一种用于巨磁电阻传感器动态特性测试的磁场发生方法
【专利摘要】一种用于巨磁电阻传感器动态特性测试的磁场发生方法，步骤有一、用两块永磁铁，确定磁铁的轴向间距和测试点位置；二、沿导管设置位移标尺；移动动磁铁测量测试点磁场强度，建立动磁铁相对位移与磁场强度间的函数关系H(s)；三、用动力源驱动动磁铁，生成磁场强度随时间变化的动态磁场；四、在导管侧面安装激光测速仪，实时测量动磁铁在导管中的运动速度，建立相对位移与时间的函数关系s(t)；五、由s(t)及H(s)推导建立动态磁场随时间变化的数学模型H(t)，实现磁场量测量向位移量测量的转换；六、改变动力源的动力大小，产生满足巨磁电阻传感器动态特性测试需要的动态磁场。本发明实现了装置模块化设计，有利于装置改进升级。
【专利说明】一种用于巨磁电阻传感器动态特性测试的磁场发生方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于巨磁电阻传感器动态特性测试的磁场发生方法，可产生适用 于巨磁电阻传感器动态特性测试的磁场，并能够进行巨磁电阻传感器性能指标的测试。属 于巨磁电阻传感器动态特性研究【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 磁场是自然界中最基本的物理量，很多物理量的测量都是基于磁场的变化来实 现。巨磁电阻传感器作为磁敏传感器家族的重要组成部分，在航空航天、生物医学、现代交 通等领域有着广泛的应用，其特性研究也逐渐受到人们的关注。但由于测试条件的局限性 和测试环境的苛刻性，使当前的测试手段远远落后于传感器的发展，尤其是巨磁电阻传感 器动态特性的研究，国内外仍处于起步阶段，从而使得巨磁电阻传感器的应用受到极大的 限制。
[0003] 现有的动态磁场发生方法主要以通流导体、电磁铁、通电线圈和亥姆霍兹线圈作 为发生体，通过外加电流产生磁场，磁场幅值和频率的变化完全依赖于电流，但电感的存在 限制了动态磁场频率的提升，进而难以实现对磁敏传感器高频动态特性的测试。对于动态 磁场的测量，一般采用磁探针法、法拉第磁光效应法和塞尔曼效应法。由于各自存在的不 足，这些方法难以满足巨磁电阻传感器动态特性高精度测试的要求，磁探针法对工艺技术 要求比较高，法拉第磁光效应法需采用其它方法对结果进行修正，塞尔曼效应法则不宜测 量弱磁场。
[0004] 综上所述，现有的动态磁场发生装置和测试方法存在如下问题：
[0005] (1)已有的动态磁场发生方法由于受电感的影响，无法产生较宽频率的动态磁场， 进而难以实现巨磁电阻传感器的高频动态特性测试。
[0006] (2)现有的动态磁场测量方法，由于各自存在的不足，难以满足巨磁电阻传感器动 态特性高精度测试的要求，不利于巨磁电阻传感器动态特性的研究。
[0007] 因此，设计一种适用于巨磁电阻传感器动态特性测试的磁场发生方法显得尤为重 要，这不仅可以为巨磁电阻传感器的动态特性测试提供依据，而且将有利于拓展巨磁电阻 传感器的应用领域。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的：提供一种用于巨磁电阻传感器动态特性测试的磁场发生方法，以 满足巨磁电阻传感器动态特性测试的需要。
[0009] 本发明的设计思想：本发明设计一种用于巨磁电阻传感器动态特性测试的磁场发 生方法，采用外力驱动磁铁运动的方式产生动态磁场。首先通过调整两块永磁铁之间的相 对位置，改变磁铁间的磁场分布，在静态磁场环境下，建立磁铁相对位移与磁场强度间的函 数关系H(S);然后固定其中一块磁铁，采用外力驱动另一块磁铁快速运动，利用磁铁速度 v(t)与位移s间的函数关系，最终建立磁场强度与时间的数学模型H(t)。在此基础上，将 模型H(t)作为标准输入值，与巨磁电阻传感器的输出值Hl (t)进行分析处理，即可进一步 得出巨磁电阻传感器动态特性。
[0010] 本发明的技术解决方案是：基于永磁铁磁场稳定、体积小等优点，采用永磁铁作为 动态磁场发生的磁场源；基于避免线圈电感影响的考虑，采用动力源驱动永磁铁做快速运 动，以构建出动态磁场；基于动态磁场测量的溯源考虑，将动态磁场的测量溯源至位移量的 测量。
[0011] 综上所述，本发明一种用于巨磁电阻传感器动态特性测试的磁场发生方法，该方 法具体步骤如下：
