磁阻效應(yīng)試驗研究開題

1、一、選題依據(jù)（研究課題的目的、意義及國內(nèi)外相關(guān)研究情況）：1、課題目的磁阻器件由于靈敏度高、抗干擾能力強等優(yōu)點在工業(yè)、交通、儀器儀表、醫(yī)療器械、探礦等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，如：數(shù)字式羅盤、交通車輛檢測，導(dǎo)航系統(tǒng)、偽鈔檢測、位置測量等。90年代以來歷年發(fā)表的有關(guān)磁阻的科研文章較多，但是結(jié)合實驗性進行研究的文章較少;統(tǒng)計數(shù)據(jù)來自中國知網(wǎng)。然而，上述原因也導(dǎo)致了磁阻效應(yīng)的研究前沿處于飛速擴展?fàn)顟B(tài)中，不斷有相關(guān)的新物理現(xiàn)象和概念被發(fā)現(xiàn)或創(chuàng)造，不斷地有新的研究內(nèi)容被納入到磁阻效應(yīng)研究的領(lǐng)域。事實上，從2005年以來，平均每年已經(jīng)有近8篇左右關(guān)于磁阻效應(yīng)研究的綜述性文章發(fā)表在重要學(xué)術(shù)刊物上。即使這樣，受限于著

2、述者的研究背景和研究興趣，仍有不少研究內(nèi)容未能及時被這些綜述文章涉及，這就使得對磁阻效應(yīng)研究的熱點進行全面追蹤十分困難。磁阻元件的發(fā)展經(jīng)歷了半導(dǎo)體磁阻（MR），各向異性磁阻（AMR），巨磁阻（GMR），龐磁阻（CMR）等階段。因此，本實驗研究AMR的特性并利用它對磁場進行測量。2、課題意義磁阻效應(yīng)是指某些金屬或半導(dǎo)體的電阻值隨外加磁場變化而變化的現(xiàn)象。同霍爾效應(yīng)一樣，磁阻效應(yīng)也是由于載流子在磁場中受到洛倫茲力而產(chǎn)生的。物質(zhì)在磁場中電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)，磁阻傳感器利用磁阻效應(yīng)制成。 磁場的測量可利用電磁感應(yīng)，霍爾效應(yīng)，磁阻效應(yīng)等各種效應(yīng)。其中磁阻效應(yīng)法發(fā)展最快，測量靈敏度最高。磁阻傳

3、感器可用于直接測量磁場或磁場變化，如弱磁場測量，地磁場測量，各種導(dǎo)航系統(tǒng)中的羅盤，計算機中的磁盤驅(qū)動器，各種磁卡機等等。也可通過磁場變化測量其它物理量，如利用磁阻效應(yīng)已制成各種位移、角度、轉(zhuǎn)速傳感器，各種接近開關(guān)，隔離開關(guān)，廣泛用于汽車，家電及各類需要自動檢測與控制的領(lǐng)域。3、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀郭鑫（2015）研究表示，地磁場是存在于地球表面以及近地空間的微弱磁場。作為一種天然的磁場，它在軍事導(dǎo)航、通訊、地質(zhì)勘探、地震預(yù)報等眾多領(lǐng)域有著重要的作用?；诖?，準(zhǔn)確高效的測量地磁場也就顯得至關(guān)重要。其以各向異性磁阻傳感器作為地磁場感知探頭，構(gòu)建了微弱磁信號提取放大集成電路并結(jié)合單片機控制和濾波軟件設(shè)計，

4、研究設(shè)計了具有低功耗、便攜、低成本等優(yōu)勢的地磁場探測系統(tǒng)，最終實現(xiàn)了一款基于各向異性磁阻效應(yīng)可有效測量地磁場的傳感探測系統(tǒng)。主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面:首先，介紹了各向異性磁阻效應(yīng)、惠斯通電橋等的工作原理，探討了采用AMR傳感單元(HMC1021Z和HMC1022)作為地磁場探測的工作原理。討論并驗證測量地磁場的可行性和相關(guān)方案。其次，進行探測系統(tǒng)部分電路設(shè)計，系統(tǒng)主要由磁場探測單元、置位/復(fù)位單元、信號處理單元、單片機控制及顯示單元和電源模塊組成。針對信號噪聲影響采取了軟件和硬件相結(jié)合方式進行濾波，可以有效的消除mV級別噪聲的干擾。在信號放大電路設(shè)計上，從芯片選擇到供電的不同做了多種方案進

