基于巨磁阻效應(yīng)的多功能測量儀

基于巨磁阻效應(yīng)的多功能測量儀王小安徐圖黃鵬梁志強山東交通學(xué)院數(shù)理系山東濟南250023摘要：通過巨磁電阻傳感器直接測量出磁場的大小，來間測量物體轉(zhuǎn)速和地磁場大小。同時還能演示車輛對地磁場的擾動等試驗。關(guān)鍵詞：巨磁電阻傳感器，轉(zhuǎn)速，地磁場1.引言巨磁阻效應(yīng)是指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時較無外磁場作用時存在巨大變化的現(xiàn)象。1988年阿爾伯特.費爾和彼得.格魯伯格發(fā)現(xiàn)由鐵磁金屬與非磁金屬組合，且相鄰鐵磁膜磁矩反耦合所構(gòu)成的多層膜，在加磁場和不加磁場時的電阻變化率，室溫下可達10％—20％，低溫4.2K下則達到110％，遠大于一般各向異性磁電阻的電阻變化率。巨磁電阻傳感器主要應(yīng)用于探測磁場、電流、位移、角速度等領(lǐng)域。巨磁電阻傳感器具有體積小、靈敏度高、線性范圍寬、溫度穩(wěn)定性好、成本低等優(yōu)點，已開始應(yīng)用于家用電器、汽車和自動控制、衛(wèi)星定位、導(dǎo)航系統(tǒng)、精密測量技術(shù)以及物理實驗中，具有廣泛發(fā)展和應(yīng)用前景。本文利用巨磁電阻傳感器設(shè)計一個磁場測量儀，從而可精確地測量轉(zhuǎn)速和地磁場大小。同時還能演示車輛對地磁場的擾動。2巨磁阻效應(yīng)測量儀器2.1巨磁電阻效應(yīng)原理巨磁電阻效應(yīng)是一種量子力學(xué)效應(yīng)，是在層狀的磁性薄膜結(jié)構(gòu)中觀察得到的。這種結(jié)構(gòu)由鐵磁材料和非磁材料薄層交替疊合而成。當鐵磁層的磁矩相互平行時，載流子與自旋有關(guān)的散射最小，材料有最小的電阻。當鐵磁層的磁矩為反平行時，與自旋有關(guān)的散射最強，材料的電阻最大。白色區(qū)域?qū)訛殍F磁材料，黑色區(qū)域?qū)訛榉谴挪牧?，如圖1所示。2.2儀器結(jié)構(gòu)AA002型巨磁電阻傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。巨磁電阻傳感器由4個相同的巨磁電阻組成。在零磁場情形下，4個電阻的阻值均為R，輸出電壓OUT+=OUT-，此時輸出電壓差值為零。在有外加磁場B時，電阻R1、R3由高導(dǎo)磁率的材料（坡莫合金層）覆蓋屏蔽，其阻值對外界磁場無響應(yīng)。電阻R2和R4將變?yōu)?，其中為外磁場磁感?yīng)強度為B時，單個巨磁電阻的阻值改變量，此時OUT+≠OUT-。圖1多層膜結(jié)構(gòu)圖2AA002-02巨磁電阻傳感器將AA002-02、儀表放大器、AD轉(zhuǎn)換器(MAX191)以及單片機(AT89S52)等元件集成在一塊PCB板上，實現(xiàn)傳感器輸出信號的自動處理，圖4為儀器實物圖。圖4自動測量儀器AA002-02輸出的電壓為：AD采集的電壓為：其中，S為傳感器的靈敏度，B為經(jīng)過敏感軸中磁場的大小，U為傳感器的供電電壓，A為儀表放大器的放大倍數(shù)。根據(jù)(1)式可知，在S與U一定的條件下，輸出電壓與B成正比。由于巨磁電阻傳感器輸出的電壓在幾十毫伏到幾百毫伏之間變化，這不利于直接進行數(shù)據(jù)采集，所以需要將微小的信號進行放大，得到(2)式。為了適合不同的場所，利用儀表放大器和數(shù)字電位器來實現(xiàn)信號的放大，用數(shù)字電位器控制儀表放大器的增益(放大倍數(shù))，實現(xiàn)增益的可編程。本儀器提供三種方式顯示測量數(shù)據(jù)：A．信號經(jīng)放大和濾波后可直接連接至示波器；B．信號經(jīng)濾波后將模擬信號通過AD芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，數(shù)字信號傳送到單片機中。單片機控制串口通信，將采集的信號傳送到PC機中。PC機采用LabVIEW軟件來接收數(shù)據(jù)，實現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。若在信號放大過程中增益過高，LabVIEW還能寫數(shù)據(jù)到單片機中，調(diào)整增益到合適的范圍，實現(xiàn)可編程增益控制。C．數(shù)據(jù)在單片機中，可直接通過LCD顯示，該功能只能顯示頻率較低的信號。若頻率較高，應(yīng)使用A和B的方式顯示。3巨磁電阻傳感器在物理實驗中的應(yīng)用3.1轉(zhuǎn)速測量測量一轉(zhuǎn)動物體的角速度大小，可通過探測磁鋼因轉(zhuǎn)動而造成其磁場的方向相對于固定GMR磁場傳感器的改變。當磁鐵固定于轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤的邊沿(或者中心)而GMR磁場傳感器固定在轉(zhuǎn)盤的旁邊并保持一定的距離時，參考磁鐵隨轉(zhuǎn)盤而轉(zhuǎn)動，每當轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動一圈，就會使產(chǎn)生一電壓脈沖輸出，圖5給出角速度傳感器的原理圖。