GMI磁場測量儀的研究

1、第31卷第4期浙江師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版V o.l31,N o.42008年12月 Journa l o f Zhe ji ang N or m a lU n i ve rsity(N at.Sc.i D ec.2008文章編號:1001 5051(200804 0416 04GM I磁場測量儀的研究*林根金(浙江師范大學(xué)數(shù)理與信息工程學(xué)院,浙江金華 321004摘 要:利用鐵基納米微晶材料的巨磁阻抗效應(yīng)設(shè)計制作了一種新型的磁場測量儀,并對其性能進(jìn)行了測試.實驗結(jié)果表明,該磁場測量儀具有良好的性能,用作弱磁場探測時優(yōu)于高斯計.關(guān)鍵詞:鐵基納米晶;巨磁阻抗效應(yīng);磁場;磁敏;電路中圖分類號:TB

2、383 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:BThe study of the GM Im agnetic fiel d m easuri ng i nstrum entL IN G enjin(C oll ege ofM a t he ma tics,Physics and Informa ti on Engineeri ng,Zh eji ang N orma l Un i versit y,J i nhua Zhejiang 321004,Ch i naAbst ract:Based on the g i a n tm agneto i m pedance effect o f Fe based nanocry

3、sta lli n e,a ne w k i n d of m agnetic field m easuri n g i n strum entw as designed and its perfor m ances w ere detected.The experi m ent sho w ed that the m easuri n g instrum ent had good capability and h i g h sensitivity than GuassM eter i n w eak m agnetic field.K ey w ords:Fe based nanocrys

4、ta lli n e;g iant m agneto i m pedance effec;t m agnetic field;m agnetic sensivity;c ircu it0 引 言鐵基納米微晶是一種新型的納米磁敏材料,有巨磁阻(G MR或巨磁阻抗效應(yīng)(GM I1,用它組成的器件具有靈敏度高、體積小、響應(yīng)快以及非接觸等特點,與傳統(tǒng)的霍爾磁敏傳感器件相比具有靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好、工作溫度范圍寬、使用壽命長等優(yōu)點,從而可以在很多領(lǐng)域內(nèi)替代原有的傳感器,使產(chǎn)品的自動化控制提高到一個新的水平.因此利用鐵基納米微晶材料的磁敏特性研制磁敏傳感器無疑具有重要的現(xiàn)實意義和廣泛的應(yīng)用前景,目前已有

5、一些相關(guān)的文獻(xiàn)進(jìn)行報道2 3.筆者利用鐵基納米晶材料的巨磁阻抗效應(yīng)制作了一款簡便的GM I磁場測量儀,它不僅靈敏度高,而且體積小,儀器全部元件可以安裝在一個10c m(長 5c m(寬 1.5c m(高的塑料盒中,輕便小巧,隨拿隨測,具有一定的實用價值.1 磁場測量儀的設(shè)計1.1 鐵基納米晶帶的制備原始非晶態(tài)Fe73.5Cu1Nb3S i13.5B9條帶是用單輥快淬法制得4,寬1.2mm,厚25 m.將長度為4c m的條帶在氮氣保護(hù)下,溫度在540退火40m in,即可制成Fe基納米晶.樣品用Y4Q型X 射線衍射儀檢測納米微晶,再用4294A阻抗儀測量其巨磁阻抗效應(yīng).1.2 磁敏傳感器電路的設(shè)

6、計磁敏傳感電路由磁敏振蕩器和R C低通濾*收文日期:2008 01 11;修訂日期:2008 05 12作者簡介:林根金(1952-,男,浙江金華人.研究方向:納米材料.波器構(gòu)成,具體的電路原理如圖1所示.圖1所示電路中工作電壓V CC 為15V ,R 1、R 2、C 1、C 2、C 3、L 及三極管構(gòu)成Colp itts 振蕩器,各元件參數(shù)分別如下:R 1=33k ,R 2=2.7k ,R 3=510 ,C 1=5100pF ,C 2=C 3=51pF ,三極管為放大系數(shù) 介于100300間的NPN 型硅管,而電感L 是自制電感線圈,其內(nèi)置鐵基納米微晶條帶,線圈是由直徑為0.1mm 的漆包線

