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西安交通大学在磁场传感器研究方面取得重要进展

仪表研发 2020年04月02日 13:46:23 来源:西安交通大学人气:19958
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  【仪表网 仪表研发】磁场传感器是探测磁场强度或其变化并将其转换成电信号输出的装置,基于磁场传感器可开发多种传感功能,包括电流、功率、位置、距离、速度、角度等,在工业制造、精密测量、国防与航空、医疗、地理等领域已经获得了广泛应用。其中,磁场角度传感器在航空航天、卫星姿态调整、航海导航、GPS定位、飞机导航等领域有巨大的应用需求。
 
  现有的磁场角度传感器,如AMR、磁敏二极管、霍尔传感器、磁通门磁强计等能够实现对磁场方向或强度的探测,但存在局限性,例如,AMR磁场角度传感器测量精度低,需要配套的校准算法;磁通门磁强计体积较大,成本高;磁敏二极管的灵敏度低,信号输出大约只有0.05 mV/Oe,需要匹配信号放大等模块。因此,开发高精度、低成本、信号强度大、驱动方式简单的磁场角度传感器已成为传感器领域的重要研究方向。
 
  近日,电子科学与工程学院刘明教授课题组设计了一种基于“磁扭电”效应的新型磁场传感器,该传感器采用了一种全新的力-电耦合结构,能够将磁扭矩转化成应力,并施加在压电材料上,实现了磁场作用下电信号的输出。该器件的结构通过有限元仿真软件优化后,可以有效去除干扰信号,显著提高输出信号的纯度;同时,力-电耦合结构可显著改善输出信号对探测方向的敏感性,理论上,磁敏感方向与非敏感方向的输出信号强度比值可以为“无穷大”倍。基于“磁扭电”效应,课题组开发了可用于二维平面磁场大小和方向探测的磁电罗盘,该传感器可同时测量面内交流磁场的强度和方向,强度精度为0.01 Oe(约为地磁场大小的1/50~1/60),方向的角度精度为±0.2º,解决了如何同时高精度地测量磁场的强度和方向这个难点问题,在工业设备的磁场测定、校准、监测中具有巨大的应用前景。此外,该器件是一种理想的无源器件,无需供电、无需偏置磁场、无需校正算法、无需信号放大模块,驱动简单,几乎无能耗,精度高,灵敏度高(输出可以达到几十到几百mV/Oe),结构强度高,工作频率范围广(几Hz到几百Hz),成本优势明显,有望在工业生产、国计民生、电力系统、物联网等领域获得大规模应用。
 
  该成果以“A magnetoelectric compass for in-plane AC magnetic field detection”为题发表在国际顶级期刊IEEE Transactions on Industrial Electronics(IF=7.5),并申请国家发明专利一项。电子科学与工程学院青年教师吴金根为论文第一作者,胡忠强教授、刘明教授为论文通讯作者,参与该研究的还有北京大学董蜀湘教授。该工作得到国家重点研发计划等项目的支持。文章链接:https://doi.org/10.1109/TIE.2020.2978711
 
  刘明教授的“磁电耦合功能材料团队”长期从事磁电复合材料及器件应用研究,在可调微波滤波器、柔性磁场传感器、磁阻传感器(AMR、TMR、GMR)、自旋电子器件等应用方面取得一系列进展,团队开发的磁电传感器在电网取能(能量回收)、低频磁电天线、磁场探测、电表的电流传感等领域具有重大的应用潜力。
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