专利名称：一种用于磁传感器的电流偏置电路的制作方法
技术领域：
本实用新型属于弱磁测量装置技术领域，具体的是一种用于磁传感器的电流偏置电路。
背景技术：
高精度微磁传感器在生物磁测量、地磁导航、地磁测量、空间磁场测量等科研领域具有广泛的应用前景和迫切需求。磁传感器是一种能把磁场转换成相应电信号的转换器， 用来实现磁传感器的原理有很多，例如霍尔效应、磁阻效应、巨磁阻效应、巨磁阻抗效应、核进动、超导量子干涉仪、磁弹性效应等。在超高精度磁测量领域，比如生物磁信号测量，典型的心脏磁场为10-9-10-1(1特斯拉(T)，脑磁场为KT11-IO-12T,目前能够真正满足检测IO-12T量级测量精度的磁传感器有光泵磁强计、探测线圈磁强计、磁通门磁强计、巨磁阻抗磁强计、 超导量子干涉仪(SQUID)。超导量子干涉仪探测精度最高，可以达到10_14T(高温超导)和10_15Τ(低温超导)，但由于设计制作和使用较为复杂，限制了其大规模应用。磁通门磁强计灵敏度可达 8X10_5A/m，但由于杂散电容，磁芯绕组会使该磁传感器的响应速度降低。霍尔传感器温度稳定性差，弱磁灵敏度小不利于小电流测量。巨磁电阻(GMR)元件是利用某些磁性材料的巨磁电阻效应，这种效应是在外加磁场的情况下材料的电阻发生巨变的现象，其灵敏度可以提高一个数量级，达到/0e，但用GMR材料制作的传感器仍不十分理想，通常只在低温与外加强磁场(大约IOkOe)下才可看到，且又仅限于GMR效应并不十分显著的金属多层膜材料，且还存在磁滞、温度不稳定等问题。这些都限制了其在磁电测量领域中的应用。基于巨磁阻抗(GMI)效应的磁传感器，在室温下就可以得到相当大的磁阻抗效应，一般能达到12% -120% /Oe的灵敏度，这一点对于弱磁场的检测有重大的意义，具有可制成微型、高灵敏度(1-0. InT)、快速响应、无磁滞、温度稳定性好的优点，并且与微机电系统 (Micro-Electro-Mechanical Systems,简称 MEMS)工艺兼容。巨磁阻抗效应是指敏感器件如非晶丝的轴向阻抗值会随着外磁场的变化而变化。 因此通过检测敏感器件两端电压的变化即可间接反映外磁场与敏感器件阻抗值的对应关系。而这一点需要在保证激励电流的稳定性的前提下才能实现，否则便无法知道电压变化究竟是由电流变化引起的还是阻抗值变化引起的，目前，采用巨磁阻抗效应的磁传感器采用分立元件搭建信号发生器。其次，巨磁阻抗效应的磁传感器对外磁场的阻抗变化通常是对称的，即对于正反磁场，电压的变化都是相同的，因此无法判断所测外磁场的方向，同时线性度也不好。一般情况是加上偏置磁场，使检测区间位于磁化曲线的线性段，同时也能反映出外磁场的方向。另外，对于开环的磁传感器系统，总的相对误差是各个串联环节相对误差之和，每个相对误差对系统总的相对误差是等权的，因此要保证系统总精度，必须要减小每个环节的相对误差。因为无法保证每个环节的相对误差都很小，所以通常开环的磁传感器系统的测量精度都不太理想，同时由于磁性材料磁化曲线的线性区间很窄等原因，检测到的外磁场量程有限，因此需要采用反馈技术组成闭环的磁传感器系统，进一步提高磁传感器系统的性能。
实用新型内容本实用新型针对磁传感器中敏感器件的GMI效应，提出了一种用于磁传感器的电流偏置电路。一种用于磁传感器的电流偏置电路，包括信号发生电路、V/I转换电路、前置放大电路、峰值检波电路、低通滤波电路、差分放大电路、直流偏置电路、反馈电路、偏置线圈、 反馈线圈和参考电压源。信号发生电路用于产生原始高频交流电压信号，经V/I转换电路转化为交流电流信号，为敏感器件提供激励，敏感器件两端产生高频交流电压信号。前置放大电路的输入端接在敏感器件的两端，用于将敏感器件两端产生的高频交流电压信号进行一级放大，前置放大电路的输出端与峰值检波电路的输入端相连。峰值检波电路用于将进行一级放大后的高频交流电压信号转换为峰值直流电压信号。