5、行對比分析，最后選擇了AD623單電源供電放大電路設(shè)計方案。在電源設(shè)計上，為了測試的靈活性，做了電池供電和220V交流供電兩種方式。在輸出顯示上選擇LCD液晶顯示器，可以顯著減小功耗。在此基礎(chǔ)上，我們對傳感器進行了標(biāo)定，得到電壓隨磁場變化特性曲線，克服了因為傳感器本身的偏差造成誤差的問題，實現(xiàn)了對地磁場的探測，獲得了地磁場的典型測量結(jié)果為0.520Gauss，與實際相符。最后，在實現(xiàn)地磁場大小探測的基礎(chǔ)上，對二維磁阻式電子羅盤進行了初步探究并完成設(shè)計，繪制出磁場隨角度的變化而變化的曲線。基于探測數(shù)據(jù)，此電子羅盤可有效識別角度，可為地磁導(dǎo)航提供技術(shù)支持。王善祥（2016）研究認(rèn)為，智能電網(wǎng)的快速

6、發(fā)展使其對高性能傳感器的需求日益強烈。為此，文中針對電力系統(tǒng)應(yīng)用需求設(shè)計了基于巨磁阻效應(yīng)的寬頻大電流傳感裝置，包括放大、濾波、退磁和供電等調(diào)理電路，并考慮智能電網(wǎng)中傳感器高壓、強干擾的應(yīng)用場合，對裝置進行了電磁屏蔽設(shè)計和印刷電路板抗干擾設(shè)計。計算結(jié)果表明該裝置對工頻磁場的屏蔽效能達到41.6 d B，抗干擾測試結(jié)果表明所設(shè)計傳感器具備抵抗強電磁干擾能力，同時實驗結(jié)果表明該裝置對雷電流測量準(zhǔn)確度93.9%?；诰薮抛栊?yīng)的寬頻大電流傳感裝置有效實現(xiàn)了對直流到10 MHz帶寬的大電流的準(zhǔn)確測量，相對其他電流測量裝置具有更高的靈敏度和電流測量范圍，適應(yīng)了智能電網(wǎng)的發(fā)展需求。王蘊杰（2015）對磁阻效

7、應(yīng)作用原理和磁阻傳感器原件的應(yīng)用進行了介紹，并借鑒數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)提出了一種利用曲率及K-means均值聚類算法對磁阻效應(yīng)實驗數(shù)據(jù)進行分析處理的方法，結(jié)果顯示該方法具有高精確度、人為因素小、直觀性強的優(yōu)點。 Richard Engelkemeir（2010）介紹了巨磁阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展與目前的應(yīng)用情況，在自制的實驗平臺上，對國內(nèi)某公司生產(chǎn)的自旋閥型巨磁阻傳感器的線性區(qū)間、靜態(tài)靈敏度、分辨率、磁滯等方面進行測試。在測試結(jié)果的基礎(chǔ)上，對巨磁阻傳感器的應(yīng)用進行探討，并為以后其在渦流傳感器的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。二、研究方案（主要研究目標(biāo)、內(nèi)容、方法及步驟）：1、主要研究目標(biāo)1）磁阻傳感器的基本工作原理。 2）赫

8、姆霍茲線圈的磁場分布測量。 3）地磁場測量。4）了解AMR的原理并對其特性進行實驗研究。2、研究內(nèi)容研究內(nèi)容安排如下:首先回顧一下磁阻效應(yīng)研究的歷史,介紹磁阻效應(yīng)和霍爾效應(yīng)的有關(guān)概念,然后評述到目前為止所揭示的產(chǎn)生磁阻效應(yīng)的物理機制,其中將重點介紹大學(xué)物理磁阻效應(yīng)的實驗研究,主要為一定條件下，導(dǎo)電材料的電阻值R隨磁感應(yīng)強度B的變化規(guī)律稱為磁阻效應(yīng)。當(dāng)半導(dǎo)體處于磁場中時，導(dǎo)體或半導(dǎo)體的載流子將受洛侖茲力的作用，發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在兩端產(chǎn)生積聚電荷并產(chǎn)生霍耳電場。如果霍耳電場作用和某一速度載流子的洛侖茲力作用剛好抵消，那么小于或大于該速度的載流子將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因而沿外加電場方向運動的載流子數(shù)量將減少，電阻增

