专利名称：基于磁电复合材料的磁场传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于磁传感器制造技术领域，特别涉及基于磁电复合材料的磁场传感器。
背景技术：
磁场探测不论是在生产生活还是在军事航空等领域都有重要的应用。磁场具有抗干扰 能力强，不受湿度、温度等外界条件的干扰，而且具有很强的穿透型，所以应用范围非常 广泛。磁场探测在预警探测、侦察监视、自动追踪定位、导弹磁电制导、排雷等很多军事 领域都有应用；除此之外，磁场传感器还可以用做流量计、转速计等等。另外，在航空和 航海中，通过地磁来进行的导航和定位也是很重要的。
传统的磁场传感器包括线圈、霍耳器件、GMR、磁通门、超导量子干涉仪(SQUID)。 线圈、霍耳器件、GMR的磁场探测灵敏度都比较低；磁通门的灵敏度可达10—'°T，但制造 成本高。SQUID的灵敏度为10—15T，但需要低温苛刻的环境，只能应用于实验室里。
磁电复合材料是近年来新发展起来的新型材料，它由磁致伸縮材料和压电材料复合而 成，实验室的特性测量表明，其灵敏度仅次于超导量子干涉仪(SQUID)，可以达到10—"T。 而且具有成本低、尺寸小、温度稳定性好、功耗低(无源被动式)、频率和幅度范围广等 许多优点。目前还没有基于它的磁场传感器件。
发明内容
本实用新型的目的是为克服已有技术的不足之处，提供一种基于磁电复合材料的磁场 传感器，具有成本低，灵敏度高，稳定可靠的特点，并且测量范围和精度可调。
本实用新型设计的基于磁电复合材料的磁场传感器，其特征在于，该传感器主要包括 磁电复合材料块，前端放大器，低通滤波器和后端显示电路；该磁电复合材料块与前端放 大器的输入正负极相连接，该放大器的输出端与低通滤波器的输入端相连接；该低通滤波 器的输出端与后端显示电路的输入端相连。
本实用新型的特点及效果
本实用新型的磁电复合材料由磁致伸縮材料和压电材料复合而成，在磁场中，磁致伸 縮材^l^发生型变，应力传递给压电材料，而压电材料在应力作用下就会产生出极化电压。 前端放大器将极化电压放大，并通过滤波器滤除高频的噪声。后端的数字显示电路将电压的幅值转换成数字显示出来。最终，显示的数字和磁场的大小成正比。
该传感器的数字读出和交流磁场的大小直接相关。该交流磁场传感器的测量范围是
0.02 0e到12 0e，磁场灵敏度为0.005 0e。具有4位的数字显示，显示交流磁场的峰峰
值。而测量磁场的频率范围为1Hz — 10kHz。
本实用新型具有成本低、灵敏度高、频率和温度范围广、可分别用于交流和直流磁场
探测的优点。


图1为本实用新型的磁传感器构成示意图。
图2为本实用新型的磁电复合材料块的实施例形状示意图。
具体实施方式
本实用新型设计的基于磁电复合材料的磁场传感器结合附图及实施例详细说明如下 本实用新型的交流磁场传感器的结构如图1所示，该传感器主要包括磁电复合材料块 11，前端放大器12，低通滤波器13和后端数字显示电路14;该磁电复合材料块与前端放 大器的输入正负极相连接，该放大器的输出端与低通滤波器的输入端相连接；该低通滤波 器的输出端与后端数字显示电路的输入端相连。
本实用新型还包括一对偏置电阻Rl、 R2,该偏置电阻一端连接在所述磁电复合材料
块与前端放大器之间，另一端接地。
本实用新型的工作过程为由磁电复合材料块所产生的信号连接至前端放大器的输入 正负级，并且此信号通过2个偏置的电阻和地连接，保证放大器工作在其线性放大区。放 大器的输出直接连接一个巴特沃兹低通滤波器(如图l所示)，以滤除高频的噪声。经滤 波以后的信号被输入到交流电压表上，由电压表把交流电压信号转换成为数字读出。因为 前端放大器的放大倍数可以通过电阻来调节，所以，通过调节放大倍数就可以使得数字读 出和磁场的大小相对应。