低通滤波电路将峰值直流电压信号做高频噪声滤除处理，得到直流电压信号。差分放大电路用于将直流电压信号与参考电压源提供的基准电压信号进行差分运算并放大，得到输出电压信号\。直流偏置电路用于产生一个偏置电流信号输出给偏置线圈产生偏置磁场。反馈电路用于将差分放大电路的输出电压信号 Vtl转化成电流信号反馈到反馈线圈产生反馈磁场。偏置线圈与反馈线圈分别置于敏感器件的两侧，且都接地。本实用新型与现有技术相比，具有以下有益的效果(1)本实用新型采用的集成信号发生器采用芯片MAX038，相比于分立元件搭建的信号发生器，噪声小、漂移低、稳定性高，使得激励电流的稳定性更好，提高外磁场——输出电压标定的准确性。( 本实用新型采用的V/I转化电路，相当于输出可调的恒流源，使激励电流、直流偏置的稳定性都得到进一步提高。(3)本实用新型采用直流偏置电路将磁传感器的工作区移至其励磁曲线的线性段，便于测量，采用反馈电路综合提高了整个磁传感器装置的性能，扩大了磁传感器的测量范围。
图1是本实用新型的用于磁传感器的电流偏置电路的原理框图；图2是本实用新型所应用的磁传感器的输出电压随外磁场的变化曲线示意图；图3是采用本实用新型的偏置磁场得到的图2中A处的曲线放大示意图；图4是本实用新型中的反馈电路加入前后输出电压随外磁场变化的曲线示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。如图1所示，本实用新型的一种用于磁传感器的电流偏置电路包括信号发生电路1、V/I转换电路2、前置放大电路3、峰值检波电路4、低通滤波电路5、差分放大电路6、 直流偏置电路7、反馈电路8、偏置线圈9、反馈线圈10和参考电压源11。信号发生电路1的输出端与V/I转换电路2的输入端相连；V/I转换电路2的输出端与敏感器件12的一端相连，敏感器件12的另一端接地；前置放大电路3的输入端接在敏感器件12的两端，前置放大电路3的输出端与峰值检波电路4的输入端相连；峰值检波电路4的输出端与低通滤波电路5的输入端相连；低通滤波电路5的输出端与差分放大电路6的输入端相连；参考电压源11的输出端与差分放大电路6的输入端相连；差分放大电路6的输出端连接反馈电路8的输入端；反馈电路8的输出端连接反馈线圈10 ；直流偏置电路7的输出端连接偏置线圈9 ；偏置线圈9与反馈线圈10分别置于敏感器件12的两侧， 且都接地。所述的信号发生电路1主要采用芯片MAX038实现，用于产生原始高频交流电压信号提供给敏感器件12进行励磁，敏感器件12可以是非晶丝。采用的芯片MAX038内部主要由振荡器、参考电压源、恒流源发生电路、多路选择开关、比较器、相位检测器、输出缓冲器等部分组成，具有频带宽、输出电压稳定、噪声小等特点。所述的V/I (电压与电流)转换电路2由集成运算放大器组成，将原始高频交流电压信号转化为电流信号，相当于一个输出可调的恒流源，为敏感器件12提供稳定的激励交流电流。V/I转换电路2具有稳流系数、输出阻抗性能好，漂移低、噪声小、输入电压的波动对集成运算放大器输出影响小等特点。所述的前置放大电路3接在敏感器件的两端，对敏感器件12两端产生高频交流电压信号进行一级放大。前置放大电路3为由集成运放和反馈电阻组成的同相比例放大电路，通过调整反馈电阻的值来实现对敏感器件12两端高频电压信号的放大。集成运放具有输入的失调电压、失调电流小且噪声低的特点。所述的峰值检波电路4采用二级管峰值包络检波，将一级放大后的高频交流电压信号转化成交流电压信号峰值的直流电压信号。所述的低通滤波电路5采用RC有源四阶巴特沃思滤波器实现，输入阻抗高、输出阻抗低，具有很好的带载能力，并能很好的滤掉输入的峰值直流电压信号的高频噪声。所述的差分放大电路6作为后级放大接在低通滤波器5的输出端，具有低温漂、高增益、高共模抑制比、低噪声等特点，将前级衰减的直流电压信号进行放大，便于检测。