[發明專利]利用180°反相調制非線性磁電效應差分輸出的磁傳感器

有效

• 申請號: 202010102095.3
• 申請日: 2020-02-19
• 公開（公告）號: CN111381200B
• 公開（公告）日: 2022-08-16
• 發明（設計）人: 卞雷祥;葛闖;李佳陽;韓松彤
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G01R33/06
• 分類號: G01R33/06
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 岑丹

本發明公開了一種利用180°反相調制非線性磁電效應差分輸出的磁傳感器，包括180°反相調制差分敏感單元以及傳感器電路，所述180°反相調制差分敏感探頭包括兩個復合磁電敏感探頭，所述復合磁電敏感探頭由復合磁電敏感單元以及繞制在復合磁電敏感單元外的線圈組成，兩組線圈繞制方向相反且串聯連接，所述傳感器電路包括信號發生模塊、放大器、鎖相檢測模塊，所述信號發生模塊用于輸出兩條通道信號，一條通道與分別與兩組線圈連接，另一條通道與鎖相檢測模塊連接，所述放大器一端與兩個復合磁電敏感探頭的輸出電極連接，另一端與鎖相檢測模塊連接。本發明能夠有效抑制外界的溫度噪聲和振動噪聲，降低了探頭本身的本底噪聲。

技術領域

本發明屬于傳感器技術，具體為一種利用180°反相調制非線性磁電效應差分輸出的磁傳感器。

背景技術

磁致伸縮/壓電復合材料的磁電效應源于磁致伸縮材料與壓電材料之間的磁-機-電耦合作用。磁致伸縮/壓電復合材料具有結構簡單、制備容易、磁電轉換系數大和頻帶響應寬等優點，在新型智能材料及器件領域有著廣泛的應用前景。

對磁電復合材料的早期研究大多限于線性磁電效應，即復合磁電材料在弱交變磁場激勵下產生磁電效應，當施加一定偏置磁場時，輸出的磁電電壓幅值與交變磁場的幅值成正比。利用線性磁電效應設計的磁傳感器需要一定的偏置磁場使其工作在線性區域，另外施加偏置磁場必須設計額外的磁路結構，增加了器件的體積和性能影響因數。

由于磁致伸縮材料具有非線性磁化和非線性磁致伸縮效應，并且磁致伸縮系數與磁場的函數關系呈偶對稱的特性，磁致伸縮/壓電復合材料在大幅度交變磁場作用下發生非線性磁電效應。參考文獻[D.A.Burdin,D.V.Chashin,N.A.Ekonomov,Y.K.Fetisov,andA.A.Stashkevich,High-sensitivity dc fieldmagnetometer using nonlinearresonance magnetoelectric effect,J.Magn.Magn.Mater.405,2016:244-248.]中的模型，具體說明如下：

磁致伸縮系數與磁場的簡化函數關系模型可用下面的式子表示：

λ(H)＝λ_s[1-exp(-αH²)]

其中，λ_s為飽和磁致伸縮系數，α為常系數，量綱為[Oe^-2]，H為作用在磁電敏感單元的磁場可以進一步表示為：

H(t)＝H₀+h cos(2πf₀t)

其中，h為施加激勵磁場的幅度值，f₀為激勵磁場的頻率；H₀為外部待測磁場，可以為動態磁場也可以為靜態磁場。

磁致伸縮材料在磁場作用下產生的磁致伸縮應力/應變通過層間耦合傳遞至壓電層，從而，單個磁電敏感單元的磁電電壓可以表示為：

u(t)＝u[H(t)]＝Ad₃₁λ[H(t)]

其中，A為常數，與磁致伸縮材料和壓電材料的幾何參數、性能參數和兩相材料之間的耦合系數有關；d₃₁為壓電層的壓電系數。

在H₀附近，對非線性磁電電壓u_i(t)進行泰勒展開，得到非線性磁電電壓的表達式為：

其中，為常數項；

a₁＝2Ad₃₁λ_SαH₀h為1次諧波的幅度值；

為2次諧波的幅度值；