智能磁傳感器和用于智能磁傳感器的探頭的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及弱磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種智能磁傳感器，用于該智能磁傳感器的探頭、以及基于該智能磁傳感器的車輛檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]本實(shí)用新型屬于弱磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，本實(shí)用新型涉及一種智能弱磁磁場(chǎng)探測(cè)傳感器和一種緩變和瞬變磁場(chǎng)探測(cè)方法，具體涉及一種巨磁阻抗非晶絲傳感器以及一種基于非晶絲巨磁磁阻抗效應(yīng)的可用于車輛檢測(cè)、鐵磁性工程結(jié)構(gòu)物應(yīng)力檢測(cè)，鋼絞線斷絲檢測(cè)等領(lǐng)域的磁傳感器。
[0003]現(xiàn)階段，新型傳感器逐漸向著微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，它不僅促進(jìn)了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造，而且可能導(dǎo)致建立新型工業(yè)，是21世紀(jì)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。
[0004]但是，目前已有的利用非晶絲磁阻抗技術(shù)的磁阻抗傳感器存在許多問(wèn)題，例如，使用脈沖信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，這種信號(hào)對(duì)電路存在沖擊，噪音大，可選激勵(lì)信號(hào)波形種類有限。而且，現(xiàn)有技術(shù)的非晶絲磁阻抗傳感器通過(guò)對(duì)纏繞在非晶絲上的線圈通電而對(duì)非晶絲施加偏置磁場(chǎng)，這種偏置磁場(chǎng)會(huì)對(duì)測(cè)量磁場(chǎng)產(chǎn)生影響，由于這種偏置磁場(chǎng)施加于非晶絲的軸向，會(huì)阻止環(huán)形磁疇的圓周方向磁化，在一定程度上阻礙了磁場(chǎng)測(cè)量靈敏度的提高，削弱了非晶絲的磁阻抗效應(yīng)。此外，為了對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行放大，通常會(huì)在信號(hào)處理電路中設(shè)置放大電路，這不僅增加了電路的復(fù)雜性和傳感器的成本，而且放大效果也不理想。
[0005]現(xiàn)有的在智能交通中，地球磁場(chǎng)范圍內(nèi)的磁感應(yīng)技術(shù)也得到充分的應(yīng)用，這些都應(yīng)用側(cè)重于在地磁場(chǎng)環(huán)境下的車輛檢測(cè)。當(dāng)車輛接近磁傳感車輛檢測(cè)器檢測(cè)區(qū)域時(shí)，檢測(cè)區(qū)域的磁力線受擠壓而集合，當(dāng)車輛將要通過(guò)檢測(cè)區(qū)域時(shí)，檢測(cè)區(qū)域的磁力線進(jìn)一步收縮，當(dāng)車輛通過(guò)檢測(cè)區(qū)域時(shí)，磁力線受牽拉而沿中心發(fā)散。利用這些特點(diǎn)傳感器可以捕捉車輛接近、通過(guò)或遠(yuǎn)離，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的實(shí)時(shí)檢測(cè)。
[0006]CN200810181901X中公開(kāi)了一種微磁傳感器，利用非晶絲的磁阻效應(yīng)和電磁關(guān)系原理，將磁場(chǎng)信息轉(zhuǎn)變成電訊號(hào)進(jìn)行測(cè)量，但傳感器通過(guò)次敏感器件的偏置電流和激勵(lì)電流共同起作用，而偏置電流能夠產(chǎn)生較高的溫飄從而影響檢測(cè)結(jié)果。
[0007]CN201110055819公開(kāi)了一種交通信息檢測(cè)系統(tǒng)，其中圖釘結(jié)構(gòu)傳感器是利用磁敏感材料-非晶絲的據(jù)此阻抗變化來(lái)檢測(cè)車輛通過(guò)時(shí)其擾動(dòng)地磁場(chǎng)的變化，動(dòng)態(tài)參數(shù)采用脈沖供電形式，由此產(chǎn)生的問(wèn)題為功耗較大，功率較小，且通過(guò)脈沖供電形式進(jìn)行參數(shù)采集在實(shí)施過(guò)程中并不準(zhǔn)確，由于峰值持續(xù)時(shí)間小，而設(shè)備啟動(dòng)需要有時(shí)間差，因此無(wú)法精確采集到峰值，并且檢測(cè)距離較短，由此需用傳感器的數(shù)量較多，耗費(fèi)大量成本。