圖5角速度測量原理在電機軸線上固定一個小磁鋼，小磁鋼因轉(zhuǎn)動而造成其磁場方向相對于固定GMR傳感器的改變。巨磁電阻傳感器只能測量敏感軸方向的磁場，因電機的轉(zhuǎn)動在敏感軸方向?qū)a(chǎn)生一個與電機轉(zhuǎn)速相同頻率的信號。敏感軸磁場的大小為：其中，為敏感軸方向的磁場，為小磁鋼的磁場，為電磁鐵提供的偏置磁場，為小磁鋼磁場與敏感軸間的夾角。電機轉(zhuǎn)動時，由于和值固定，電機轉(zhuǎn)動的頻率與的頻率相同。將低通濾波器輸出信號與示波器相連接，當小磁鋼與電機一起旋轉(zhuǎn)時，輸出信號將沿曲線變化，得到如圖6所示的波形。通過示波器測量得該波形的周期為15ms，從而可以得出該電機的轉(zhuǎn)速為4000rad/min。圖7為巨磁電阻傳感器經(jīng)放大后的模擬信號通過AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，在由單片機傳送到PC機中顯示的波形圖。圖6示波器顯示輸出信號大小圖7PC顯示采AD集信號大小3.2地磁場測量AA002-02巨磁電阻傳感器磁場的測量范圍在±(1.5Oe-10.5Oe)間，而地磁場的大小約為0.5Oe，其水平方向的分量小于等于0.5Oe。如不提供偏置磁場，則無法測量地磁場,偏置磁場的方向始終指向敏感軸方向。先選擇一個參考平面，將地磁場B分解為B1和B2，其中B1為參考平面X中的分量，B2為豎直方向(重心方向)分量，如圖8所示。巨磁電阻測量地磁場分量的原理圖如圖9所示，其中9(a)圖地磁場參考平面與偏置磁場相反，磁場在巨磁圖8地磁場大小分解到XZ平面中電阻敏感軸方向的磁場最小，由4.3式可知此時的電壓最小，反之b圖電壓最大。令。將測量儀器放置在轉(zhuǎn)盤中勻速旋轉(zhuǎn)，可得到如圖10的波形圖。地磁場在參考平面的分量為：電壓最大值為：圖9巨磁電阻演示平面地磁原理圖電壓最小值為：得：若將參考平面旋轉(zhuǎn)Δθ角，則磁場在參考面的分量為：電壓最大值為：電壓最小值為：得：由(4)(5)(6)(7)式可以解得B和的大小。由于目前還未制作出專門用來旋轉(zhuǎn)測量儀器的轉(zhuǎn)盤，故使用手將儀器放置在桌面旋轉(zhuǎn)，得到如圖4.16所示波形，波形圖中的最小最大值分別對應(yīng)9中的(a)圖和(b)圖。圖11是使用12864液晶屏顯示數(shù)據(jù)波形圖。圖10演示平面磁場得到波形圖圖1112864液晶屏演示平面地磁場得到波形圖3.3測量檢測地球是個大磁體，其表面的磁場大約為0.5Oe，并始終指向北方。圖12說明了一鐵磁性物體對地磁場的擾動，這將會造成鐵磁性物體周圍的地磁場大小發(fā)生變化。利用GMR傳感器可測量此磁場的變化量。鐵磁物體的磁擾動，如一輛汽車可看作多個雙極性磁鐵組成的模型。這些雙極性磁鐵具有北-南的極化方向，引起地磁場的擾動。這些擾動在汽車發(fā)動機和車輪處尤其明顯，但也取決于在車輛內(nèi)部、車頂或者后備箱有無其它鐵磁物質(zhì)?？傊?，綜合的影響引起對地磁場磁力線的扭曲畸變，這種扭曲也被稱作車輛的硬鐵影響或者干擾。由于各種不同的車輛在外界都有其自身特征的磁場分布。通過GMR弱場傳感器可探測各種車輛的磁場分布進而確定該車輛的型號。GMR傳感器不僅可探測靜止車輛的狀況進而用在交通燈處的交通控制和停車場處停車位置監(jiān)控，而且也可探測移動車輛的情況。具體來說，放置在高速公路邊的GMR傳感器可以計算和區(qū)別通過傳感器的車輛。若在一距離內(nèi)放置兩個GMR傳感器，還可探測出通過車輛的速度和車輛的長度。圖12在均勻磁場中鐵磁物體引起的畸變我們將測量儀器放置在距離BRT道路30cm處，圖13為公交車對地磁場的擾動的曲線圖。圖13公交車對地磁場的擾動曲線圖4結(jié)論我們提出一種基于巨磁電阻傳感器測量轉(zhuǎn)速和地磁場大小，并研制成功相應(yīng)測量儀器。巨磁電阻傳感器由于其體積小、靈敏度高、抗干擾能力強、成本低等優(yōu)點，適宜在物理實驗中運用，且能提高實驗測量的精度。將巨磁電阻傳感器、儀表放大器、AD轉(zhuǎn)換器以及單片機等元件集成在一塊PCB板上，實現(xiàn)信號的放大、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸。若在轉(zhuǎn)盤上安裝快小磁鋼，固定儀器可精確測量轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速。若將儀器放置在轉(zhuǎn)盤上，可測量地磁場的大小或者水平分量。同時該儀器提供三種顯示數(shù)據(jù)的方法，方法A的精度最高，方法C的精度最低。參考文獻[1]Baibich,BrotoJ,FertA,et,al.GiantMagnetoresistanceof(001)/Fe(001)CrMagneticSuperlattice[J].PhysRevLett,1988,61(21):2472-2474.[2]周勛.磁電阻效應(yīng)的研究進展[J].物理實驗,2000,20(9):13-14.[3]鄒紅玉.巨磁電阻傳感器在物理實驗中的