CN103675724A - 一种利用电场改善巨磁阻抗传感器磁滞的装置及其改善方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用电场改善巨磁阻抗传感器磁滞的装置，包括：巨磁阻抗敏感材料，其在工作状态下测量外磁场变化下变化的阻抗信号数据；驱动电源，其与巨磁阻抗敏感材料的两端连接，使巨磁阻抗敏感材料交流磁化并工作；金属壳，其包围在巨磁阻抗敏感材料的外围；辅助电源，其与金属壳连接，用于在巨磁阻抗敏感材料与金属壳之间产生电场。本发明在该电场的作用下，传感器的磁滞现象被明显抑制了，提高了传感器的精度。本发明还提出了一种利用电场改善巨磁阻抗传感器磁滞的装置的改善方法。

Description

一种利用电场改善巨磁阻抗传感器磁滞的装置及其改善方法

技术领域

本发明涉及优化磁性传感器性能领域，具体涉及一种利用电场改善巨磁阻抗传感器磁滞的装置及其改善方法。

背景技术

现有技术中通过驱动电源产生交流驱动磁场，施加在巨磁阻抗(GMI)敏感材料的两端，使GMI敏感材料磁化饱和。将GMI材料置于外磁场中，外磁场平行材料和金属壳长轴方向，由外磁场变化引起的阻抗变化信号在GMI敏感材料两端，传感采集器直接测得。

当磁场从负饱和变化到正饱和时的阻抗曲线(increase)和当磁场从正饱和变化到负饱和时的阻抗曲线(decrease)存在差异，这种差异是因为材料存在磁滞。众所周知，只要是磁性材料就存在磁滞现象，GMI传感器使用高磁导率低磁滞的材料(磁导率高达几十万，矫顽力小到几个A/m)，其由磁滞导致的非一致性一般来说远远低于其他传感器。但是恰恰因为其极高的分辨率，微小的不一致性也会对传感器的精度造成影响。因此，研究如何克服这种由磁滞引起的不一致性就显得很有意义。

发明内容

本发明克服了背景技术中的上述不足，提出一种利用电场改善巨磁阻抗传感器磁滞的装置及其改善方法。本发明在巨磁阻抗传感器的巨磁阻抗敏感材料两端施加驱动信号，测量外磁场变化下阻抗信号的变化。在巨磁阻抗敏感材料外，安装了一个金属壳，在金属壳上施加了一个稳定的电势，进而在壳和巨磁阻抗敏感材料之间产生电场。在该电场的作用下，传感器的磁滞现象被明显抑制了，提高了传感器的精度。

