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磁传感器调研.docx

磁传感器调研

少女天空618
2018-05-06 0人钱柜777手机版登陆 0 0 0 暂无简介 举报

简介:本文档为《磁传感器调研docx》,可适用于战略管理领域

磁传感器技术根据对磁场的测量范围将磁传感器分为三类:低强度磁场传感器、中强度磁场传感器及高强度磁场传感器。低强度磁场传感器通常检测T以下的磁场中强度磁场传感器通常检测~T的磁场高强度磁场传感器检测范围通常在T以上。、低强度磁场传感器低强度磁场传感器通常检测T以下的磁场多用于医学、磁性材料研究及军事领域。与其他磁场传感器相比低强度磁传感器结构笨重复杂而且成本高被测磁场比地磁场(地磁场强度的数量级为T)小地磁场的微弱变化均比低强度磁场传感器测量范围大。①超导测磁超导测磁方法是世纪年代中期利用超导技术发展起来的一种新型测磁方法根据目前的仪器设计其灵敏度可达T~T量程可从到数千高斯能响应零到几兆甚至到MHz的快速磁场变化。超导测磁方法利用超导结的临界电流随磁场周期起伏的原理来测磁。如图所示在超导结两端加上电源电压表V无显示时电流表A显示的电流为超导电流电压表开始有显示时电流表所显示的电流为临界电流。当加入磁场后临界电流将有周期性起伏其极大值逐渐衰减振荡的次数乘以磁通量子即透入超导结的磁通量。由于磁通与外磁场成正比求出磁通也就求出了磁场。若磁场有变化则磁通也变化临界电流的振荡次数乘以磁通量子就可反映磁场变化的大小。这样利用超导结就可测量磁场的大小及其变化。由于低温较难达到为了使超导材料具有实用性现有超导测磁仪器主要是对高温超导进行研究的成果。超导量子干涉装置(SuperconductingQuantumInterferenceDevice简称SQUID)是典型的高温超导测磁仪器是目前已知的灵敏度最高的低强度磁传感器。SQUID磁强计可测量的磁场范围从~T而人脑产生的磁场数量级为T这使得它在医学领域广泛应用。目前高精度的SQUID主要应用于医学、磁性材料特性和生物磁性研究。②感应线圈测磁感应线圈磁强计建立在法拉第电磁感应定律基础上即线圈中感应电压和线圈中磁场的变化率成比例。感应线圈磁传感器的灵敏度依赖于铁芯的磁导率、线圈面积和匝数。这种类型的磁传感器对磁场的最高分辨率为T频率响应范围为Hz~MHz所需功率为~毫瓦。Claude通过对线圈闭环控制扩展了感应线圈磁传感器的频率响应范围可达Hz~MHz。感应线圈不能测量静态磁场多用于距离探测。③核子自旋进动测磁在磁场作用下核子产生进动其进动频率与磁场强度成正比利用这一原理进行测磁。自旋核子磁矩绕被测磁场的旋进运动相当于一个小磁铁绕被测磁场并与其保持固定角度的运动显然这将使其周围的磁场发生周期性的变化其变化频率就是进动频率。如果放置一个固定线圈则线圈内部磁通发生周期性的变化在线圈中就会产生感应电压其频率与核子进动频率一致测出线圈感应电压的频率就可测出磁场大小。所谓核磁共振式测磁就是通过测量自旋核子在外磁场中的进动频率来测量外部磁场只不过核磁共振磁强计利用共振原理来获取进动频率。④光泵测磁光泵测磁法的原理是:采用光学技术选择出一定频率的光照射含有碱金属蒸汽的吸收室将其泵激励到特定的某个能级(这种技术称为光泵技术)然后对吸收室加载交变磁场当交变磁场的频率与电子两能级之间的跃迁频率相等时(这个频率被称作共振频率)就会改变吸收室的吸收程度使其透明度变差由于这一共振频率与磁场成正比故通过测量共振频率就可测量磁场。光泵磁场测量仪器是利用近年来新发展起来的光泵技术制成的高灵敏度磁场测量仪器其灵敏度可达T以上。由于元素的弛豫时间长吸收线窄因此精度高不足的是长弛豫时间限制了频率响应。目前这种传感器体积庞大高功耗价格昂贵等限制了该技术在实际中的应用。⑤磁光传感器磁光效应磁传感器利用磁场改变光的偏振状态来对磁场进行测量。当一束偏振光通过介质时若在光传播方向存在磁场那么光通过偏振面将偏转一个角度这就是磁光效应。可通过测量偏转的角度来测量磁场偏转的角度和输出的光强成正比将输出光照射激光二极管可获得数字化的光强。