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申请/专利权人：中国地质大学(武汉)

摘要：本发明公开了一种快速响应的负反馈型GMI磁场测量传感器，包含振荡器、电压电流转换器、GMI元件、幅度检波器以及积分器；电压电流转换器的输入端连接振荡器的输出端；GMI元件的一端连接电压电流转换器的输出端，另一端接地；幅度检波器的输入端连接电压电流转换器的输出端；积分器的输入端连接幅度检波器的输出端，输出端作为所述负反馈型GMI磁场测量传感器的输出端。由于采用积分器代替滤波器，因此传感器的响应速度更快；由于采用了负反馈机制，传感器测量时的线性度更高。

主权项：1.一种快速响应的负反馈型GMI磁场测量传感器，其特征在于，包含：振荡器；电压电流转换器，输入端连接振荡器的输出端；GMI元件，一端连接电压电流转换器的输出端，另一端接地；幅度检波器，输入端连接电压电流转换器的输出端；电压电流转换器与幅度检波器之间还串接有交流耦合电路，交流耦合电路的输入端连接电压电流转换器的输出端，交流耦合电路的输出端连接幅度检波器的所述输入端；所述交流耦合电路通过并联的电解电容和瓷片电容实现，以隔断电压信号中的直流分量，抑制低频噪声；积分器，输入端连接幅度检波器的输出端，输出端作为所述负反馈型GMI磁场测量传感器的输出端；所述积分器包含输入电阻、运算放大器以及积分电容，输入端电阻的一端连接幅度检波器的所述输出端，另一端连接运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端接地或者通过偏置电阻接地，运算放大器的输出端作为积分器的输出端，积分电容连接在运算放大器的输出端与反相输入端之间。

全文数据：一种快速响应的负反馈型GMI磁场测量传感器技术领域本发明属于弱磁场测量装置技术领域，特别涉及一种快速响应的负反馈型GMI巨磁阻抗磁场测量传感器。背景技术传感器技术是当今世界令人瞩目且发展迅猛的技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志。无论是在工业生产领域，还是在日常生活，都离不开传感器。在各类传感器中，磁传感器是应用最为广泛的一种传感器。磁传感器是将磁信号转换为电信号并输出磁场信息的装置，广泛应用于工业、医学、航空、国防、环境等领域，是现代信息技术的重要支撑，在国家信息产业建设和工业生产活动中占有非常重要的地位。目前基于不同物理原理的磁传感器种类繁多，包括霍尔Hall传感器、磁通门Flux-gate传感器、巨磁电阻GMR传感器、各向异性磁阻AMR传感器和巨磁阻抗GMI传感器等。霍尔传感器体积小、成本低，但磁场灵敏度低，适用于中强磁场测量；磁通门传感器体积小、精度高，但响应速度慢，适用于静态或低频磁场测量；GMR传感器和AMR传感器磁场灵敏度可达1～2％Oe，响应速度快，但存在磁滞和温度稳定性问题。GMI传感器作为一种新型的磁传感器技术，其磁场灵敏度可达2％～1000％Oe，如图1所示。其比GMR和AMR传感器高1-2个数量级，且满足低功耗、尺寸微型化和响应速度快等要求，逐渐成为弱磁探测领域的研究热点。典型的GMI传感器电路结构框图如图2所示。用CMOS非门电路构成多谐振荡器，产生高频方波信号，采用电压电流转换器将其转换为交流电流信号作用于GMI敏感元件，对其进行激励。当外加磁场Hex作用于GMI元件时，通过改变其阻抗Z，改变GMI元件两端的电压。通过幅度检波器检测出其幅值大小，再通过低通滤波器并与基准电压进行差动放大，得到随外磁场变化的电压值Vs。基于以上原理的GMI传感器电路存在以下2点技术缺陷：1基于调制解调原理的幅度检波器，必须通过后接低通滤波器进行解调，得到与交流信号幅值成正比的直流量。但低通滤波器的存在限制了传感器的带宽，使得传感器的响应速度限制于低通滤波器的截止频率。2由于GMI元件效应曲线的非线性，GMI元件的阻抗变化率是外磁场Hex和驱动频率f即高频方波的频率的函数，当两者之一发生变化时，无法保证传感器的输出电压Vs与外磁场Hex的线性关系。发明内容针对上述技术问题，本发明提供了一种快速响应的负反馈型GMI磁场测量传感器，其目的在于提高GMI磁场测量传感器的响应速度以及测量时的线性度。