本发明提出了一种利用电场改善巨磁阻抗传感器磁滞的装置，包括：

巨磁阻抗敏感材料，其在工作状态下测量外磁场变化下变化的阻抗信号数据；

驱动电源，其与所述巨磁阻抗敏感材料的两端连接，使所述巨磁阻抗敏感材料交流磁化并工作；

金属壳，其包围在所述巨磁阻抗敏感材料的外围；

辅助电源，其与所述金属壳连接，用于在所述巨磁阻抗敏感材料与所述金属壳之间产生电场。

其中，进一步包括传感采集器，其与所述巨磁阻抗敏感材料的两端连接，测量所述巨磁阻抗敏感材料的阻抗信号数据。

其中，所述巨磁阻抗敏感材料的材料是在外加磁场发生变化下，交流阻抗变化大于1％的金属。

其中，所述金属壳的材料是不具磁性的金属。

其中，进一步包括所述金属层是沉积在所述巨磁阻抗敏感材料表面的金属的包围结构。

其中，所述金属壳和所述巨磁阻抗敏感材料之间设置有绝缘层。

本发明还提出了一种利用电场改善巨磁阻抗传感器磁滞的装置的改善方法，包括：

步骤一：选通所述驱动电源产生交流驱动磁场施加在所述巨磁阻抗敏感材料的两端，磁化所述巨磁阻抗敏感材料；

步骤二：选通所述辅助电源向所述金属壳供电，在所述金属壳上产生稳定的电势；

步骤三：所述巨磁阻抗敏感材料与所述金属壳的电势之间产生径向分布电场，抑制磁滞现象。

其中，进一步包括步骤四：将所述巨磁阻抗敏感材料与金属壳置于外磁场中，所述传感采集器测量所述巨磁阻抗敏感材料两端变化的阻抗信号数据。

其中，所述驱动电源使所述巨磁阻抗敏感材料磁化饱和。

其中，所述外磁场的磁感线方向平行于所述巨磁阻抗敏感材料与金属壳的长轴方向。

本发明在巨磁阻抗敏感材料外安装了与之产生径向分布电场的金属壳，该电场对材料的磁化过程产生了影响，改善了材料存在的磁滞问题。

本发明结构简单，安装方便，极大的提高了传感器的测量精度。

附图说明

图1是本发明利用电场改善巨磁阻抗传感器磁滞的装置的示意图。

图2是本发明改善方法的流程图。

图3是外磁场在21MHz时阻抗比信号随磁场的变化的波形图。

图4是最高阻抗比信号随频率的变化的波形图。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

1-巨磁阻抗敏感材料，2-驱动电源，3-金属壳，4-辅助电源，5-传感采集器。

本发明的利用电场改善巨磁阻抗传感器磁滞的装置，包括：

巨磁阻抗敏感材料1，其在工作状态下测量外磁场变化下变化的阻抗信号数据；

驱动电源2，其与巨磁阻抗敏感材料1的两端连接，使巨磁阻抗敏感材料1交流磁化并工作；

金属壳3，其包围在巨磁阻抗敏感材料1的外围；

辅助电源4，其与金属壳3连接，用于在巨磁阻抗敏感材料1与金属壳3之间产生电场。

本发明中进一步包括传感器采集器5，其与巨磁阻抗敏感材料1的两端连接，测量巨磁阻抗敏感材料1的阻抗信号数据。

其中，巨磁阻抗敏感材料1的材料是在外加磁场发生变化下，交流阻抗变化大于1％的金属。

本发明中，金属壳3的材料是不具磁性的金属。金属层3还可以是沉积在巨磁阻抗敏感材料1表面的金属的包围结构。金属壳3和巨磁阻抗敏感材料1之间设有绝缘层。

如图1所示，本发明的构成包括巨磁阻抗(GMI)敏感材料1、驱动电源2、金属壳3、辅助电源4、传感采集器5。驱动电源2，产生交流驱动磁场，施加在巨磁阻抗敏感材料1的两端，使巨磁阻抗敏感材料1磁化饱和。巨磁阻抗敏感材料1在驱动电源2产生的交流信号下驱动下，对外磁场进行感应。巨磁阻抗敏感材料1的形状包括但不限于丝、薄膜、块体、薄带、粉末等等。金属壳3用来将巨磁阻抗敏感材料1放置在其内正中位置，辅助电源4和金属壳3连接，辅助电源4在金属壳3上产生一个稳定的电势，产生对巨磁阻抗敏感材料1磁化过程起作用的电场，该电场起到减少磁滞的作用。由外磁场变化引起变化的阻抗信号数据存在于巨磁阻抗敏感材料1的两端，由传感采集器5采集获得。

本发明的利用电场改善巨磁阻抗传感器磁滞的装置的改善方法，如图2所示，包括：

步骤一：选通驱动电源2产生交流驱动磁场施加在巨磁阻抗敏感材料1的两端，磁化巨磁阻抗敏感材料1，直至巨磁阻抗敏感材料1磁化饱和；

步骤二：选通辅助电源4向金属壳3供电，在金属壳3上产生稳定的电势；

步骤三：巨磁阻抗敏感材料1与金属壳3的电势之间产生径向分布电场，抑制磁滞现象。

本发明的改善方法进一步包括步骤四：将巨磁阻抗敏感材料1与金属壳3置于外磁场中，传感采集器5测量巨磁阻抗敏感材料1两端变化的阻抗信号数据。外磁场的磁感线方向平行于巨磁阻抗敏感材料1与金属壳3的长轴方向。

本实施例中，驱动电源2产生交流驱动磁场施加在巨磁阻抗敏感材料1的两端，使巨磁阻抗敏感材料磁化饱和。在巨磁阻抗敏感材料1外套上一层金属壳3。金属壳3和辅助电源4连接，在金属壳3上产生一个稳定的电势，进而产生对巨磁阻抗敏感材料1磁化过程起作用的电场。将巨磁阻抗敏感材料1与金属壳3置于外磁场内，外磁场的磁感线平行与巨磁阻抗敏感材料1和金属壳3长轴方向。由外磁场变化引起的阻抗信号数据的变化存在于巨磁阻抗敏感材料1的两端，由传感采集器5直接测得。

本实施例中通过将应用本发明改善方法前后的阻抗信号数据的对比，进一步说明本发明利用电场改善巨磁阻抗传感器磁滞的装置及其改善方法的效果。

磁阻抗比(MI ratio)的定义以如下公式表示：

$\frac{\mathrm{\ΔZ}}{Z}(\%)=\frac{Z\left(H_{\mathrm{ex}}\right)-Z\left(H_{\max }\right)}{Z\left(H_{\max }\right)}\×100\%$

式中，Z(H_ex)为在任意外磁场下所测得的阻抗值，Z(H_max)为最大外磁场时的阻抗值。

本实施例中的外加磁场平行于巨磁阻抗敏感材料1的长轴方向，外磁场由一组亥姆赫兹线圈提供，大小为正负730e。本实施例中定义外磁场从负730e变化到正730e为正向，标记为“+”变化，外磁场从正730e变化到负730e为负向，标记为“-”变化，测量过程中外磁场的变化方向为正向与负向来回切换。