参考电压源11可采用TL431三端稳压器，向差分放大电路6通入与当外部磁场为零时，敏感器件12两端的直流电压信号相等的基准电压信号。差分放大电路6将输入的直流电压信号与参考电压源11提供的基准电压信号进行差分运算并放大，得到敏感器件12由于外部磁场所变化的阻值对应的直流电压信号。所述的直流偏置电路7为一个精密恒流源，产生一个偏置电流信号输出给偏置线圈9，通过偏置线圈9产生偏置磁场，将磁传感器的工作区零点设置在2. 60e附近，使得线性度好，便于标定，同时能够辨别所测外磁场的方向。所述的反馈电路8采用精密绕线电阻，将输出电压信号Vtl转化成电流信号反馈到反馈线圈10中，产生反馈磁场来调节外磁场，能扩大弱磁检测的范围。反馈电路8通过调整精密绕线电阻的值来调整反馈深度，灵敏度虽有所降低，但线性度及检测范围以及稳定性都得到提高。如图1所示，信号发生电路1的核心芯片MAX038由士5V电源供电，通过连接少量外部器件，可得到需要的输出波形，并且输出信号频率可调。芯片MAX038输出的原始的高频交流电压信号输入V/I转换电路2中，电压信号变为稳定的电流信号，对敏感器件12 进行励磁。信号发生电路1的电源端接入有退耦电容以减小噪声，并且为了避免因退耦电容本身存在的电感作用的影响而引发的自激振荡噪声，在大容量的退耦电容上再并接一只小容量的电容器，以尽量降低其合成阻抗，使高频时也能很好地傍路，从而抑制自激振荡噪声。前置放大电路3对敏感器件12两端的高频交流电压信号进行一级放大后输出给峰值检波电路4，峰值检波电路4将输入的高频交流电压信号转化为峰值直流电压信号，经过低通滤波电路5滤去高频噪声得到直流电压信号，最后得到的直流电压信号经过差分放大电路6进行再次放大，最终在差分放大电路6的输出端输出电压Vtl，可以用示波器观察差分放大电路6的输出端的输出电压Vtl的变化。通过调节直流偏置电路7的偏置电流的大小，使磁传感器的工作区移至其励磁曲线的线性段，通过调节反馈电路8的反馈深度，提高整个磁传感器的整体性能。本实用新型实施例中各部分电路元器件参数如下根据实验研究得到的数据，对于所测敏感器件选择最佳信号频率为10MHz，最佳激励电流幅值为30mA。通过信号发生电路1提供0. 75V 3V的原始高频交流电压信号， 本实施例中提供1. 5V的原始高频交流电压信号。信号发生电路1的电源端退耦电容可为 20uF 90uF大小，本本实施例中选用47uF的电容，并联的旁路小电容可选择50nF 200nF 大小，本实施例中选用IOOnF的电容。前置放大电路3选择芯片AD848实现，选择放大倍数为6倍左右。峰值检波电路4中的整流二极管选用肖特基二极管。低通滤波电路5中的集成运放选取芯片0P07实现。差分放大电路6选用高精度三运放芯片AD620，芯片AD620是由3个精密运放集成的差分专用运放，具有低温漂、高增益、高共模抑制比、低噪声等优点， 只需调节外接电阻即可改变放大增益，且精度高。V/I转换电路2采用两个芯片AD848搭建，一个置于前向通道，一个置于反馈通道。如图2所示，为采用本实用新型实施例检测到的输出电压Vtl与敏感器件12上的外磁场的关系曲线图，A处为磁传感器的励磁曲线。如图3所示，经过偏置线圈9产生偏置磁场的偏置，将磁传感器的工作区移至其励磁曲线的线性段，便于测量。如图4所示，为加入反馈后闭环的磁传感器系统的输出响应与不加入反馈的开环磁传感器系统的输出响应的对比。由图4可知，未加入反馈时，测量范围H为士 0. 50e，电路输出线性度为19.5%，灵敏度451mv/0e，加入反馈后测量范围H为士 10e，电路输出线性度为10.8%，灵敏度219!^/0 加入反馈后的闭环系统的敏感器件的测量范围扩大了，提高了整体磁传感器系统的性能。