上述各部件的实施例分别说明如下-
本实施例的前端放大器使用的是仪用放大器，可以是Texas Instrument (TI)的 INAlll、 INA118、 INA121、 INA122、 INA128、 INA129等型号。这种放大器具有输入电阻 大，电容小，对微弱信号有足够的的放大能力，而且放大倍数可以调节的优点。
本实施例的低通滤波器采用三阶巴特沃兹滤波器，滤除工作频率以外的高频噪声，提 高输出信号的信噪比。但阶数不限于3阶的巴特沃兹滤波器，l到4阶的巴特沃兹滤波器 均可以应用到本实施例。本实施例的交流电压表为普通的便携式交流电压表，其型号为MCD-007/008/009/0010 或Fluke 111/112等。
本实例把仪用放大器和交流电压表的结合方式是一种对微弱交流信号进行放大并显 示的新型结构，可以通过仪用放大器的放大倍数的调节轻易地获得数字显示和被测量的吻 合。并且有很好的线性度。
本实施例采用的磁电复合材料块形状如图2所示，可以是矩形(图2a)，方形(图 中未示出)，圆形(图2b)，环形(图2c)，多边形(图2d)等等任一种形状的层叠状 的磁电复合材料块，各层材料分别为磁致伸縮材料21和压电材料22。
该磁电复合材料块的也可以有不同的层叠结构，包括由一层磁致伸縮材料21和一层 压电材料22层叠构成的单压晶片(图2a)，或由二层磁致伸縮材料21和夹叠在其中的 一层压电材料22层叠构成的双压晶片(图2c，图2d)、也可由三层磁致伸縮材料21和 二层压电材料22间隔层叠构成的多层晶片(图2b)，或由更多层的两种材料间隔层叠构 成。而磁致伸縮材料包括合金材料，如TbhDyxFe2 (简称Terfenol-D) ， Metglas , Permendur等；陶瓷材料，如铁氧体CoFeA等。压电材料包括陶瓷材料，如锆钛酸铅 Pb (Zr-Ti) 03，钛酸钡BaTi03， 0. 7Pb (Mg1/3Nb2/3) 03 - 0. 3PbTi03 (简称PMN-PT)等；聚合材料 聚偏氟二乙烯PVDF等。两种材料的复合方式包括陶瓷磁致伸縮材料和陶瓷压电材料之 间通过tape casting工艺热压烧结；合金的磁致伸縮材料和陶瓷压电材料通过环氧树脂 粘合，然后退火来制备；合金磁致伸縮材料和聚合的压电材料通过热压成型来制备。
权利要求1、一种基于磁电复合材料的磁场传感器，其特征在于，该传感器主要包括磁电复合材料块，前端放大器，低通滤波器和后端数字显示电路；该磁电复合材料块与前端放大器的输入正负极相连接，该放大器的输出端与低通滤波器的输入端相连接；该低通滤波器的输出端与后端数字显示电路的输入端相连。
2、 如权利要求1所述的传感器，其特征在于，该传感器还包括一对偏置电阻，该偏 置电阻一端连接在所述磁电复合材料块与前端放大器之间，另一端接地。
3、 如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述磁电复合材料块是矩形、方形、 圆形、环形或多边形之任一种的层叠状的磁电复合材料块。
专利摘要本实用新型涉及基于磁电复合材料的磁场传感器，属于磁场传感器制造领域，该传感器主要包括磁电复合材料块，前端放大器，低通滤波器和后端数字显示电路；该磁电复合材料块与前端放大器的输入正负极相连接，该放大器的输出端与低通滤波器的输入端相连接；该低通滤波器的输出端与后端数字显示电路的输入端相连。本实用新型具有成本低、灵敏度高、频率和温度范围广、可分别用于交流和直流磁场探测的优点。
文档编号G01R33/06GK201344973SQ200920105220
公开日2009年11月11日 申请日期2009年1月16日 优先权日2009年1月16日
发明者任天令, 刘理天, 丹 谢, 洋 郑 申请人:清华大学