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种快速响应的负反馈型GMI磁场测量传感器，包含：振荡器；电压电流转换器，输入端连接振荡器的输出端；GMI元件，一端连接电压电流转换器的输出端，另一端接地；幅度检波器，输入端连接电压电流转换器的输出端；积分器，输入端连接幅度检波器的输出端，输出端作为所述负反馈型GMI磁场测量传感器的输出端。进一步地，在本发明的负反馈型GMI磁场测量传感器中，所述幅度检波器为非同步检波器；或者，所述幅度检波器为同步检波器，同步检波器的参考信号输入端连接振荡器的另一输出端，其中振荡器的所述输出端与所述另一输出端的输出频率相同，相位差固定。进一步地，在本发明的负反馈型GMI磁场测量传感器中，电压电流转换器与幅度检波器之间还串接有交流耦合电路，交流耦合电路的输入端连接电压电流转换器的输出端，交流耦合电路的输出端连接幅度检波器的所述输入端。进一步地，在本发明的负反馈型GMI磁场测量传感器中，交流耦合电路通过并联的电解电容和瓷片电容实现，以隔断电压信号中的直流分量，抑制低频噪声。进一步地，在本发明的负反馈型GMI磁场测量传感器中，所述积分器包含输入电阻、运算放大器以及积分电容，输入端电阻的一端连接幅度检波器的所述输出端，另一端连接运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端接地或者通过偏置电阻接地，运算放大器的输出端作为积分器的输出端，积分电容连接在运算放大器的输出端与反相输入端之间。进一步地，在本发明的负反馈型GMI磁场测量传感器中，还包括反馈线圈和反馈电阻，反馈线圈绕制在所述GMI元件上，一端接地，另一端通过反馈电阻连接至积分器的输出端，反馈线圈在所述GMI元件上的绕制方向满足反馈磁场的方向与GMI元件接收到的外磁场的方向相反。进一步地，在本发明的负反馈型GMI磁场测量传感器中，还包括偏置电源、偏置线圈和偏置电阻，偏置线圈也绕制在所述GMI元件上，偏置线圈和偏置电阻串接后一端接地另一端接偏置电源，偏置线圈在所述GMI元件上的绕制方向满足偏置磁场的方向与GMI元件接收到的外磁场的方向相同。进一步地，在本发明的负反馈型GMI磁场测量传感器中，所述振荡器产生的激励信号的频率为0.1～200MHz。进一步地，在本发明的负反馈型GMI磁场测量传感器中，所述激励信号为正弦信号、方波信号或者窄脉冲信号。进一步地，在本发明的负反馈型GMI磁场测量传感器中，GMI元件为Co基软磁薄带材料制成。实施本发明的负反馈型GMI磁场测量传感器，具有以下有益效果：由于采用积分器代替滤波器，因此传感器的响应速度更快；由于采用了负反馈机制，传感器测量时的线性度更高。附图说明下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：图1是典型GMI元件的GMI效应阻抗变化率曲线；图2是典型GMI传感器电路结构框图；图3是积分电路的原理图；图4是本发明的负反馈型GMI磁场测量传感器原理示意图；图5是本发明的负反馈型GMI磁场测量传感器的一实施例的电路原理图；图6是本发明的负反馈型GMI磁场测量传感器的输出V-H曲线。具体实施方式为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。为解决上述技术问题1，采用积分电路取代低通滤波器，对幅度检波器的输出信号进行解调，积分电路如图3所示。利用运算放大器虚短和虚断的概念：vN＝0,iI＝0,因此有i1＝i2＝i，电容器C以电流i1＝v1R进行充电。假设电容器C初始电压vC0＝0，则上式表明，输出电压vo为输入电压vI对时间的积分，负号表示它们在相位上是相反的。幅度检波器的输出信号作为积分电路的输入vI，vI包含DC直流分量，幅度为Vdc，和AC交流分量，频率为ω，幅度为vω，可表示为下式，其中ω有振荡器的激励频率f决定，ω＝2*π*f。vI＝Vdc+vωcosωt将上式代入vo的表达式，化简，可得积分电路的输出为：由上式可知，对于vo中角频率为ω的交流部分，其积分结果仍为交流信号，幅度大小为原信号的1ω。设置GMI的激励频率f为0.1～200MHz，本实施例优选为1～20MHz，1ω足够小使得积分输出信号中交流成分大小可忽略不计。