权利要求1.一种用于磁传感器的电流偏置电路，包括前置放大电路(3)、峰值检波电路、低通滤波电路(5)、差分放大电路(6)和参考电压源(11)，其特征在于，该电流偏置电路还包括信号发生电路(1)、V/I转换电路(2)、直流偏置电路(7)、反馈电路(8)、偏置线圈(9) 和反馈线圈(10)；用于产生原始高频交流电压信号的信号发生电路(1)的输出端与用于将原始高频交流电压信号转化为交流电流信号的V/I转换电路(2)的输入端相连，V/I转换电路(2)的输出端与敏感器件(12)的一端相连，敏感器件(12)的另一端接地；前置放大电路(3)的输入端接在敏感器件(1 的两端，用于将敏感器件(1 两端产生的高频交流电压信号进行一级放大，前置放大电路⑶的输出端与峰值检波电路⑷的输入端相连；峰值检波电路⑷ 用于将进行一级放大后的高频交流电压信号转换为峰值直流电压信号，峰值检波电路(4) 的输出端与低通滤波电路(5)的输入端相连；低通滤波电路(5)用于滤去输入的峰值直流电压信号的高频噪声得到直流电压信号，低通滤波电路(5)的输出端与差分放大电路(6) 的输入端相连；差分放大电路(6)用于将直流电压信号与参考电压源(11)提供的基准电压信号进行差分运算并放大，差分放大电路(6)的输出端连接反馈电路(8)的输入端；反馈电路(8)用于将差分放大电路(6)的输出电压信号VO转化成电流信号反馈到反馈线圈(10) 中；直流偏置电路(7)用于产生一个偏置电流信号输出给偏置线圈(9)；偏置线圈(9)与反馈线圈(10)分别置于敏感器件(12)的两侧，且都接地，偏置线圈(9)用于产生偏置磁场， 反馈线圈(10)用于产生反馈磁场来调节外磁场。
2.根据权利要求1所述的一种用于磁传感器的电流偏置电路，其特征在于，所述的信号发生电路(1)采用芯片MAX038。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于磁传感器的电流偏置电路，其特征在于，所述的信号发生电路(1)的电源端接入有退耦电容，退耦电容并联有用于抑制退耦电容自身自激振荡噪声的旁路电容。
4.根据权利要求3所述的一种用于磁传感器的电流偏置电路，其特征在于，所述的信号发生电路(1)产生0. 75V 3V的原始高频交流电压信号，信号发生电路(1)的电源端接入的退耦电容为20uF 90uF，并联的旁路电容为50nF 200nF。
5.根据权利要求1所述的一种用于磁传感器的电流偏置电路，其特征在于，所述的V/I 转换电路(2)采用两个芯片AD848搭建，一个置于前向通道，一个置于反馈通道。
6.根据权利要求1所述的一种用于磁传感器的电流偏置电路，其特征在于，所述的偏置线圈(9)，通过调节直流偏置电路(7)产生的偏置电流的大小，使产生的偏置磁场使得磁传感器的工作区零点设置在2. 60e附近。
7.根据权利要求1所述的一种用于磁传感器的电流偏置电路，其特征在于，所述的反馈电路(8)采用精密绕线电阻，通过调整精密绕线电阻的值来调整反馈磁场的深度。
专利摘要本实用新型提供了一种用于磁传感器的电流偏置电路，主要包括信号发生电路、V/I转换电路、前置放大电路、检波电路、低通滤波电路、差分放大电路、反馈电路以及直流偏置电路。本实用新型采用芯片MAX038作为信号发生电路产生高频交流电压信号，通过V/I转换电路为磁敏感器件提供稳定激励电流，直流偏置电路提供偏置电流给偏置线圈产生偏置磁场，为磁传感器提供合适的工作区间，经过前置放大电路等电流处理后的输出电压信号通过反馈电路转换为电流信号，并通过反馈线圈产生反馈磁场。本实用新型提供的激励电流的稳定性更好，将磁传感器的工作区移至其励磁曲线的线性段，便于测量，提高了整个磁传感器装置的性能，扩大了磁传感器的测量范围。
文档编号G01R31/02GK202083973SQ20112016312
公开日2011年12月21日 申请日期2011年5月20日 优先权日2011年5月20日
发明者杨慧, 熊志天, 王三胜 申请人:北京航空航天大学