这种磁传感器的灵敏度可达到T它具有优良的电绝缘性能和抗干扰、频响宽、响应快、安全防爆等特性因此适合一些特殊场合的磁场测量尤其在电力系统中高压大电流的测量方面有明显的优势。、中强度磁场传感器中强度磁场传感器测量的磁场范围为~T由于地磁场强度的数量级为T故中强度磁场传感器也被称为地磁场传感器。①磁通门式磁场传感器磁通门磁场传感器在导航系统中运用最为广泛约于年发展起来后来被军方用于潜艇探测。磁通门磁强计可测量大小为~T的直流或缓慢变化的磁场其频率带宽约为数千赫兹。基本磁通门如图所示它包括绕有两个线圈的铁芯主线圈或称做激励线圈辅线圈或称做收集线圈。运行时主线圈中加有频率为f的激励电流Iexc其大小足以使具有磁导率mu的铁芯达到饱和磁感应强度。当铁芯不饱和时因其磁导率mu高给外部磁场B的磁力线提供低磁阻通路如图(a)所示当铁芯饱和时铁芯磁阻增加磁力线溢出铁芯如图(b)。可通过二次谐波原理、脉冲定位原理或脉冲高度原理从输出信号中提取外磁场B。磁通门大都用在闭环直流磁强计中其分辨率可达T。增加传感器频带会引起直流特性下降还有可能引起稳定性问题。近多年的研究表明使用有效的铁芯材料可显著提高磁通门磁强计在低磁场中的的性能降低磁场噪声提高热稳定性。CoFeSiB或Vacoperm作为线圈铁芯制成的TFSminus型磁强计在minus℃~℃的范围内温度漂移仅有~nT℃。磁通门磁强计具有高分辨率这使得它被广泛应用于探空、探潜、地磁测量(空中、海上和水下的地磁测量)、探矿及星际间的磁场测量以及应用于宇航空间技术中。与霍尔传感器和磁阻传感器相比其价格较高。然而如果磁通门能成功的小型化并和微电子电路集成进行批量生产以降低价格这使得集成磁通门将是高性能霍尔元件与磁阻传感器强有力的竞争者。②各向异性磁阻传感器采用诸如镍铁导磁合金(含镍含铁)的各向异性材料根据磁阻效应原理制作而成磁场传感器称为各向异性磁阻式(AnisotropicMagnetoResistance简称AMR)传感器。这种传感器重量轻体积小功耗为~毫瓦适合的温度范围为℃~℃。采用开环电路时的灵敏度范围是~T频率响应动态范围为~GHz采用闭环电路时的灵敏度是T频率带宽较低。由于ARM磁传感器具有二次函数的缺点对低磁场灵敏度不高并且不能测量磁场方向因此必须对传感器进行线性化。线性化后的AMR磁阻传感器能够感应磁场大小和方向且在低磁场中具有很高的灵敏度。WilliamThompson和LordKelvin早在年就观察到了铁磁物质磁阻效应但直到多年后(约年)薄膜技术的问世磁阻传感器才得到蓬勃发展。AMR磁传感器典型频率带宽为MHz具有响应速度快能够大批量生产并和电子设备相兼容的特点。它广泛应用于高密度磁带与硬盘磁头、汽车速度传感、机轴感应、罗盘导航、车辆探测、电流测量等许多方面。、高强度磁场传感器高强度磁场传感器又称为偏置磁场传感器这种类型的磁传感器大多用于测量比地磁场大的磁场。包括簧片开关、半导体锑化铟(InSb)磁强计、霍尔磁传感器和巨磁阻(GiantMagnetoResistance简称GMR)传感器。①簧片开关簧片开关是用于工业控制最简单的磁场传感器。它包括一对韧性很好的铁磁触点触点密封在充满惰性气体的容器中通常是玻璃。沿触点长轴方向的磁场磁化触点吸引另一触点接通电路。簧片开关存在较大磁滞使开关对小扰动磁场不敏感。低成本、简单化、可靠及低损耗使簧片开关得到大量应用。簧片开关加上一个小型磁体能制成简单的邻近开关经常用在监视门或窗户开、关的安全系统中。当两者相距足够近时附着在活动部件上的磁铁内簧片开关工作。在汽车工业中常用许多簧片开关来感应汽车的部件。②洛仑兹力磁场传感器)半导体磁阻传感器最简单的洛仑兹力磁传感器是半导体磁阻传感器如InSb和InAs。沿半导体薄片长度方向加上电压薄片上有电流流过可以测量出电阻此时如加载与薄片长度方向垂直的磁场洛仑兹力使电荷发生偏转。磁场的影响增加了电荷运动路径的长度从而增加了电阻。在强磁场中电阻的增加可达数倍。为使传感器产生数百到数千欧姆电阻使用平板印刷技术产生几微米宽的长窄半导体带在电流路径上周期性产生低阻金属短路条可得到所需的长宽比例。