[0008]因此，研制一種智能化的高精度磁傳感器，就成為了現(xiàn)在工程應(yīng)用中的焦點(diǎn)之一，而針對(duì)弱磁檢測(cè)領(lǐng)域，本實(shí)用新型提到的巨磁阻抗智能磁敏傳感器可以有效適應(yīng)弱磁場(chǎng)檢測(cè)?！緦?shí)用新型內(nèi)容】
[0009]磁傳感器就是把磁場(chǎng)、電流、應(yīng)力應(yīng)變、溫度、光等引起敏感元件磁性能的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以這種方式來(lái)檢測(cè)相應(yīng)物理量的器件。在磁場(chǎng)檢測(cè)中，由于磁場(chǎng)的面積、體積、縫隙大小等都是有限面積(尺寸)，因此我們希望磁敏元件之面積與被測(cè)磁場(chǎng)面積相比也應(yīng)該是越小越準(zhǔn)確。在磁場(chǎng)成像的技術(shù)中，元件體積越小，在相同的面積內(nèi)采集的像素就愈多。分辨率、清晰度越高。在表面磁場(chǎng)測(cè)量與多級(jí)磁體的檢測(cè)中，在磁柵尺中，必然有如此要求。從磁敏元件工作機(jī)理看，為提高靈敏度在幾何形狀處于磁場(chǎng)中的幾何尺寸都有相應(yīng)要求。
[0010]磁場(chǎng)測(cè)量在生產(chǎn)科研各領(lǐng)域是一個(gè)重要問(wèn)題。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，在國(guó)防、汽車電子、機(jī)器人技術(shù)、生物工程、自動(dòng)化控制等領(lǐng)域需要一些微型或小型的、高性能、高靈敏度且響應(yīng)速度快的磁場(chǎng)傳感器來(lái)檢測(cè)相關(guān)參數(shù)，例如磁場(chǎng)信息、轉(zhuǎn)速、位移等等。目前，常規(guī)的磁場(chǎng)傳感器有:霍爾效應(yīng)(Hal 1)磁場(chǎng)傳感器、各向異性磁電阻(AMR)磁場(chǎng)傳感器、巨磁電阻(GMR)磁場(chǎng)傳感器、磁通門(Fluxgate)傳感器等等。但是，上述磁場(chǎng)傳感器都有一定的缺陷。例如，霍爾效應(yīng)磁場(chǎng)傳感器雖然是目前應(yīng)用最為廣泛的磁場(chǎng)傳感器，但其輸出信號(hào)變化小，靈敏度低，測(cè)量磁場(chǎng)時(shí)還有一定的磁場(chǎng)方向各向異性，適用于中強(qiáng)磁場(chǎng)測(cè)量；各向異性磁電阻(AMR)磁場(chǎng)傳感器的磁阻變化率大小只有2% -4%,其磁場(chǎng)靈敏度小于1%/Oe，制造設(shè)備復(fù)雜；巨磁電阻(GMR)傳感器的磁阻變化率雖然可以達(dá)到80%以上，可獲得較高信號(hào)輸出，但其磁場(chǎng)靈敏度仍然較低；磁通門傳感器對(duì)線圈繞制的要求特別精確，信號(hào)處理要求較高。而且上述傳感器的電路太過(guò)復(fù)雜，成本較高。在較高要求的應(yīng)用領(lǐng)域中，尤其在智能交通、水陸交通流量監(jiān)測(cè)、車型與船型檢測(cè)、車輛間隔與車速檢測(cè)、車位及泊位檢測(cè)與引導(dǎo)等通過(guò)探測(cè)磁場(chǎng)擾動(dòng)的變化實(shí)現(xiàn)報(bào)警與信息監(jiān)控的場(chǎng)合、公共安全防范、隱蔽性周界的建立、航空、航天、航海領(lǐng)域等場(chǎng)合下，上述磁場(chǎng)傳感器由于磁場(chǎng)探測(cè)分辨率低、探測(cè)距離近、響應(yīng)速度慢、體積大、功耗高、溫度穩(wěn)定性差、方向性差、布線繁瑣、或維護(hù)困難而不能滿足實(shí)際應(yīng)用對(duì)微弱磁場(chǎng)快速測(cè)定的要求。
[0011]巨磁磁阻抗效應(yīng)是指材料在高頻交變電流的激勵(lì)下，交流阻抗隨外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而迅速變化的現(xiàn)象。高精度、高性能的傳感器制備要以質(zhì)量?jī)?yōu)異、性能卓越的傳感器材料為基礎(chǔ)，非晶態(tài)材料是目前發(fā)現(xiàn)的微磁敏感性能最好的材料之一，在巨磁阻抗傳感器的應(yīng)用中具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。