9、大，表現(xiàn)出橫向磁阻效應(yīng)。通過實驗研究這就有利于我們從更深刻的角度把握磁阻效應(yīng)的本質(zhì),從而擴大研究范圍；接下來將介紹有關(guān)磁阻效應(yīng)的應(yīng)用,介紹ZKY-CC各向異性磁阻傳感器（AMR）與磁場測量儀,并結(jié)合實驗進行研究，最后展望磁阻體的研究前景以及在其實用化進展中存在的一些問題。3、研究方法本論文采用的研究方法主要有文獻研究法、經(jīng)驗總結(jié)法。1）文獻研究法：研究者通過分析比較磁阻效應(yīng)類的文獻，學(xué)習(xí)實驗成功案例。以此保證研究過程中不偏離研究核心，能夠在充分理論知識的基礎(chǔ)上進行實踐。2）經(jīng)驗總結(jié)法：總結(jié)課題研究的實踐經(jīng)驗，將理論與實踐相結(jié)合的學(xué)習(xí)方法，通過這一方法進行學(xué)習(xí)，可以加深對磁阻效應(yīng)等基本知識的理解

10、和認(rèn)識，從而提高學(xué)習(xí)效果。通過對前人經(jīng)驗的總結(jié)，將磁阻效應(yīng)等基本理論在實驗中作進一步檢驗。3）觀察法：觀察實驗中磁阻發(fā)生的變化以及磁阻傳感器特性、磁阻傳感器的各向異性特性等。4、研究步驟實驗采用ZKY-CC各向異性磁阻傳感器（AMR）與磁場測量儀，核心部分是磁阻傳感器，輔以磁阻傳感器的角度、位置調(diào)節(jié)及讀數(shù)機構(gòu)，赫姆霍茲線圈等組成。本儀器所用磁阻傳感器的工作范圍為6高斯，靈敏度為1mV/V/Guass。靈敏度表示，當(dāng)磁阻電橋的工作電壓為1V，被測磁場磁感應(yīng)強度為1高斯時，輸出信號為1mV。磁阻傳感器的輸出信號通常須經(jīng)放大電路放大后，再接顯示電路，故由顯示電壓計算磁場強度時還需考慮放大器的放大倍數(shù)

11、。本實驗儀電橋工作電壓5V，放大器放大倍數(shù)50，磁感應(yīng)強度為1高斯時，對應(yīng)的輸出電壓為0.25伏。赫姆霍茲線圈是由一對彼此平行的共軸圓形線圈組成。兩線圈內(nèi)的電流方向一致，大小相同，線圈之間的距離d正好等于圓形線圈的半徑R。這種線圈的特點是能在公共軸線中點附近產(chǎn)生較廣泛的均勻磁場。連接實驗儀與電源，開機預(yù)熱20分鐘。將磁阻傳感器位置調(diào)節(jié)至赫姆霍茲線圈中心，傳感器磁敏感方向與赫姆霍茲線圈軸線一致。調(diào)節(jié)赫姆霍茲線圈電流為零，按復(fù)位鍵，調(diào)節(jié)補償電流，使傳感器輸出為零。調(diào)節(jié)赫姆霍茲線圈電流至300mA，調(diào)節(jié)放大器校準(zhǔn)旋鈕，使輸出電壓為1.500伏。1磁阻傳感器特性測量a.測量磁阻傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性磁電

12、轉(zhuǎn)換特性是磁阻傳感器最基本的特性。磁電轉(zhuǎn)換特性曲線的直線部分對應(yīng)的磁感應(yīng)強度，即磁阻傳感器的工作范圍，直線部分的斜率除以電橋電壓與放大器放大倍數(shù)的乘積，即為磁阻傳感器的靈敏度。切換電流換向開關(guān)（赫姆霍茲線圈電流反向，磁場及輸出電壓也將反向），逐步調(diào)大反向電流，記錄反向輸出電壓值。注意：電流換向后，必須按復(fù)位鍵消磁。作范圍及靈敏度。b.測量磁阻傳感器的各向異性特性AMR只對磁敏感方向上的磁場敏感，當(dāng)所測磁場與磁敏感方向有一定夾角時，AMR測量的是所測磁場在磁敏感方向的投影。由于補償調(diào)節(jié)是在確定的磁敏感方向進行的，實驗過程中應(yīng)注意在改變所測磁場方向時，保持AMR方向不變。將赫姆霍茲線圈電流調(diào)節(jié)至2

13、00mA，測量所測磁場方向與磁敏感方向一致時的輸出電壓。松開線圈水平旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘，每次將赫姆霍茲線圈與傳感器盒整體轉(zhuǎn)動10度后鎖緊，松開傳感器水平旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘，將傳感器盒向相反方向轉(zhuǎn)動10度（保持AMR方向不變）后鎖緊，記錄輸出電壓數(shù)據(jù)于表2中。2赫姆霍茲線圈的磁場分布測量赫姆霍茲線圈能在公共軸線中點附近產(chǎn)生較廣泛的均勻磁場，在科研及生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。3 地磁場測量地球本身具有磁性，地表及近地空間存在的磁場叫地磁場。地磁的北極，南極分別在地理南極，北極附近，彼此并不重合，可用地磁場強度，磁傾角，磁偏角三個參量表示地磁場的大小和方向。磁傾角是地磁場強度矢量與水平面的夾角，磁偏角是地磁場強度矢

