一种利用环形磁电传感器探测平行涡旋交直流双模态磁场的方法

摘要

本发明属于磁场探测技术领域，公开了一种利用环形磁电传感器探测平行/涡旋交直流双模态磁场的方法，所述环形磁电传感器包括密封在非磁性外壳内的环形磁电复合元件以及均匀密绕在所述非磁性外壳外围的铜质线圈；所述环形磁电复合元件包括两层磁致伸缩元件和一层压电陶瓷元件，所述磁致伸缩元件位于所述压电陶瓷元件的上下两侧形成对称型同心圆环结构，所述磁致伸缩元件的材料为Ni0.2Zn0.8Fe2O4，所述压电陶瓷元件的材料为PZT‑8；所述方法包括以下步骤：将环形磁电传感器置于亥姆霍兹线圈中央，调节平行磁场大小，实现平行直流/交流双模态磁场的探测；将环形磁电传感器穿过通电导线，调节涡流磁场大小，实现涡流直流/交流双模态磁场的探测。

说明书

技术领域

本发明属于磁场探测技术领域，涉及一种利用环形磁电传感器探测平行/涡旋交直流双模态磁场的方法。

背景技术

从1820年丹麦物理学家奥斯特发现电流的磁效应至今，人们对磁场的研究与探索愈发的深入。而磁场传感器作为感知磁场的重要装置，在航空航天、资源探查及综合利用、生物医疗、工业自动化、智能交通、军工应用等领域都有着举足轻重的作用。磁传感器不仅可以用来探测磁场，还可以通过一系列转换来测量压力、位置、速度、电流位移等，或通过感应上诉量的变化来实现自动化控制，进而实现整个系统的智能化。目前磁传感器在全球有着数十亿美元的市场份额，且种类繁多，各种类型的磁传感器因其传感原理的不同，在各领域发挥着各自独特的作用。

磁传感器的传感原理有很多种，常见的有霍尔效应、法拉第电磁感性效应、磁阻效应、约瑟夫逊效应、核磁共振效应等等。霍尔效应作为最常见的磁传感原理在十九世纪八十年代被美国科学家霍尔在金属中发现。其原理为载流导体中的电流在磁场中受到洛伦兹力的作用，电流方向发生偏离产生电位差，从而形成霍尔效应。虽然霍尔效应最初是在金属中被发现，但由于金属材料的霍尔系数太小不适合用于霍尔元件的制备，随后被拥有高霍尔系数的半导体取代。这种基于半导体的霍尔元件具有成本低的特点。磁阻效应是英国数学物理学家汤姆森于十九世纪六十年代发现，其原理为磁场改变载流体中的电流方向从而改变电阻，实现对磁场的探测。随后人们基于巨磁阻效应制备出了具有较高的灵敏度磁阻传感器。利用约瑟夫逊效应工作的超导量子干涉仪（SQUID）是迄今为止灵敏度最高的磁场探测装置，其工作原理是通过计算两边都是超导体结的隧道效应，从而得到超导结中电子对通过氧化层形成的超导电流实现磁场探测。尽管，以上的这些基于各种传感原理制备的磁场传感器都有着各自的优点有着各自适用的领域，但这些磁传感器都只能实现一种模态磁场（平行交直流磁场或涡旋交直流磁场）的探测，无法直接实现双模态磁场（平行交直流磁场和涡旋交直流磁场），限制了这些磁传感器在需要双模态磁场探测场合的使用。因此，亟需一种可以直接实现双模态磁场探测的磁传感器，以适用于需探测不同模态磁场的应用场景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用环形磁电传感器探测平行/涡旋交直流双模态磁场的方法，可实现双模态磁场探测，还具有较高的灵敏度、分辨率及稳定性等特性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种利用环形磁电传感器探测平行/涡旋交直流双模态磁场的方法，所述环形磁电传感器包括密封在非磁性外壳内的环形磁电复合元件以及均匀密绕在所述非磁性外壳外围的铜质线圈；所述环形磁电复合元件包括两层磁致伸缩元件和一层压电陶瓷元件，所述磁致伸缩元件位于所述压电陶瓷元件的上下两侧形成对称型同心圆环结构，所述磁致伸缩元件的材料为Ni

所述方法包括以下步骤：将环形磁电传感器置于亥姆霍兹线圈中央，调节平行磁场大小，实现平行直流/交流双模态磁场的探测；将环形磁电传感器穿过通电导线，调节涡流磁场大小，实现涡流直流/交流双模态磁场的探测。

优选地，所述非磁性外壳的材料为聚丙烯。

优选地，所述将环形磁电传感器置于亥姆霍兹线圈中央，调节平行磁场大小，实现平行直流/交流双模态磁场的探测，具体包括：A，将环形磁电传感器置于亥姆霍兹线圈中央；B，给铜质线圈提供激励频率产生周向交流磁场，此时环形磁电复合元件处于谐振状态，调节外部平行直流磁场大小，使环形磁电复合元件的输出电压发生改变，实现平行直流磁场的探测；C，给铜质线圈提供直流电产生周向直流磁场，此时环形磁电复合元件处于最佳偏置状态，调节外部平行交流磁场大小，使环形磁电复合元件的输出电压发生改变，实现平行交流磁场的探测。

