电路和磁场生成单元，将反馈的电信号转化为磁场强度，用以叠加在被测磁场中，使得整体磁场保持稳定在所需的磁场强度中，其中磁场生成单元可以是能根据电信号生成可控磁场的任意器件，使得一定磁场强度内，通过叠加反馈磁场，使多铁性磁传感器K1本身处在一个稳定的磁场环境中，测量量程不再依赖多铁性磁传感器K1本身的线性区间，而是取决于反馈电路。
其中调制模块影响信号处理模块的输入端信号的方式可以是产生调制磁场以影响多铁性磁传感器K1的输出，也可以直接改变电传感模块与信号处理模块的输入端之间的电压信号，最终这两种方式都改变了信号处理模块的输入端的信号，完成调制。
通过以上实施方式的描述，所属领域的技术人员可以了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将具体装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的结构和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的关于结构的实施例仅仅是示意性的，例如，模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个结构，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，结构或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是一个物理单元或多个物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个不同地方。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(read only memory，ROM)、随机存取存储器(random access memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上内容，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种用于多铁性磁传感器的负反馈式读出***，其特征在于，包括信号处理模块、调制模块、反馈电路及磁场生成单元，所述信号处理模块的输入端连接多铁性磁传感器，调制模块连接信号处理模块的参考信号端，调制模块同时调制信号处理模块的输入端信号，信号处理模块的输出端连接反馈电路的输入端，反馈电路的输出端连接磁场生成单元，磁场生成单元产生反馈磁场，其中信号处理模块的输出端作为信号读取端。
2.根据权利要求1所述的一种用于多铁性磁传感器的负反馈式读出***，其特征在于，所述信号处理模块包括前置放大器、锁相放大器及低通滤波器，调制模块包括振荡器及第一线圈组，所述前置放大器的输入端连接多铁性磁传感器，锁相放大器的输入端连接前置放大器的输出端，振荡器的输出端连接第一线圈组及锁相放大器参考信号端，低通滤波器的输入端连接锁相放大器的输出端，低通滤波器的输出端作为信号读取端，第一线圈组置于多铁性磁传感器的检测距离内。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于多铁性磁传感器的负反馈式读出***，其特征在于，所述磁场生成单元为第二线圈组，第二线圈组置于多铁性磁传感器的检测距离内。
4.根据权利要求2所述的一种用于多铁性磁传感器的负反馈式读出***，其特征在于，所述磁场生成单元与信号处理模块共用第一线圈组。
5.根据权利要求2或4所述的一种用于多铁性磁传感器的负反馈式读出***，其特征在于，所述第一线圈组缠绕于多铁性磁传感器上。
6.根据权利要求1所述的一种用于多铁性磁传感器的负反馈式读出***，其特征在于，所述多铁性磁传感器与信号处理模块之间通过变压器连接。
7.根据权利要求3所述的一种用于多铁性磁传感器的负反馈式读出***，其特征在于，所述磁场生成单元还包括屏蔽盒，屏蔽盒与第二线圈组可拆卸连接。
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