14、量在水平面的投影與地球經(jīng)線（地理南北方向）的夾角。在現(xiàn)代的數(shù)字導(dǎo)航儀等系統(tǒng)中，通常用互相垂直的三維磁阻傳感器測量地磁場在各個方向的分量，根據(jù)矢量合成原理，計算出地磁場的大小和方位。實驗用單個磁阻傳感器測量地磁場的方法。將赫姆霍茲線圈電流調(diào)節(jié)至零，將補償電流調(diào)節(jié)至零，傳感器的磁敏感方向調(diào)節(jié)至與赫姆霍茲線圈軸線垂直（以便在垂直面內(nèi)調(diào)節(jié)磁敏感方向）。調(diào)節(jié)傳感器盒上平面與儀器底板平行，將水準(zhǔn)氣泡盒放置在傳感器盒正中，調(diào)節(jié)儀器水平調(diào)節(jié)螺釘使水準(zhǔn)氣泡居中，使磁阻傳感器水平。松開傳感器水平旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘，在水平面內(nèi)仔細調(diào)節(jié)傳感器方位，使輸出最大。此時，傳感器磁敏感方向與地理南北方向的夾角就是磁偏角。松開傳感器

15、繞軸旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘，在垂直面內(nèi)調(diào)節(jié)磁敏感方向，至輸出最大時轉(zhuǎn)過的角度就是磁傾角，記錄此角度。三、文獻綜述內(nèi)容（附主要參考文獻）：1徐海英.用Origin8.5軟件處理磁阻效應(yīng)實驗數(shù)據(jù)J.化學(xué)工程與裝備.2015(11)2丁鳴.銻化銦傳感器的磁阻效應(yīng)特性數(shù)據(jù)的回歸分析J.南京工程學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版).2011(01)3馬超,遲宗濤.雙極性巨磁阻傳感器性能測試與應(yīng)用前景分析J.硅谷.2012(11)4王善祥,王中旭,胡軍,歐陽勇,袁智勇,何金良.基于巨磁阻效應(yīng)的高壓寬頻大電流傳感器及其抗干擾設(shè)計J.高電壓技術(shù).2016(06)5李嬋虓,余占清,曾嶸,羅兵,陳喜鵬,何金良.沖擊電場作用下屏蔽體屏蔽效

16、能實驗研究J.高電壓技術(shù).2014(09)6姚陳果,吳昊,王琪,龍羿,馬儀,申元.基于非接觸式雷電流測量裝置的新型線路分布式雷擊故障定位方法J.高電壓技術(shù).2014(09)7何金良,嵇士杰,劉俊,胡軍,王善祥.基于巨磁阻阻效應(yīng)的電流傳感器技術(shù)及在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用前景J.電網(wǎng)技術(shù).2011(05)8王蘊杰.序列分段算法在普朗克常量測定中的應(yīng)用J.大學(xué)物理.2015(05)9王蘊杰.序列分段算法在磁阻效應(yīng)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用J.計算機應(yīng)用與軟件.2011(01)10郭鑫.基于磁阻效應(yīng)的地磁場探測研究J.電子科技大學(xué).2015(03)16911王善祥,王中旭,胡軍,歐陽勇,袁智勇,何金良.基于巨磁阻效應(yīng)

17、的高壓寬頻大電流傳感器及其抗干擾設(shè)計J.高電壓技術(shù).2016(06)12Richard Engelkemeir,Shuhab D.Khan,Kevin Burke.Surface deformation in Houston,Texas using GPSJ.Tectonophysics.2010(1)13I.I.Alexeev,Ya.I.Feldstein.Modeling of geomagnetic field during magnetic storms and comparison with observationsJ.Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics.2011(5)四、進程計劃（各研究環(huán)節(jié)的時間安排、實施進度、完成程度）：2017-3-01至2017-3-19：確定論文方向，寫出開題報告2017-3-22至2017-3-26：實習(xí)準(zhǔn)備工作，搜集相關(guān)資料2017-3-29至2017-4-04：完成論文第一章。2017-4-05至2017-4-18：完成論文第二章。通過瀏覽各網(wǎng)站和書籍了解磁阻效應(yīng)的內(nèi)容。2017-4-19至2017-5-02：完成論文第三、四章。2017-5-02至2017-5-09：完成論文五、六章。根據(jù)實際情況提出不足及改進建議；結(jié)