7、繞制而成的,它的直徑、長度和匝數(shù)分別為2.67mm 、10.1mm 和100匝.如圖2所示. 圖1 磁敏傳感電路 圖2 電感線圈和鐵基納米晶條帶的放置 鐵基納米材料具有磁敏特性,因此當(dāng)它所處環(huán)境的磁通量發(fā)生變化時,就會有巨磁阻抗效應(yīng)產(chǎn)生,從而使振蕩器輸出量(直流分量、交流信號幅度、交流信號頻率隨外加磁場而變化,成為磁敏傳感器.H ex 是沿鐵基納米晶磁體條帶方向并穿過該條帶的磁場強(qiáng)度,且方向與地磁場方向垂直,以消除地磁場的影響.圖1中R 4、C 4構(gòu)成低通濾波器,R 4=100k ,C 4=510pF ,R C 低通是最簡單的一種低通濾波器,由電阻和電容元件構(gòu)成,其作用是提取直流分量,濾去交流

8、分量.工作過程:當(dāng)該振蕩器線圈中沒有加入鐵基納米晶磁體條帶時,振蕩器滿足振蕩條件,能產(chǎn)生振蕩信號且它的輸出電壓很大,R C 低通輸出直流電壓平均值達(dá)到幾伏.當(dāng)線圈中放入磁體條帶而未外加磁場時,渦流損耗大,導(dǎo)致電感線圈的Q值低,輸出電壓迅速減小,甚至導(dǎo)致振蕩器停振.當(dāng)加上外加磁場時,鐵基納米晶磁體條帶在磁場作用下開始顯示其巨磁阻抗效應(yīng),渦流損耗減小,電感的Q 值升高.隨外加磁場的逐漸增強(qiáng),磁敏振蕩器的輸出電壓隨之逐漸增大.但當(dāng)外加磁場增強(qiáng)到一定程度后,磁體條帶達(dá)到磁飽和,磁敏振蕩器輸出電壓隨磁場強(qiáng)度的增強(qiáng)變化趨緩,最后趨于不變.1.3 數(shù)值顯示電路磁敏傳感電路實現(xiàn)了磁電轉(zhuǎn)換,它將磁敏線圈感應(yīng)到的

9、磁場轉(zhuǎn)換成了電壓輸出.但是磁場測量儀要求直接顯示磁場強(qiáng)度的大小,需通過定標(biāo)把電壓輸出量轉(zhuǎn)換為磁場量(見本文2.2.然后,利用單片機(jī)的數(shù)據(jù)控制和處理功能,直接顯示磁場值.單片機(jī)顯示電路如圖3所示 .圖3 單片機(jī)顯示電路框圖磁電轉(zhuǎn)換電路輸出的模擬信號,經(jīng)過預(yù)處理電路放大處理后,再經(jīng)過A /D 轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,送入單片機(jī)進(jìn)行計算處理,驅(qū)動數(shù)碼管顯示磁場值.這里采用模擬公司生產(chǎn)的8位模417第4期 林根金:GM I 磁場測量儀的研究數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0804,單片機(jī)采用AT89C2051,顯示采用4位連體數(shù)碼管,經(jīng)過分析可以滿足測量電路的要求.2 磁場測量儀性能測試2.1 磁敏傳感器電路性能

10、測試性能測試時,采用了型號為WY 30V2A 直流穩(wěn)壓電源、C31/1 mA 型直流毫安表、規(guī)格為半徑R =10c m 的亥姆霍茲線圈、Tektron i x TDS2012型號示波器.亥姆霍茲線圈用來產(chǎn)生一個均勻的磁場,該磁場施加到內(nèi)置鐵基納米晶條帶的電感線圈上,使得磁敏傳感器的輸出發(fā)生改變,而磁敏傳感器的輸出量用示波器來測量.通過調(diào)節(jié)可調(diào)電源的輸出電壓,改變流過亥姆霍茲線圈的電流,以得到不同強(qiáng)度的磁場.亥姆霍茲線圈是由直徑為0.29mm 的漆包線繞650匝而成的,電流和磁場強(qiáng)度之間的換算公式是B =(4532u 0N I R .其中,u 0=4! 10-7H /m ,R 為亥姆霍茲線圈半徑