首先在无金属壳3的情况下(即采用现有技术)进行测量，然后在巨磁阻抗敏感材料1上套上金属壳3上并加上电压(即采用本发明方法，直流辅助电压为10V)重复该测量。

本实施例中选取21MHz的阻抗比曲线来研究施加在金属壳3的电压对于磁滞效应的影响。如图3所示，图3显示的是21MHz时阻抗信号随磁场变化的曲线。图3中nc代表没有金属壳，10V代表金属壳3接10V电压；“+”代表外磁场正向变化，“-”代表外磁场负向变化。测量结果如图3，在有金属壳3施加电压后，如图3所示材料在外磁场正向与负向的变化过程中，阻抗信号的差别减小。

通过考察不同频率的测量结果，如图4所示，从频谱图可以看出一方面，无论是否加直流辅助电压和金属壳3，正向外磁场变化和负向外磁场变化的最大信号之间都存在着差异(可以认为是磁滞引起的)，该差异随频率的变大而逐渐变大。另一方面，在巨磁阻抗敏感材料1上增设了金属壳3和直流辅助电压之后，正向外磁场变化的最大信号和不加电压相比发生了上移，正负变化之间的差异变小，从而减小了传感器的磁滞现象，提高了其精度。

就本发明而言，其工作方式是通过电场的作用来影响材料的磁化过程。本发明就是通过附加的电场来对抗涡流损耗。就能量的角度而言，加在金属壳3上的电压等于是提供了一个额外的能量源，这个能量和驱动能量相互作用，补偿了材料在工作中的一部分能量损耗。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够向到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (10)

1.一种利用电场改善巨磁阻抗传感器磁滞的装置，其特征在于，包括：

巨磁阻抗敏感材料(1)，其在工作状态下测量外磁场变化下变化的阻抗信号数据；

驱动电源(2)，其与所述巨磁阻抗敏感材料(1)的两端连接，使所述巨磁阻抗敏感材料(1)交流磁化并工作；

金属壳(3)，其包围在所述巨磁阻抗敏感材料(1)的外围；

辅助电源(4)，其与所述金属壳(3)连接，用于在所述巨磁阻抗敏感材料(1)与所述金属壳(3)之间产生电场。

2.如权利要求1所述利用电场改善巨磁阻抗传感器磁滞装置，其特征在于，进一步包括传感采集器(5)，其与所述巨磁阻抗敏感材料(1)的两端连接，测量所述巨磁阻抗敏感材料(1)的阻抗信号数据。

3.如权利要求1所述利用电场改善巨磁阻抗传感器磁滞装置，其特征在于，所述巨磁阻抗敏感材料(1)的材料是在外加磁场发生变化下，交流阻抗变化大于1％的金属。

4.如权利要求1所述利用电场改善巨磁阻抗传感器磁滞装置，其特征在于，所述金属壳(3)的材料是不具磁性的金属。

5.如权利要求1所述利用电场改善巨磁阻抗传感器磁滞装置，其特征在于，进一步包括所述金属层(3)是沉积在所述巨磁阻抗敏感材料(1)表面的金属的包围结构。

6.如权利要求1所述利用电场改善巨磁阻抗传感器磁滞装置，其特征在于，所述金属壳(3)和所述巨磁阻抗敏感材料(1)之间设置有绝缘层。

7.一种利用电场改善巨磁阻抗传感器磁滞的装置的改善方法，其特征在于，包括：

步骤一：选通所述驱动电源(2)产生交流驱动磁场施加在所述巨磁阻抗敏感材料(1)的两端，磁化所述巨磁阻抗敏感材料(1)；

步骤二：选通所述辅助电源(4)向所述金属壳(3)供电，在所述金属壳(3)上产生稳定的电势；

步骤三：所述巨磁阻抗敏感材料(1)与所述金属壳(3)的电势之间产生径向分布电场，抑制磁滞现象。

8.如权利要求7所述的利用电场改善巨磁阻抗传感器磁滞的装置的改善方法，其特征在于，进一步包括步骤四：将所述巨磁阻抗敏感材料(1)与金属壳(3)置于外磁场中，所述传感采集器(5)测量所述巨磁阻抗敏感材料(1)两端变化的阻抗信号数据。

9.如权利要求7所述的利用电场改善巨磁阻抗传感器磁滞的装置的改善方法，其特征在于，所述驱动电源(2)使所述巨磁阻抗敏感材料(1)磁化饱和。

10.如权利要求8所述的利用电场改善巨磁阻抗传感器磁滞的装置的改善方法，其特征在于，所述外磁场的磁感线方向平行于所述巨磁阻抗敏感材料(1)与金属壳(3)的长轴方向。

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