优选地，所述将环形磁电传感器穿过通电导线，调节涡流磁场大小，实现涡流直流/交流双模态磁场的探测，具体包括：A，将环形磁电传感器穿过通电导线；B，给铜质线圈提供激励频率产生周向交流磁场，此时环形磁电复合元件处于谐振状态，调节外部涡流直流磁场大小，使环形磁电复合元件的输出电压发生改变，实现涡流直流磁场的探测；C，给铜质线圈提供直流电产生周向直流磁场，此时环形磁电复合元件处于最佳偏置状态，调节外部涡流交流磁场大小，使环形磁电复合元件的输出电压发生改变，实现涡流交流磁场的探测。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明一种利用环形磁电传感器探测平行/涡旋交直流双模态磁场的方法，与传统仅能实现一种模态磁场探测的磁传感器及探测方法相比，本发明环形磁电传感器在实现双模态磁场探测的同时，还具有制备工艺简单、成本低、体积小巧、较高的灵敏度、分辨率及稳定性等特性，可适用于需要双模态磁场探测及较高灵敏度要求的场景。

附图说明

图1为本发明环形磁电传感器的结构原理图及探测方法原理图。

图2为本发明探测平行直流/交流磁场时的电压变化图。

图3为本发明探测涡流直流/交流磁场时的电压变化图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限定本发明的保护范围。若未特别指明，实施例中所用技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。下述实施例中的试验方法，如无特别说明，均为常规方法。

实施例一

如图1所示，本发明环形磁电传感器包括密封在非磁性外壳内的环形磁电复合元件以及均匀密绕在所述非磁性外壳外围的铜质线圈；所述环形磁电复合元件包括两层磁致伸缩元件和一层压电陶瓷元件，所述磁致伸缩元件位于所述压电陶瓷元件的上下两侧形成对称型同心圆环结构。

在本实施例中，磁致伸缩元件的材料为Ni

具体探测方法如下：

如图1所示，本实施例待测平行直流/交流磁场由亥姆霍兹线圈提供，待测涡流直流/交流磁场由通电导线提供。

（1）将环形磁电传感器放置于亥姆霍兹线圈中央，使环形磁电传感器与待测磁场保持相同水平，给环形磁电传感器外部铜质线圈提供一个111.28kHz频率的交流激励，产生周向交流磁场，此时环形磁电复合元件工作在谐振状态，压电陶瓷原件会输出一个电压。当外部待测平行直流磁场发生改变时，会影响到环形磁电复合元件的磁电响应，使磁电复合元件的输出电压发生改变，从而实现平行直流磁场的探测。调节外部平行直流磁场大小（0Oe-0.005Oe），环形磁电复合元件的输出电压变化如图2-a所示。从图2-a中可知，对平行直流磁场的灵敏度为1×10

（2）将环形磁电传感器放置于亥姆霍兹线圈中央，使环形磁电传感器与待测磁场保持相同水平，给环形磁电传感器外部铜质线圈提供一个90mA的直流电，产生周向直流磁场，使环形磁电复合元件处于最佳偏置状态。当外部待测平行交流磁场发生改变时，磁致伸缩材料会捕获到交变磁场，随后产生同频的机械应变，后经层间耦合传递至压电陶瓷材料，最终以电压信号的方式输出，实现平行交流磁场的探测。调节ƒ=111.28kHz的平行交流磁场大小（0.0434Oe-0.045655Oe），环形磁电复合元件的输出电压变化如图2-b所示。从图2-b中可知，对平行交流磁场的灵敏度为4.51×10

（3）将环形磁电传感器穿过通电导线，并给环形磁电传感器外部铜质线圈提供一个111.28kHz频率的交流激励，产生周向交流磁场，此时环形磁电复合元件工作在谐振状态，对外部磁场十分敏感。当外部直流涡旋磁场发生变化时，压电层的输出电压会随着发生改变，从而实现涡旋直流磁场的探测。调节外部涡流直流磁场大小（0Oe-0.05Oe），环形磁电复合元件的输出电压变化如图3-a所示。从图3-a中可知，对涡流直流磁场的灵敏度为1×10

（4）将环形磁电传感器穿过通电导线，此时给环形磁电传感器外部铜质线圈提供一个90mA的直流电，产生周向直流磁场，使环形磁电复合元件处于最佳偏置状态。当待测涡旋交流磁场发生改变时，磁致伸缩材料会捕获交流磁场产生同频的机械应变，且机械应变强度会随着涡旋交流磁场的改变而改变，后经层间耦合传递至压电陶瓷材料，最终以电压信号的方式输出实现涡旋交流磁场的探测。调节外部ƒ=111.28kHz的涡流交流磁场大小（0.001Oe-0.002415Oe），环形磁电复合元件的输出电压变化如图3-b所示。从图3-b中可知，对涡流交流磁场的灵敏度为2.83×10

以上所述之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，仅仅用以解释本发明，并非限制本发明实施范围，对于本技术领域的技术人员来说，当然可根据本说明书中所公开的技术内容，通过置换或改变的方式轻易做出其它的实施方式，故凡在本发明的原理上所作的变化和改进等，均应包括于本发明申请专利范围内。