反馈的方法来提高动态范围和Magnetoimpedance磁传感器的线性度

文摘

我们开发了一种高灵敏度magnetoimpedance磁场传感器使用FeCoSiB非晶线和线圈缠绕。无定形的电线的直径0.1毫米和5毫米的长度。磁场的分辨率大约20 pT /√赫兹。但magnetoimpedance磁场传感器的动态范围仅为±0.7高斯,不够的对于某些应用程序,如缺陷评价钢板。系统的线性度也不好大磁场应用时,这将会导致一些噪音当系统在无屏蔽的环境中使用。我们开发了一种反馈的方法来提高动态范围和磁场传感器的线性度。的操作点磁场传感器是固定通过发送一个反馈电流线圈。使用反馈的方法,提高了动态范围从±0.7高斯±10高斯和线性也提高了100倍。使用磁传感器是涡流检测系统开发、和裂纹缺陷在钢板和3 d打印的钛合金板进行了评估。

1。介绍

房间热敏磁性传感器在各领域的开发和使用的通信、地质勘探、医疗诊断、无损评价(NDE),和安全控制(1- - - - - -10]。这些传感器通常是在无屏蔽的环境大背景干扰,如电源线干扰。测量小信号在大背景干扰,良好的传感系统的线性度很重要。否则,大背景干扰可能会引起信号的畸变,增加系统的噪声。

濒死经历的磁传感器的应用,一些可能会产生强烈的磁场和铁磁材料样品引起的饱和磁传感器。反馈方法常用于增加磁传感器的动态范围和提高磁传感器的线性度11- - - - - -13]。

使用(铁_0.06有限公司_0.94)_72.5如果_12.5B₁₅(FeCoSiB)非晶线的直径0.1毫米和5毫米的长度,我们开发了一种高灵敏度magnetoimpedance (MI)传感器14]。没有电气连接与非晶态。直流偏置电流和直接的交流电流线圈。在本文中,我们提出我们的新的高灵敏度MI结果传感器和反馈的方法来提高动态范围的线性磁传感系统。我们还构建了涡流检测(ECT)与磁传感器和系统用它来评估3 d打印的钛合金的裂纹缺陷和钢板。

2。MI磁传感器没有反馈

图1显示的原理框图MI磁场传感器用FeCoSiB非晶线和驱动电路没有反馈。FeCoSiB的传感元件是由非晶线和一个线圈缠绕。不同于正常的MI传感器,与非晶线没有电气连接。使它能够测量应用的直流磁场、直流偏置电流和交流偏置电流驱动电路中使用。电感L_D的电容C1和C2是用来隔离直流偏置电流、交流偏置电流,线圈的电压信号。磁传感器是用来测量磁场的方向非晶态。

在我们的实验中,FeCoSiB无定形的线的长度是5毫米,直径是0.1毫米。无定形的线圈缠绕线30转包装使用铜线直径为0.1毫米。线圈的直径约为0.6毫米。直流偏置电流约为50 mA,交流偏置电流的振幅是大约20 mA。交流偏置电流的频率范围从100千赫至5 MHz,和最大信号振幅达到1 MHz频率时,2 MHz。在本文中,我们使用1 MHz的频率。

图2显示了 - - - - - - 曲线的FeCoSiB无定形电线和MI磁场传感器的原则。直流偏置电流在图1产生直流磁场 ,交流偏置电流在图1产生交流磁场 , 是无定形的电压线圈缠绕电线。如果很小,在线性传感器元素的一部分吗 - - - - - - 曲线的振幅并没有改变与外部应用直流或低频磁场。它不能被用来测量直流磁场。如果直流偏置电流增加,接近饱和的角落吗 - - - - - - 曲线的振幅与外部直流或低频磁场改变了。

图3(一个)显示电压信号当外部磁场应用高斯是0。信号幅度约为100 mV。图3 (b)显示了外部磁场应用时电压信号1高斯。信号幅度约为80 mV。应用的信号振幅改变直流磁场。

在驱动电路如图1的前置放大器30 dB的增益是用来放大1 MHz交流电压信号。解调是用于获取振幅信号的交流电压信号,输出电压的被用来测量外部直流或低频磁场。我们测量的输出电压变化的外部磁场应用。图4显示了结果。之间的外部磁场应用-0.7高斯和+ 0.7高斯的磁场响应磁传感器几乎是线性的。

图5显示了磁场与非晶磁传感器的噪声谱线。磁场噪声频谱测量在一个三层坡莫合金屏蔽盒。光谱的峰值是50赫兹推理及其谐波。磁场的分辨率大约20 pT /√赫兹。

观察扭曲的磁场传感器的输出信号,我们应用30 Hz正弦波磁场传感器,传感器的亥姆霍兹线圈的中心,和亥姆霍兹线圈与30 Hz正弦波电流源。传感器没有反馈,如果应用领域小,线性范围的磁场传感器,信号的失真很小。图6显示了输出信号的振幅30 Hz应用磁场是0.2高斯(0.02吨)。如果应用领域大大超过了磁场传感器的线性范围,大信号的失真。图7显示了输出信号的振幅30 Hz应用磁场是2高斯(0.2吨)。