并且当Vdc0时，则积分器输出vo减小；当Vdc0时，则积分器输出vo增大；当Vdc＝0时，积分器输出vo保持不变。由此可见，积分器的作用相当于直流误差放大器，对幅度检波器输出信号信号中的DC直流分量进行解调，而不受其交流分量的影响。为解决上述问题2，本发明采样积分电路的输出电压信号，通过反馈电阻转换为电流信号，驱动绕制在GMI元件外部的反馈线圈，形成负反馈控制回路，其工作原理如图4所示。其中，A和F分别表示GMI传感器电路的开环传递函数和闭环反馈系数，Hex表示外部待测磁场，Hf表示由反馈线圈产生的反馈磁场，因此，闭环控制系统的传递函数即传感器的电压灵敏度可表示为对于积分电路，在直流输入电压的作用下，电容器将以近似恒流方式进行充电，输出电压随时间线性增大，直到接近运放的最大输出电压Vom。因此，传感器开环增益|A|近似为无穷大，则有F·A1，VsHex＝1F，一般F·A的取值为10以上。此时，输出电压Vs与外磁场Hex成线性关系，比例系数为1F，其仅和反馈线圈的参数以及反馈电阻值有关，表达式下式所示。式中，N为反馈线圈匝数，d为线圈半径，Rf为反馈电阻值，F的单位为AmV。由此可见，引入负反馈环节的GMI传感器电路达到平衡时，反馈线圈产生的反馈磁场自动抵消外磁场的变化，使得GMI元件始终处于稳定的磁场环境下，显著提高了GMI传感器的输出线性度。如图5所示，本实施例的GMI传感器电路结构可分为以下组成部分，包括：GMI元件、振荡器、v-i转换器、交流耦合电路、幅度检波器、积分器、偏置线圈回路、反馈线圈回路及相关的电子元件。在本实施例中，GMI元件选择德国VAC公司的Co基软磁薄带Vitrovac6025，其饱和磁感应强度BS＝0.58T，相对磁导率约为ur＝132.95。此处并不限制材料型号，具有软磁特性相近的Co基薄带材料均可。时钟振荡器作为激励源，产生频率为f的交流时钟信号，信号的类型可以为正弦信号、方波信号或者脉冲信号尤其是窄脉冲信号，f的取值为1～20MHz。振荡器具备产生2路以上时钟信号的能力，其中1路作为激励电压信号，连接至v-i转换器；另一路作为参考信号，输入幅度检波器的参考信号输入端，两者频率相同，相位差固定包含相位差可调，但调整后相位差固定的情况。v-i转换器以时钟振荡器的信号作为输入，其将交流电压信号转换为交流电流信号，加载于GMI元件，对其进行激励。v-i转换器可以依据Howland电路的原理而设计，其输出交流电流幅值大小仅和输出的交流电压大小有关，而和负载GMI元件的阻抗值无关，由此在GMI元件两端得到幅度大小受外磁场调制的电压信号。上述待测的电压信号其电压幅值受外部磁场调制通过交流耦合的方式输入幅度检波器进行调制解调。交流耦合电路可通过并联的电解电容和瓷片电容实现，两者分别具有较优的低频信号耦合性能和高频信号耦合性能，能有效隔断电压信号中的直流分量，同时抑制电路中的低频噪声。幅度检波器对输入的待测电压信号进行调制解调，其目的是为了获得与交流电压信号幅度成线性关系的DC直流分量，实现对待测交流电压信号幅度的测量。其可采用基于模拟开关或模拟乘法器的同步检波电路实现，具有较优的线性度和温度稳定性。以模拟乘法器为例，其中参考信号输入端连接振荡器参考信号输出端，待测信号输入端连接交流耦合回路输出的待测信号，两者通过乘法器进行相乘，输出信号中包含信号成分为两输入信号的差频项与和频项，由于待测信号与参考信号频率一致，因此其中差频项为两者频率之差等于零，即为上述DC直流分量。设置参考信号的频率和幅度为固定值，则乘法器输出的DC直流大小与待测信号的幅度大小成正比，由此实现对待测信号的调制解调。在本发明的另一实施例中，幅度检波器采用非同步检波器，例如二极管峰值检波、RMS有效值检波，这样不需要参考信号。积分器电路由集成运算放大器和电阻电容组成，如图3所示。幅度检波器输出的调制解调信号，输入积分器电路进行解调，由上述积分电路的输出表达式可知，对于输入信号中的高频交流信号幅度衰减为原来的1ω，其在输出信号中的大小可忽略不计，而其中DC直流分量，通过电阻R对电容器C进行充电，因此，当DC直流0时，积分器输出信号减小；DC直流0时，积分器输出信号增大；DC直流＝0时，积分器输出保持不变。由此实现对幅度检波器输出的调制解调信号的解调。