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西安交通大學在磁場傳感器研究方面取得重要進展

發布時間:2020-04-03來源:捷配儀器儀表網閱讀 > 2163

  磁場傳感器是探測磁場強度或其變化并將其轉換成電信號輸出的裝置,基于磁場傳感器可開發多種傳感功能,包括電流、功率、位置、距離、速度、角度等,在工業制造、精密測量、國防與航空、醫療、地理等領域已經獲得了廣泛應用。其中,磁場角度傳感器在航空航天、衛星姿態調整、航海導航、GPS定位、飛機導航等領域有巨大的應用需求。
  現有的磁場角度傳感器,如AMR、磁敏二極管、霍爾傳感器、磁通門磁強計等能夠實現對磁場方向或強度的探測,但存在局限性,例如,AMR磁場角度傳感器測量精度低,需要配套的校準算法;磁通門磁強計體積較大,成本高;磁敏二極管的靈敏度低,信號輸出大約只有0.05 mV/Oe,需要匹配信號放大等模塊。 因此,開發高精度、低成本、信號強度大、驅動方式簡單的磁場角度傳感器已成為傳感器領域的重要研究方向。
  近日,電子科學與工程學院劉明教授課題組設計了一種基于“磁扭電”效應的新型磁場傳感器,該傳感器采用了一種全新的力-電耦合結構,能夠將磁扭矩轉化成應力,并施加在壓電材料上,實現了磁場作用下電信號的輸出。該器件的結構通過有限元仿真軟件優化后,可以有效去除干擾信號,顯著提高輸出信號的純度;同時,力-電耦合結構可顯著改善輸出信號對探測方向的敏感性,理論上,磁敏感方向與非敏感方向的輸出信號強度比值可以為“無窮大”倍。基于“磁扭電”效應,課題組開發了可用于二維平面磁場大小和方向探測的磁電羅盤,該傳感器可同時測量面內交流磁場的強度和方向,強度精度為0.01 Oe(約為地磁場大小的1/50~1/60),方向的角度精度為±0.2?,解決了如何同時高精度地測量磁場的強度和方向這個難點問題,在工業設備的磁場測定、校準、監測中具有巨大的應用前景。此外,該器件是一種理想的無源器件,無需供電、無需偏置磁場、無需校正算法、無需信號放大模塊,驅動簡單,幾乎無能耗,精度高,靈敏度高(輸出可以達到幾十到幾百mV/Oe),結構強度高,工作頻率范圍廣(幾Hz到幾百Hz),成本優勢明顯,有望在工業生產、國計民生、電力系統、物聯網等領域獲得大規模應用。
  該成果以“A magnetoelectric compass for in-plane AC magnetic field detection”為題發表在國際頂級期刊IEEE Transactions on Industrial Electronics(IF=7.5),并申請國家發明專利一項。電子科學與工程學院青年教師吳金根為論文第一作者,胡忠強教授、劉明教授為論文通訊作者,參與該研究的還有北京大學董蜀湘教授。該工作得到國家重點研發計劃等項目的支持。  劉明教授的“磁電耦合功能材料團隊”長期從事磁電復合材料及器件應用研究,在可調微波濾波器、柔性磁場傳感器、磁阻傳感器(AMR、TMR、GMR)、自旋電子器件等應用方面取得一系列進展,團隊開發的磁電傳感器在電網取能(能量回收)、低頻磁電天線、磁場探測、電表的電流傳感等領域具有重大的應用潛力。
  

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