基于聚磁结构的谐振式磁传感器的设计方法及谐振式磁传感器

本发明属于传感器技术，具体为一种基于聚磁结构的谐振式磁传感器的设计方法及谐振式磁传感器。

背景技术：

1、谐振式磁传感器具有高灵敏度、宽测量范围、抗干扰能力强、响应迅速等优点，在无损检测、磁性存储等应用领域有着重要的地位。目前，一些需要检测非常微弱的磁场信号的场合，例如地磁场测量、导航系统、医疗成像等领域，对谐振式磁传感器的灵敏度提出了更高的要求。

2、现有技术，如公开号为cn218481195u的中国专利公开了一种永磁体式电磁扭矩传感器，该传感器避免了电阻应变片的老化与温度漂移的问题，寿命更长、准确性更高，但是仍然存在漏磁的问题。该传感器选择引入磁屏蔽层的外壳以减小漏磁的影响，但是这样会导致成本较高，结构复杂，散热困难。此外，某些情况下，磁屏蔽层可能引入非线性响应。更重要的是，磁屏蔽层的设计可能会限制传感器的灵敏度，尤其是在需要对非常微小的磁场变化进行测量时，磁屏蔽层可能会削弱传感器对外部磁场的感应能力，增加传感器的响应时间。又如国内的李辉等人设计的磁致伸缩材料与音叉谐振器复合结构的谐振式磁传感器(参考文献：李辉.利用谐振式磁传感器的电流传感技术及器件系统研究[d].江苏:南京理工大学,2020.)，该传感器成功地将灵敏度提高到了传统传感器的1.3倍，而改良其传感器的聚磁部分的结构，或许能有效减少漏磁，更大程度地提高灵敏度。

3、由于聚磁结构能够有效汇聚外磁场，减少漏磁，利用聚磁结构能够改善漏磁，并且不会引入磁屏蔽层的外壳带来的问题。而如何利用聚磁结构设计灵敏度更高的传感器是目前亟需研究的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种提高谐振式磁传感器灵敏度的方法。

2、实现本发明目的的技术方案为：一种基于聚磁结构的谐振式磁传感器的设计方法，具体步骤为：

3、将谐振式磁敏感单元置于不同大小的均匀磁场中，获取谐振频率随磁场大小的变化关系，得到谐振频率线性度最好的磁场范围，估计得到谐振式磁敏感单元所需施加的偏置磁场大小b1；

4、进行静磁场仿真实验，对磁致伸缩单元施加偏置磁场b1，获得磁致伸缩单元内部沿传感方向的平均磁感应强度b3；

5、设计不同形状以及不同形状参数的聚磁结构，并将聚磁结构对称放置在谐振式磁敏感单元的两端；进行静磁场仿真实验，对设置了聚磁结构的谐振式磁敏感单元施加均匀磁场b2，使各磁致伸缩单元内部平均磁感应强度b4都等于平均磁感应强度b3；

6、挑选使磁致伸缩单元内部平均磁感应强度b4等于平均磁感应强度b3时出能用最小均匀磁场b2对应的聚磁结构；

7、将所选聚磁结构沿传感方向对称放置于谐振式磁敏感单元的两端，并将两个完全相同的永磁体左右对称设置于谐振式磁敏感单元的两边，完成谐振式磁传感器的组装。

8、优选地，所述谐振式磁敏感单元包括高q值石英音叉谐振器和磁致伸缩单元，所述高q值石英音叉谐振器设置在磁致伸缩单元上。

9、优选地，所述谐振式磁传感器包括永磁体、振荡电路，所述永磁体平行放置磁致伸缩单元两端，所述高q值石英音叉谐振器任意一端的两个电极与振荡电路连接，所述振荡电路用于输出载有所述高q值石英音叉谐振器谐振频率的谐振信号。

10、优选地，所述聚磁结构为高磁导率材料。

11、优选地，所述聚磁结构与谐振式磁传感器中的永磁体厚度相同。

12、优选地，所述聚磁结构靠近谐振式磁敏感单元的一端与谐振式磁敏感单元等宽。

13、本发明还提出了基于聚磁结构的谐振式磁传感器，包括谐振式磁敏感单元、聚磁结构、振荡电路以及永磁体，所述谐振式磁敏感单元包括高q值谐振器和磁致伸缩单元，所述高q值谐振器设置在磁致伸缩单元上，所述永磁体平行放置磁致伸缩单元两侧，所述聚磁结构对称设置于永磁体与磁致伸缩单元两端，所述高q值谐振器任意一端的两个电极与振荡电路连接，所述振荡电路用于输出载有所述高q值谐振器谐振频率的谐振信号。