[0012]非晶絲磁阻抗傳感器的工作原理是:利用非晶絲的磁阻抗效應(yīng)，通過(guò)對(duì)非晶絲施以一定頻率的激勵(lì)，使非晶絲成為磁阻抗變化的載體。當(dāng)外部磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，非晶絲的磁阻抗也隨之變化，繞在非晶絲上的信號(hào)采樣線圈隨即感應(yīng)出相應(yīng)的電壓信號(hào)。由此，該電壓信號(hào)就與此時(shí)外部磁場(chǎng)的強(qiáng)弱形成了明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)測(cè)量此電壓信號(hào)，就可以測(cè)量外部磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和大小。
[0013]在上述現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，本實(shí)用新型提出了智能磁傳感器的技術(shù)方案，該技術(shù)方案可以廣泛的適用于各類高精度的磁場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)用中，例如地磁場(chǎng)擾動(dòng)等等。本實(shí)用新型提出了以下的具體技術(shù)方案:
[0014]一種智能磁傳感器，包括MCU電路、GMI檢測(cè)單元、補(bǔ)償電路、檢測(cè)電路和管理電路；所述GMI檢測(cè)單元與所述補(bǔ)償電路、檢測(cè)電路連接，所述管理電路分別與所述補(bǔ)償電路、檢測(cè)電路、MCU電路連接；其特征在于:所述GMI檢測(cè)單元用于檢測(cè)磁信號(hào)，所述補(bǔ)償電路用于對(duì)GMI檢測(cè)單元所檢測(cè)到的磁信號(hào)進(jìn)行磁補(bǔ)償，所述檢測(cè)電路用于檢測(cè)出所述GMI檢測(cè)單元所處的環(huán)境磁場(chǎng)；
[0015]所述管理電路用于GMI檢測(cè)單元所檢測(cè)出的磁信號(hào)的放大處理，并對(duì)補(bǔ)償電路和檢測(cè)電路進(jìn)行管理；所述MCU電路用于控制管理電路，實(shí)現(xiàn)管理電路對(duì)所述GMI檢測(cè)單元、補(bǔ)償電路和檢測(cè)電路的管理控制。
[0016]優(yōu)選的，所述GMI檢測(cè)單元進(jìn)一步包括:測(cè)頭單元、電源輸入模塊、保護(hù)接地模塊、信號(hào)輸出模塊；所述GMI檢測(cè)單元，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)緩變或瞬變磁場(chǎng)的信號(hào)探測(cè)；其中，所述測(cè)頭單元，用于感測(cè)當(dāng)前的緩變或瞬變磁環(huán)境、并獲取對(duì)應(yīng)的磁信號(hào)。
[0017]優(yōu)選的，所述測(cè)頭單元包括非晶絲焊盤、導(dǎo)體焊盤、導(dǎo)線、非晶絲、繞線軸和骨架，所述測(cè)頭單元采用MEMS工藝封裝。
[0018]優(yōu)選的，所述非晶絲對(duì)稱通過(guò)繞線軸中心與非晶絲焊盤焊接；所述導(dǎo)線纏繞在繞線軸上構(gòu)成激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈，并與導(dǎo)體焊盤焊接。
[0019]優(yōu)選的，所述導(dǎo)線為金屬導(dǎo)線，所述金屬優(yōu)選為銅、鋁或銀；所述骨架設(shè)置成啞鈴、矩形或者菱形的形狀，制造材料優(yōu)選為L(zhǎng)CP材料。
[0020]優(yōu)選的，所述檢測(cè)電路包括磁異常檢出電路、磁檢出線圈、檢出放大電路、溫度補(bǔ)償電路；所述磁異常檢出電路與磁檢出線圈連接，以檢測(cè)磁場(chǎng)變化；所述溫度補(bǔ)償電路與磁異常檢出電路連接，并根據(jù)磁異常檢出電路的輸出進(jìn)行溫度補(bǔ)償，并將補(bǔ)償量反饋給磁異常檢出電路；溫度補(bǔ)償電路將溫度補(bǔ)償后的輸出值輸出給檢出放大電路，所述檢出放大電路將放大后的檢出值傳輸給補(bǔ)償電路。
[0021]優(yōu)選的，所述補(bǔ)償電路包括磁補(bǔ)償線圈、磁共振驅(qū)動(dòng)電路、激勵(lì)振蕩器；所述磁補(bǔ)償線圈設(shè)置在非晶絲外側(cè)，所述非晶絲分別與磁共振驅(qū)動(dòng)電路、激勵(lì)振蕩器連接，所述激勵(lì)振蕩器與所述磁共振驅(qū)動(dòng)電路連接。
[0022]優(yōu)選的，所述磁補(bǔ)償線圈、磁檢出線圈分別串接一電容器，以隔離直流電流或交流電流。
[0023]優(yōu)選的，所述非晶絲采用Co