11、,N 為單個圓電流線圈的匝數(shù),I 為亥姆霍茲線圈中的電流,N =650,R =10c m .測試時將磁敏振蕩器中內(nèi)置鐵基納米晶條帶的電感線圈與亥姆霍茲線圈垂直放置,由于亥姆霍茲線圈的中間位置磁場強(qiáng)度最大且為勻強(qiáng)磁場,因此電感線圈要放在正中的位置.實驗時,調(diào)節(jié)電源輸出電壓,使流過亥姆霍茲線圈的電流為0180mA ,即外加磁場為01mT ,為了測量傳感器的遲滯性和重復(fù)性,測量數(shù)據(jù)時從小逐漸增大,又從大逐漸減小,并進(jìn)行重復(fù)多組測試.測量結(jié)果如圖4、圖5所示.圖4是a 、b 、c 3組重復(fù)數(shù)據(jù)分析曲線,3組數(shù)據(jù)曲線基本重疊,說明傳感器重復(fù)性很好.圖5是磁場從小逐漸增大的a 組數(shù)據(jù)分析曲線和從大逐漸減小

12、的e 組數(shù)據(jù)分析曲線.可見正、反行程曲線基本重疊,說明傳感器不存在遲滯現(xiàn)象.由圖4、圖5可知,磁場強(qiáng)度在0.10.4mT 區(qū)間曲線的線性度很好,可見靈敏度很高,利用此區(qū)間特性,可用它來測量磁場強(qiáng)度.而磁場強(qiáng)度在00.1mT 區(qū)間,傳感器輸出變化雖較弱,但利用電子電路的信號處理、放大功能可提高測量的靈敏度 .圖4 重復(fù)性數(shù)據(jù)分析 圖5 遲滯性數(shù)據(jù)分析2.2 磁敏傳感器的定標(biāo)磁電轉(zhuǎn)換電路將磁敏線圈感應(yīng)到的磁場轉(zhuǎn)換成了電壓輸出,通過定標(biāo)把電壓輸出量轉(zhuǎn)換為磁場量,限于條件,采用HT20特斯拉計作為標(biāo)準(zhǔn)的磁場測量儀器作粗略的標(biāo)定.定標(biāo)方法是:用磁敏傳感器探測某一點的穩(wěn)定磁場,改變磁場強(qiáng)度的大小,使傳感器

13、輸出電壓為3V ,這時用HT20特斯拉計(即高斯計測定該點磁場強(qiáng)度值,把測得的電壓和磁場2個數(shù)據(jù)送入單片機(jī)進(jìn)行處理,作為磁電轉(zhuǎn)換電路電壓輸出量轉(zhuǎn)換為磁場量的依據(jù).圖6是分別利用H T20特斯拉計和GM I 磁場測量儀測得同一位置磁場強(qiáng)度的數(shù)據(jù)曲線,表1是其中的部分?jǐn)?shù)據(jù).從表1和圖6可以看出,在磁場強(qiáng)度大于0.1418浙江師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版 2008年mT 時,隨磁場強(qiáng)度變化,GM I 磁場測量儀測得的數(shù)據(jù)曲線和特斯拉計測得的數(shù)據(jù)曲線變化是一致的;在磁場強(qiáng)度小于0.1mT 以后,HT20特斯拉計顯示的讀數(shù)為零,已經(jīng)無法測量,而GM I 磁場測量儀仍能明顯感應(yīng)到微弱的磁場,證實它在弱磁場的靈

14、敏度優(yōu)于高斯計.表1 特斯拉計和GM I 磁場測量儀的測量數(shù)據(jù)磁敏傳感電路輸出端的電壓值/VHT20特斯拉計的讀數(shù)/mTGM I 磁場測量儀的讀數(shù)/mT2.511.00.94331.9080.80.79851.090.50.55340.8970.40.36350.7870.20.22370.720.10.12760.7070.10.10990.690.10.08230.67700.06030.667100.04440.656100.02540.64950.015 4圖6 特斯拉計和GM I 磁場測量儀的測量數(shù)據(jù)曲線3 結(jié) 論實驗結(jié)果表明,本文所討論的GM I 磁場測量儀具有重復(fù)性好、靈敏度高、可以實時讀取數(shù)據(jù)等優(yōu)點,而且電路簡單,成本低廉,具有一定的實用價值.限于條件,在磁場強(qiáng)度小于0.1mT 后無法確定測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,但測量值仍有明顯的變化,證實它在弱磁場的靈敏度確實優(yōu)于高斯計.該G M I 磁場測量儀目前只用于測量穩(wěn)定和緩慢變化的磁場,它的頻率響應(yīng)范圍還有待進(jìn)一步研究.參考文獻(xiàn):1楊介信,楊燮龍,陳國,等.一種新型的縱向驅(qū)動巨磁致阻抗效應(yīng)J.科學(xué)