图8显示的输出信号的频谱30 Hz应用磁场的振幅2高斯。由于信号畸变,谐波的振幅相当大。

总谐波失真(THD)通常是用来评估的非线性磁传感系统(15- - - - - -17]。当一个正弦磁场应用于磁传感器,输出的近似信号可以被定义 在哪里是基本的信号振幅频率 ; , ,…的振幅与频率的谐波 , ,…,可以由频谱分析仪测量。

图9显示了实验装置测量GMI的拉力传感器。线圈与正弦波发生器是用来生产应用的磁场。的谐波失真信号发生器产生的下面 。用频谱分析仪测量的THD MI磁场传感器的输出信号。准确的测量小的谐波信号,必须减少基频信号的影响。电机是用于抑制MI的基频信号传感器输出。通过这种方法,输入信号的谐波的影响也可以减少。

在测量,电阻R1的首次调整使MI磁场传感器的输出等于电压正弦波发生器;然后,电阻微调R2调整取消基本传感器输出的信号。我们估计,我们测量的相对误差约为10%。

图10显示的传感器没有反馈的THD 30 Hz应用磁场。它与应用磁场的振幅增加。

3所示。MI磁传感器和反馈

磁反馈方法是一个很好的方式来增加磁传感器的线性度18]。图11显示了框图MI磁场传感器的反馈。解调后和一个放大器,使用了一个积分器。一个反馈电流产生的积分器的输出和反馈电阻器被送到了线圈缠绕在非晶态。磁场产生的反馈电流自动补偿应用磁场。因此,MI磁场传感器的操作点是固定的。通过这种方式,动态范围和系统的线性可以显著改善。开关西南时,放大器的驱动电路操作的模式。输出电压放大器对磁场。开关西南时,驱动电路的反馈模式。一个反馈电流 生产,反馈电流产生的磁场等于应用磁场。因此,输出电压应用磁场成正比。

图12显示了MI磁场传感器的输出电压与反馈改变外部磁场应用。我们可以看到的线性很好应用外部磁场之间-10高斯,+ 10高斯。相比之下,图4、动态范围和线性都大大提高。

反馈,MI磁场传感器的磁场解析相似与没有反馈。检查磁场解析,一个小30 Hz磁场的振幅约2元是应用。图13显示了MI磁传感器的输出信号。把50 Hz推理,观察带宽约为40 Hz。

图14显示了MI磁场传感器的输出信号与反馈30 Hz应用磁场的振幅2高斯(0.2吨);和图15显示了输出信号振幅时20高斯(2吨)。扭曲的信号非常小甚至为2吨的强磁场。方法的反馈是有效改善磁场传感器的线性度。

图16显示的输出信号的频谱MI磁场传感器的反馈30 Hz应用高斯磁场的幅值2。与输出信号的频谱如图没有反馈830 Hz谐波的振幅要小得多。

使用设置如图9官,我们还测量了MI的磁传感器的反馈30 Hz应用磁场不同的振幅。图17显示了结果。1高斯的振幅的近似信号和反馈 ,这是大约1%的THD值没有反馈。可以大大改善了使用线性反馈方法。

4所示。涡流检测使用MI磁传感器和反馈

图18显示了ECT系统的框图使用MI磁场传感器和反馈。的励磁线圈是10把直径约1毫米,也缠绕在FeCoSiB无定形电线。的正弦波输出锁定放大器被送到励磁的励磁线圈产生的磁场。激励频率是20 kHz和当前振幅是20 mA。磁场的振幅在励磁线圈的中心是关于2高斯。MI磁场传感器是用来测量涡流产生的磁场在示例。样品放在一个 - - - - - - 扫描的阶段。图19显示了设置的照片。

图20.显示了Ti-6L-4V钛合金示例所使用的3 d激光打印。样本的大小 。有两个表面缺陷从边缘的样本。缺陷的长度约为13毫米的深度约1.5毫米,和缺陷的宽度从0.2毫米至10μb m。缺陷的长度大约是15毫米的深度约5毫米,和缺陷的宽度b从0.3毫米至10μm。

图21显示了使用非晶态金属磁传感器等结果。扫描区域 和扫描步骤是0.2毫米。锁定放大器的输出信号振幅被用来绘制2 d图。缺陷显示清楚。

我们也评估了钢板使用ECT系统的缺陷。钢板的厚度是3毫米。钢板,有一个小洞缺陷的大小约1.5毫米,约2毫米的深度。钢板产生的强磁场5高斯。MI磁传感器反馈可以扫描期间运作良好。励磁线圈的直径约3毫米。

激励频率的确定是一个重要的因素等,因为渗透涡流集肤效应是有限的。被定义为皮肤深度 ,在哪里是皮肤深度,磁导率,是导电性,是频率。钢板的导电性是关于 S / m,相对渗透率约为100,穿透深度约2.7毫米在170赫兹的频率。