14、优选地，所述聚磁结构为梯形与矩形拼接成的类梯形结构，且梯形的上底所在的一端靠近磁致伸缩单元。

15、优选地，所述聚磁结构为t形。

16、优选地，所述聚磁结构为对称设置的双l形。

17、本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明在谐振式磁传感器传感方向设置了聚磁结构，有效汇聚了外磁场，进一步降低了漏磁，使线性区斜线的斜率更大，显著提高了传感器的灵敏度。

18、下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

技术特征：

1.一种基于聚磁结构的谐振式磁传感器的设计方法，其特征在于，具体步骤为：

2.根据权利要求1所述的基于聚磁结构的谐振式磁传感器的设计方法，其特征在于，所述谐振式磁敏感单元包括高q值石英音叉谐振器和磁致伸缩单元，所述高q值石英音叉谐振器设置在磁致伸缩单元上。

3.根据权利要求2所述的基于聚磁结构的谐振式磁传感器的设计方法，其特征在于，所述谐振式磁传感器包括永磁体、振荡电路，所述永磁体平行放置磁致伸缩单元两端，所述高q值石英音叉谐振器任意一端的两个电极与振荡电路连接，所述振荡电路用于输出载有所述高q值石英音叉谐振器谐振频率的谐振信号。

4.根据权利要求1所述的基于聚磁结构的谐振式磁传感器的设计方法，其特征在于，所述聚磁结构为高磁导率材料。

5.根据权利要求1所述的基于聚磁结构的谐振式磁传感器的设计方法，其特征在于，所述聚磁结构与谐振式磁传感器中的永磁体厚度相同。

6.根据权利要求1所述的基于聚磁结构的谐振式磁传感器的设计方法，其特征在于，所述聚磁结构靠近谐振式磁敏感单元的一端与谐振式磁敏感单元等宽。

7.一种采用权利要求1～6任一方法设计的基于聚磁结构的谐振式磁传感器，其特征在于，包括谐振式磁敏感单元、聚磁结构、振荡电路以及永磁体，所述谐振式磁敏感单元包括高q值谐振器和磁致伸缩单元，所述高q值谐振器设置在磁致伸缩单元上，所述永磁体平行放置磁致伸缩单元两侧，所述聚磁结构对称设置于永磁体与磁致伸缩单元两端，所述高q值谐振器任意一端的两个电极与振荡电路连接，所述振荡电路用于输出载有所述高q值谐振器谐振频率的谐振信号。

8.根据权利要求7所述的基于聚磁结构的谐振式磁传感器，其特征在于，所述聚磁结构为梯形与矩形拼接成的类梯形结构，且梯形的上底所在的一端靠近磁致伸缩单元。

9.根据权利要求7所述的基于聚磁结构的谐振式磁传感器，其特征在于，所述聚磁结构为t形。

10.根据权利要求7所述的基于聚磁结构的谐振式磁传感器，其特征在于，所述聚磁结构为对称设置的双l形。

技术总结
本发明公开了一种基于聚磁结构的谐振式磁传感器的设计方法及谐振式磁传感器，所述谐振式磁传感器包括谐振式磁敏感单元、聚磁结构、振荡电路以及永磁体，所述谐振式磁敏感单元包括高Q值谐振器和磁致伸缩单元，所述高Q值谐振器设置在磁致伸缩单元上，所述永磁体平行放置磁致伸缩单元两侧，所述聚磁结构对称设置于永磁体与磁致伸缩单元两端，所述高Q值谐振器任意一端的两个电极与振荡电路连接，所述振荡电路用于输出载有所述高Q值谐振器谐振频率的谐振信号。本发明在谐振式磁传感器传感方向设置了聚磁结构，有效汇聚了外磁场。

技术研发人员：薛佳慧,卞雷祥,林骐钰,王舒杨,黄子军
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15