基于改进巨磁电阻芯片的三维地磁传感器设计

介绍了一种新型三维地磁传感器的结构以及原理,利用巨磁电阻(GMR)传感器实现地磁三分量测量。由于常规GMR传感器的输出特性不满足地磁场的测量,通过外置磁通聚集器和磁偏置技术改进巨磁电阻传感器的输出特性。使用高磁导率材料制作磁通聚集器,由永磁体提供偏置磁场。并用ANSYS对改进后的传感器模型进行数值模拟,ANSYS能快速地确定出偏置场的相关参数。使用无磁转台对三维地磁传感器标定测试,结果表明该传感器能较好地描述地磁信号,具有体积小、功耗低、灵敏度高等优点。

适用于浅水区工作的三分量感应式磁场传感器研制

感应式磁场传感器广泛应用于地球物理电磁法勘探中,受物理原理制约,该类磁场传感器的噪声水平与其长度和体积成正比,长度通常为800~1400mm,质量在3~6kg。本文采用一种磁通聚集技术,突破了传统感应式磁场传感器的设计瓶颈,能大幅度降低传感器的长度,研制的用于AMT方法的超小型感应式磁场传感器单个分量长度<240 mm,长度约为传统AMT磁场传感器的30%,直径<110 mm,质量约3 kg,工作频率范围为0.1 Hz^10 kHz,噪声水平在1 Hz处为0.8 pT√Hz。将三个参数相同的磁场传感器相互垂直安装到一块底板上,构成三分量感应式磁场传感器,其体积为255 mm×255 mm×255 mm,质量约10 kg。通过安装定向器测量其倾角和方位角,并进行磁场数据校正,实现其在任何姿态下的测量数据有效;通过安装防水外罩实现其在浅水区有效工作。野外实验表明:该三分量磁场传感器既可布置在地面上,又可布置在浅水区开展AMT工作,可极大地提高野外施工效率,具有广阔的应用前景。

超小型AMT三分量感应式磁场传感器研制

在地球物理电磁法勘探中感应式磁场传感器已广泛应用,该类磁场传感器的灵敏度、噪声与其长度和体积成正比,受物理原理制约,长度通常为800 mm^1440 mm,重量在3 kg^6 kg。这里采用一种磁通聚集技术,突破了传统感应式磁场传感器的设计瓶颈,能大幅度降低传感器的长度,研制用于AMT方法的超小型感应式磁场传感器单个分量长度<230 mm,长度约为传统AMT磁场传感器的30%,直径<110 mm,重量约3 kg,工作频率范围为0.1 Hz^10000 Hz,噪声水平在1000 Hz处为5.5 fT/√Hz。将三个参数相同的磁场传感器相互垂直安装到一块底板上,构成三分量感应式磁场传感器,其体积为253 mm×253 mm×253 mm,重量约10 kg。野外实验表明:该三分量磁场传感器在地形复杂的地区开展AMT工作,极大地提高野外施工效率,具有广阔的应用前景。

基于微平面线圈构建的位移量磁调制技术研究

在微系统中,利用惯性原理测量位移信号常用的方法是基于磁通聚集技术,即采用TMR传感器将位移信号的变化转换成磁场的变化进行测量。针对该方法,以位移磁调制模型为研究对象,以微平面线圈为磁场源,从理论方面深入研究磁感应强度与微平面线圈电流、匝数和磁通聚集器间距以及调制膜位移量的关系并进行优化设计与实验验证。仿真表明,磁通调制膜与TMR的直线距离在3μm和5μm时,分别能实现4.88 Gs/μm和2.72 Gs/μm的最大灵敏度。

TMR与GMR传感器1/f噪声的研究进展

隧道结磁阻(TMR)传感器及巨磁阻(GMR)传感器的1/f噪声在低频段噪声功率密度较大,是影响其低频下分辨率和灵敏度的主要噪声形式.本文详细介绍了近年来TMR传感器及GMR传感器1/f噪声的特点、来源、理论模型、检测方法及降噪措施等方面的研究进展,并就隧道结磁阻传感器1/f噪声的物理模型进行了详细解释.通过纳米模拟软件Virtual NanoLab对不同MgO厚度的Fe/MgO/Fe型磁性隧道结(MTJ)进行了隧穿概率和TMR变化率的模拟计算,得到保守估计与乐观估计的TMR变化率,分别为98.1%与10324.55%,同时通过MTJ的噪声模型分析了MgO厚度对TMR传感器噪声的影响.制备了磁屏蔽系数大于10000的磁屏蔽筒并搭建了磁阻传感器1/f噪声的测试平台,通过测试验证了磁屏蔽系统对环境磁场具有较好的屏蔽效果,为噪声检测提供了稳定的磁场空间.最后分析了TMR与GMR中各种因素对传感器噪声的影响,提出了影响MTJ传感器1/f噪声的因素及一些降噪措施.

用于MT方法的超小型感应式磁场传感器

感应式磁场传感器广泛应用于地球物理电磁勘探仪器,受物理原理制约,该类磁传感器的噪声水平与其长度和体积约成正比,典型用于大地电磁测深方法(Magnetotellurics MT)的感应式磁场传感器长度约为1.0~1.4 m,重量在6~10kg.本文采用一种磁通聚集器技术,突破了传统感应式磁场传感器的设计瓶颈,能大幅度降低传感器的长度,本文设计的用于MT方法的超小型感应式磁场传感器长度<230 mm,直径<110 mm,重量<6 kg,长度约为传统MT磁场传感器的20%,工作频率范围为1 mHz^1 kHz,噪声水平0.1 Hz为5pT//Hz,1 Hz为0.5 pT/(Hz)^(1/2),10~100 Hz为0.1 pT/(Hz)^(1/2);野外实验表明:单轴可用于MT测量中垂直方向测量,可极大地提高施工效率;如将集成为三方向的矢量磁场传感器,总体积不超过23 cm×23 cm×23 cm,重量小于21 kg,可放置在标准17英寸的深海浮球内,实现海洋MT、CSEM方法测量,将有效降低整个海洋电磁仪器的体积和成本,具有广阔的应用前景.

面向GIC的巨磁阻电流传感器的特性研究

地磁暴引发的地磁感应电流(geomagnetically induced current,GIC)侵入高铁电气系统可能影响高铁的安全运行,为了对GIC进行监测,本文设计了一个基于巨磁阻(giant magnetoresistance,GMR)效应的电流传感装置.该电流传感器装置由一个量程100 A且配备磁通聚集器的GMR传感器构成.本文探讨了传感器与导线成极端偏转角和水平偏移两种情况下对测量精度的影响,通过理论推导和有限元方法(finite element method,FEM)仿真进行了分析.仿真结果表明:当水平偏移控制在16 mm内时,测量误差<3.66%;当角度偏转控制在70°内时,测量差<6.62%;相比无磁通聚集器的传感器,灵敏度提高了19.7倍;极端位置下,测量误差减小可达121倍.同时实验结果表明,该装置测量准确度>97.2%,能够对GIC进行准确的监测.