探测深度缺陷的钢板,较低的激发频率170赫兹。励磁电流的振幅是大约20 mA。图22显示了缺陷信号的扫描,和图23显示了二维扫描的结果。

5。结论

一个反馈方法MI磁场传感器的开发。使用反馈的方法,提高了MI传感器的动态范围±0.7高斯±10高斯和的线性磁传感系统也得到了改善。输出信号与反馈的THD官约1%的没有反馈。

如果使用MI传感器在工业环境中,50赫兹线干扰的振幅可达1μt . MI的传感器没有反馈,信号失真引起的非线性是大约10元,这是大到足以影响检测的准确性。MI与反馈传感器,信号失真是大约100 pT,靠近磁场噪声的GMI传感器和检测的准确性的影响较小。因此,对于应用在工业环境中,MI传感器与反馈是必要的。

我们构建了ECT系统使用MI磁场传感器和反馈。因为它的大动态范围,它可以用来评估缺陷钢板。我们会发现更多的工业应用磁场传感系统。

数据可用性

ASCII数据用于支持本研究的发现是由东风他许可制,所以不能免费提供。请求访问这些数据应该东风他(he.dongfeng@nims.go.jp)。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

引用

1. l . v . Panina k . Mohri k . Bushida和m .野田佳彦“巨磁阻抗和magneto-inductive影响非晶合金(邀请),“应用物理杂志,卷76,不。10日,6198 - 6203年,1994页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. l·g·c·梅洛d . Menard a . Yelon l .丁塞斯美国,和c . Dolabdjian”优化磁噪声和巨型magnetoimpedance传感器的敏感性,”应用物理杂志,卷103,不。3,第033903条,2008年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. k . Mohri f·b·汉弗莱·l·诉Panina et al .,“发展非晶线磁学27年来,“自然史地位苏,卷206,不。4、601 - 607年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. s . Dwevedi g . Sreenivasulu和g . Markandeyulu接触和非接触式magnetoimpedance非晶和纳米晶体的铁_73.5如果_13.5B₈CuV₃艾尔丝带。”磁学和磁性材料》杂志上,卷322,不。3、311 - 314年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. k . Mohri t .中山教授l . p .沈c . m . Cai和l . v . Panina“非晶线和CMOS IC-based敏感的微型磁性传感器(MI传感器和硅传感器)智能测量和控制,”磁学和磁性材料》杂志上,卷249,不。1 - 2、351 - 356年,2002页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. m . Tibu和h . Chiriac无定形wires-based magneto-inductive传感器无损控制”磁学和磁性材料》杂志上,卷320,不。20日,pp. e939-e943, 2008年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. t .中山教授、美国Nakayama k Mohri, k . Bushida”生物磁效应领域使用非常高的检测灵敏度magnetoimpedance传感器对于医疗应用程序,”自然史,相当于当时一个现状:应用程序和材料科学,卷206,不。4、639 - 643年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. m·d·f·他z Wang Kusano,岸本s . m .渡边,“评价3 d打印的钛合金与高灵敏度磁传感器使用涡流检测,”无损检测& E国际卷,102年,第95 - 90页,2019年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. t .中山教授和j·j·马”,小说magnetoencephalogram探测器的设计与示范”,IEEE磁学,55卷,不。7日,1 - 8,2019页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. k . n . Choi”金属探测传感器利用磁阻抗磁强计,”杂志上的传感器卷,2018篇文章ID 3675090、9页,2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. d·f·他·m·Daibo, m .吉泽章“移动高温超导射频鱿鱼磁力仪,”IEEE应用超导,13卷,不。2、200 - 202年,2003页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. d·f·他·m·Tachiki, h . Itozaki”高度敏感的各向异性磁阻磁强计为涡流无损评估,”科学仪器的检查,卷80,不。3,第036102条,2009年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. d . Drung“高-T_c和低- - - - - -T_c直流电子乌贼。”超导科技,16卷,不。12日,第1336 - 1320页,2003年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. d . f .他和m·西瓦庄园”与非晶磁传感器线。”传感器,14卷,不。6,10644 - 10649年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. d·g·尼科尔斯e . Dantsker r . Kleiner m .淤泥和j·克拉克,”高的线性度T_c直流超导量子干涉器件flux-locked循环操作,“应用物理杂志,卷80,不。10日,6032 - 6038年,1996页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. j·拜尔,d . Drung f·路德维希,t .史锐克YBa“线性敏感₂铜₃O7_−x直流超导量子干涉器件磁力计。”应用物理杂志,卷86,不。6,3382 - 3386年,1999页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. d . f .他y, ai Braginski, y . d .戴和s . z王”高温射频鱿鱼的非线性系统,”自然史C:超导,341 - 348卷,第4部分,2695 - 2696年,2000页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. d . f .他和m·西瓦庄园”与非晶线高灵敏度磁传感器,”2015年9日传感技术国际会议(ICST),8 - 10页,奥克兰,新西兰,2015年12月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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