[0012] 步骤一：采用两块永磁铁作为磁场输出源，将测试点置于两磁铁中间位置，通过调 整磁铁轴向间距来改变磁场分布，根据巨磁电阻传感器的量程需要，确定两磁铁的轴向间 距和测试点最终位置；
[0013] 步骤二：将其中一块磁铁作为定磁铁（1)固定在导管的侧方，另一块磁铁作为动 磁铁（2)置于导管（4)中，并沿导管（4)设置位移标尺（5);移动动磁铁（2)至位移标尺 (5)上的各位移点，测量与相对位移量所对应的测试点（3)处的磁场强度，建立动磁铁相对 位移与磁场强度间的函数关系H(S);
[0014] 步骤三：采用动力源驱动动磁铁（2)，使其沿导管（4)做直线运动。随着动磁铁 (2)的位移变化，测试点（3)处的磁场强度也将产生动态变化，从而在测试点处生成一个磁 场强度随时间变化的动态磁场；
[0015] 步骤四：在导管末端安装激光测速仪（6)，实时测量动磁铁（2)在导管（4)中的运 动速度V⑴，根据s(t) = J0tVOOdt建立相对位移与时间的函数关系s⑴；
[0016] 步骤五：由相对位移与时间的函数关系s(t)，及相对位移与磁场强度间的函数关 系H(S)，推导得出磁场强度随时间的变化，即建立动态磁场随时间变化的数学模型H(t)， 实现磁场量测量向位移量测量的转换；
[0017] 步骤六：改变动力源的动力大小，使动磁铁（2)获得不同的运动速度，从而改变所 产生磁场的动态性能指标，产生满足巨磁电阻传感器动态特性测试需要的动态磁场。
[0018] 其中，在步骤一中所述的"巨磁电阻传感器"，是用于测量磁场强度的常用巨磁电 阻传感器；
[0019] 其中，在步骤二中所述的"导管"，是透明PVC硬导管，长度为2米，管径与所使用的 磁铁尺寸相适应；
[0020] 其中，在步骤二中所述的"H(s)"，其建立的方法如下：使用高精度特斯拉计测 量测试点磁场强度，与动磁铁相对位移量一一对应记录，然后使用MATLAB对所测得的数 据进行曲线拟合，可得到拟合函数H(S)，即建立动磁铁相对位移与磁场强度间的函数关系 H(s);
[0021] 其中，在步骤三中所述的"动力源"，是指能为磁铁运动提供动力的弹性系统或气 压传动系统等。
[0022] 本发明与现有技术相比的优点在于：采用永磁铁取代线圈能够有效避免现有技术 中线圈电感对磁场动态特性的影响；采用外置的动力源提供动态输入量，实现了装置模块 化设计，有利于装置改进升级；通过对所生成磁场的位移定标，将传感器动态特性测试溯源 到位移量的测量，提供了高精度的动态磁场值，有利于巨磁电阻传感器动态特性的深入研 究。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1为本发明所述动态磁场发生方法的系统结构框图，
[0024] 图2为磁场发生机构的结构示意图，
[0025] 图3为本发明所述动态磁场发生方法的流程框图。
[0026] 图中符号说明如下：
[0027] 1-定磁铁；2-动磁铁；3-测试点；4-导管；5-位移标尺；6-激光测速仪。
【具体实施方式】
[0028] 如图1、3所示，本发明一种用于巨磁电阻传感器动态特性测试的磁场发生方法， 该方法具体步骤如下：
[0029] 步骤一：本发明所述动态磁场方法采用两块永磁铁作为磁场输出源，如图2所示； 首先将定磁铁（1)与动磁铁（2)正对放置，然后保持动磁铁（2)的位置不变，调整定磁铁 (1) 的前后位置，改变两块永磁铁的相对距离，测试点⑶始终置于定磁铁⑴和动磁铁 (2) 的中间位置，从而实现测试点磁场强度范围的调整；使用高精度特斯拉计测量测试点 (3) 处磁场强度值，然后根据巨磁电阻传感器的量程需要，确定定磁铁（1)与动磁铁（2)的 相对距离和测试点（3)的最终位置；
[0030] 步骤二：固定定磁铁（1)，将动磁铁（2)置于导管（4)中，并沿导管（4)设置位移标 尺（5);移动动磁铁（2)至位移标尺（5)上的各位移点，测量与位移量所对应的测试点（3) 处的磁场强度，然后使用MATLAB对所测得的数据进行曲线拟合，可得到拟合函数H(S)，从 而建立动磁铁相对位移与磁场强度间的函数关系H(S)，并将其作为装置测试点磁场强度的 定标数据；
[0031] 步骤三：采用动力源驱动动磁铁（2)，使其沿套管（4)做直线运动，随着动磁铁的 位移变化，测试点（3)处的磁场强度也将产生动态变化，从而在测试点处生成一个磁场强 度随时间变化的动态磁场；
