[发明专利]一种基于负反馈结构的宽工作区间多铁性磁传感器

说明书

本发明公开了一种基于负反馈结构的宽工作区间多铁性磁传感器，包括多铁性磁电传感模块、读取模块及反馈模块，所述多铁性磁电传感模块包括同时具有压电效应及磁致伸缩效应的材料体系，反馈模块包括线圈组及反馈电路，多铁性磁电传感模块中磁电耦合效应产生的电压信号连接读取模块的输入端，反馈电路连接读取模块的输出端及线圈组，线圈组设置在多铁性磁电传感模块检测范围内。本发明引入了反馈模块，通过其产生的反馈磁场，使多铁性磁电传感模块本身处在一个稳定的磁场环境中，进而锁定磁电传感模块的工作点，由此该传感器的量程不再依赖其本身磁场‑电压特性曲线的线性区间，而是取决于反馈模块，保证该多铁性磁传感器具有超宽的线性工作区间。

技术领域

本发明涉及磁场测量领域，特别涉及一种基于负反馈结构的宽工作区间多铁性磁传感器。

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系统中，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^-10 T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^-9 T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系统集成、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，本发明提供了一种基于负反馈结构的宽工作区间多铁性磁传感器，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，而不是多铁性磁电传感模块本身，可以将非线性的磁场-电压特性曲线线性化，大幅提高测量灵敏度，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。一种基于负反馈结构的宽工作区间多铁性磁传感器，包括多铁性磁电传感模块、读取模块及反馈模块，所述多铁性磁电传感模块包括同时具有压电效应及磁致伸缩效应的材料，反馈模块包括线圈组及反馈电路，多铁性磁电传感模块中磁电耦合效应产生的电压信号输入读取模块的输入端，反馈电路连接读取模块的输出端及线圈组，线圈组设置在多铁性磁电传感模块检测范围内。为了解决被多铁性磁电传感模块本身线性区间限制的问题，引入了反馈模块，通过反馈模块产生反馈磁场，使得一定磁场强度内，通过叠加反馈磁场，使多铁性磁电传感模块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电传感模块本身的线性区间，而是取决于反馈模块。在现有的反馈电路基础上，连接线圈组，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。