反馈部分包含反馈电阻和反馈线圈。反馈线圈的特点为绕制于GMI元件外部的多匝线圈，其目的在于产生均匀的反馈磁场。实施中，反馈电阻于积分器的输出端采样反馈电压，形成反馈电流连接至反馈线圈，在线圈中形成反馈磁场。根据图4的闭环反馈系统结构框图可知，反馈磁场的方向与外磁场的方向相反，由此才能抵消外磁场的变化，因此反馈线圈的绕制方向必须根据右手螺旋定则进行设计。此外，反馈线圈的参数和反馈电阻的选值决定了环路的反馈深度，其值可根据公式6进行设计。偏置线圈回路包含偏置电源、偏置线圈和偏置电阻。偏置线圈也绕制在GMI元件上，其特点与反馈线圈类似，其目的在于产生一个稳定的偏置磁场，使GMI元件工作于对外磁场的敏感区域。至于敏感区域如何确定，这和GMI元件的材料有关，需要根据材料的特征曲线来确定；本实施例中Co基软磁薄带Vitrovac6025的特征曲线，对应的敏感区域可为2～5Oe。。实施中，偏置磁场的方向和外磁场方向相同，此时工作位置右移至敏感区域，其大小可根据GMI元件的GMI效应阻抗变化率曲线进行设计。偏置电源和偏置电阻为偏置线圈提供电流，前者可通过输出大电流的运放搭建电压跟随电路来实现。依据上述结构框图，搭建的负反馈型GMI传感器电路，测得输出V-H曲线如图6所示。可知在外磁场为[-1,1]Oe的测量范围内，本发明的GMI传感器输出灵敏度为3.01VOe，线性度为0.99989。上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

权利要求：1.一种快速响应的负反馈型GMI磁场测量传感器，其特征在于，包含：振荡器；电压电流转换器，输入端连接振荡器的输出端；GMI元件，一端连接电压电流转换器的输出端，另一端接地；幅度检波器，输入端连接电压电流转换器的输出端；积分器，输入端连接幅度检波器的输出端，输出端作为所述负反馈型GMI磁场测量传感器的输出端。2.根据权利要求1所述的负反馈型GMI磁场测量传感器，其特征在于，所述幅度检波器为非同步检波器；或者，所述幅度检波器为同步检波器，同步检波器的参考信号输入端连接振荡器的另一输出端，其中振荡器的所述输出端与所述另一输出端的输出频率相同，相位差固定。3.根据权利要求1所述的负反馈型GMI磁场测量传感器，其特征在于，电压电流转换器与幅度检波器之间还串接有交流耦合电路，交流耦合电路的输入端连接电压电流转换器的输出端，交流耦合电路的输出端连接幅度检波器的所述输入端。4.根据权利要求3所述的负反馈型GMI磁场测量传感器，其特征在于，交流耦合电路通过并联的电解电容和瓷片电容实现，以隔断电压信号中的直流分量，抑制低频噪声。5.根据权利要求1所述的负反馈型GMI磁场测量传感器，其特征在于，所述积分器包含输入电阻、运算放大器以及积分电容，输入端电阻的一端连接幅度检波器的所述输出端，另一端连接运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端接地或者通过偏置电阻接地，运算放大器的输出端作为积分器的输出端，积分电容连接在运算放大器的输出端与反相输入端之间。6.根据权利要求1所述的负反馈型GMI磁场测量传感器，其特征在于，还包括反馈线圈和反馈电阻，反馈线圈绕制在所述GMI元件上，一端接地，另一端通过反馈电阻连接至积分器的输出端，反馈线圈在所述GMI元件上的绕制方向满足反馈磁场的方向与GMI元件接收到的外磁场的方向相反。7.根据权利要求6所述的负反馈型GMI磁场测量传感器，其特征在于，还包括偏置电源、偏置线圈和偏置电阻，偏置线圈也绕制在所述GMI元件上，偏置线圈和偏置电阻串接后一端接地另一端接偏置电源，偏置线圈在所述GMI元件上的绕制方向满足偏置磁场的方向与GMI元件接收到的外磁场的方向相同。8.根据权利要求1所述的负反馈型GMI磁场测量传感器，其特征在于，所述振荡器产生的激励信号的频率为0.1～200MHz。9.根据权利要求8所述的负反馈型GMI磁场测量传感器，其特征在于，所述激励信号为正弦信号、方波信号或者脉冲信号。10.根据权利要求1所述的负反馈型GMI磁场测量传感器，其特征在于，GMI元件为Co基软磁薄带材料制成。

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