半导体带上每个短路条等电势。由InSb构成的半导体磁阻传感器在低磁场中灵敏度极低但在高磁场中电阻变化却很大灵敏度高。电阻变化约和磁场的平方成正比。这种磁传感器仅对垂直于半导体片的磁场大小敏感对磁场的正负不敏感因此不能用于检测磁场方向。由于电荷运动受温度影响大因而电阻的温度系数高。半导体磁阻传感器常用于测量大于T的磁场和永磁体相结合可用来制作邻近探测器。由于半导体传感器温度依赖性大并且非线性强磁阻传感器一般不用于精确测量磁场。)霍尔传感器霍尔效应是半导体材料洛仑兹力所产生的结果。霍尔传感器电压方向的长度远比宽度长载流子偏移到侧面产生霍尔电压电场力和洛仑兹力大小相等、方向相反。在磁场作用下两端电阻几乎没有变化而两侧面的霍尔电压与垂直于半导体片的磁场成正比其符号随外加磁场方向的改变而改变因此可测量磁场大小和方向。霍尔磁场传感器大多使用N型硅和砷化镓(GaAs)因为它们具有较大空隙带和较高的抗温度变化的能力。另外InAs和InSb等材料由于其载流子的高迁移率可获得较大的磁场灵敏度和较高的频率响应。霍尔磁场传感器典型频率带宽可达~kHz采用硅做成的霍尔磁传感器的灵敏度为~T采用锑化铟做成的霍尔传感器分辨率为T。霍尔传感器可用于测量静态磁场和动态磁场上限频率为MHz所需功耗~瓦。霍尔磁场传感器的基本特性好运行原理及结构简单和微电子电路兼容。这种优良特性使其广泛应用于与磁场相关的各种测量控制中。结构简单使其在不同应用中易于优化及小型化并且对灵敏度影响不大。霍尔磁传感器作为一种半导体器件与微电子电路兼容使它可利用微电子工业中高质量的半导体材料促进自身的持续发展。霍尔元件和及信号处理电子电路的集成将会导致高性价比的新型磁场传感器的发展。③巨磁阻磁传感器巨磁阻效应是指某些磁性或合金材料的电阻在一定磁场作用下急剧减小而电阻变化率急剧增大增大的幅度比普通磁性合金材料的电阻高倍。巨磁阻效应只有在纳米尺度的薄膜中才能观测到因此纳米材料以及超薄膜制备技术的发展使巨磁阻传感器芯片得以实现。目前GMR磁传感器灵敏度范围为~T。GMR磁传感器的应用集中在数据读出磁头及存储器、弱磁检测和位置类传感器方面其频率带宽可高达MHz。GMR磁传感器大都采用多层膜电阻形成的惠斯通电桥电路这种结构提高了传感器的分辨率、信噪比及温度稳定性。、复合原理磁场传感器①磁致伸缩材料与光纤复合年AYariv和HVWinsor首先提出采用磁致伸缩材料Ni粘贴在光纤上构成磁传感器当Ni磁致伸缩时导致光纤的光程发生变化引起光的传播相位发生变化利用干涉仪测量光的相位变化来测量磁场。年英国肯特大学的ADKersey采用这种原理成功研制了光纤磁传感器把相位调制转变成振幅调制加以检测可用于测量直流磁场和频率小于kHz的交流磁场。②超磁致伸缩材料与压电材料复合ShuxiangDong等人采用超磁致伸缩材料TerfenolD和压电材料PZT构成的ldquo三明治rdquo磁电复合结构TerfenolD磁致伸缩产生的应变使PZT产生感应电压因此通过测量电压可以测量外部磁场。这种磁传感器灵敏度可达到T。③超磁致伸缩材料和SAW谐振器复合图是SAW谐振器和GMM复合结构的示意图。在螺栓螺母的作用下GMM、SAW谐振器和硬质刚体材料框架紧密接触。框架同时起导轨作用,限制SAW谐振器和TerfenolD只能在长度方向发生形变。调整螺栓的长度可调节施加在超磁致伸缩材料上的预应力,使其在磁场中获得较大的磁致伸缩。GMM选用工作在模式下的TerfenolD(TbDyFe),在沿长度方向磁场的作用下,在同方向产生伸缩。由于两端被紧固,TerfenolD材料的应力和应变将导致SAW谐振器的谐振频率发生变化。通过检测SAW谐振器谐振频率的变化,可测得外部磁场大小。用GMM和SAW谐振器复合构成的磁传感器是一个低通系统,截止频率约为Hz在静态磁场测量时,最高灵敏度可达HzOe。该传感器结构简单,成本低,可用于静态和动态磁场测量。

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