[0032] 步骤四：在导管末端安装激光测速仪（6)，实时测量动磁铁⑵在导管⑷中的运 动速度V (t),根据s(t) = J0tVOOdt建立相对位移与时间的函数关系S (t);
[0033] 步骤五：由相对位移与时间的函数关系s(t)，及相对位移与磁场强度间的函数 关系H(S)，进一步推导出磁场强度随时间的变化，即建立动态磁场随时间变化的数学模型 H(t)，实现磁场量测量向位移量测量的转换；
[0034] 步骤六：根据巨磁电阻传感器动态特性测试的需要，采用改变动力源的动力大小 的方法，使动磁铁（2)获得不同的速度，改变磁场的动态性能指标，产生满足巨磁电阻传感 器动态特性测试需要的动态磁场。
[0035] 图3所示为本发明流程框图。首先调整确定两磁铁间的间距和测试点位置，使得 测试点位置的磁场强度范围满足巨磁电阻传感器的量程；然后移动动磁铁至位移标尺上的 各位移点，测量与动磁铁的相对位移量一一对应的测试点磁场强度，完成装置测试点磁场 强度的位移定标；然后采用动力源驱动动磁铁做直线运动，在测试点处产生对应于磁铁位 移变化的动态磁场；测量动磁铁的位移和速度；再然后根据动磁铁运动数据和磁场定标数 据进行动态磁场的性能分析，得到所产生磁场的动态性能指标；最后根据动态性能分析结 果，采用改变外置的动力源动力大小的方法，使动磁铁获得不同的速度，从而改变所产生磁 场的动态性能，以产生满足巨磁电阻传感器动态特性测试需要的动态磁场。
【权利要求】
1. 一种用于巨磁电阻传感器动态特性测试的磁场发生方法，其特征在于：该方法具体 步骤如下： 步骤一：采用两块永磁铁作为磁场输出源，将测试点置于磁铁间轴向中心位置，通过调 整磁铁轴向间距来改变磁场分布，根据巨磁电阻传感器的量程需要，确定磁铁的轴向间距 和测试点位置； 步骤二：将其中一块磁铁作为定磁铁固定在导管的侧方，另一块磁铁作为动磁铁置于 导管中，并沿导管设置位移标尺；移动动磁铁至位移标尺上的各位移点，测量与相对位移量 所对应的测试点磁场强度，建立动磁铁相对位移与磁场强度间的函数关系H(S); 步骤三：采用动力源驱动动磁铁，使其沿导管做直线运动；随着动磁铁的位移变化，测 试点的磁场强度也将产生动态变化，从而在测试点处生成一个磁场强度随时间变化的动态 磁场； 步骤四：在导管侧面安装激光测速仪，实时测量动磁铁在导管中的运动速度V (t)，根 据s(t) = J0tVCQdt建立相对位移与时间的函数关系S(t); 步骤五：由相对位移与时间的函数关系s(t)，及相对位移与磁场强度间的函数关系 H(S)，推导得出磁场强度随时间的变化，即建立动态磁场随时间变化的数学模型H(t)，实现 磁场量测量向位移量测量的转换； 步骤六：改变动力源的动力大小，使动磁铁获得不同的运动速度，从而改变所产生磁场 的动态性能指标，产生满足巨磁电阻传感器动态特性测试需要的动态磁场。
2. 根据权利要求1所述的一种用于巨磁电阻传感器动态特性测试的磁场发生方法，其 特征在于：在步骤一中所述的"巨磁电阻传感器"，是用于测量磁场强度的常用巨磁电阻传 感器。
3. 根据权利要求1所述的一种用于巨磁电阻传感器动态特性测试的磁场发生方法，其 特征在于：在步骤二中所述的"导管"，是透明PVC硬导管，长度为2米，管径与所使用的磁铁 尺寸相适应。
4. 根据权利要求1所述的一种用于巨磁电阻传感器动态特性测试的磁场发生方法，其 特征在于：在步骤二中所述的"H(s) "，其建立的方法如下：使用高精度特斯拉计测量测试 点磁场强度，与动磁铁相对位移量一一对应记录，然后使用MTLAB对所测得的数据进行曲 线拟合，得到拟合函数H(S)，即建立动磁铁相对位移与磁场强度间的函数关系H(S)。
5. 根据权利要求1所述的一种用于巨磁电阻传感器动态特性测试的磁场发生方法，其 特征在于：在步骤三中所述的"动力源"，是指能为磁铁运动提供动力的弹性系统或气压传 动系统中的一种。
【文档编号】G01D18/00GK104344845SQ201410584907
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年10月27日 优先权日:2014年10月27日
【发明者】邓永富, 钱政, 赵晓东, 田园, 王婧怡 申请人:北京航空航天大学