GMI磁场测量仪的研究

1、第31卷第4期浙江师范大学学报(自然科学版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文章编号:1001 5051(200804 0416 04GM I磁场测量仪的研究*林根金(浙江师范大学数理与信息工程学院,浙江金华 321004摘 要:利用铁基纳米微晶材料的巨磁阻抗效应设计制作了一种新型的磁场测量仪,并对其性能进行了测试.实验结果表明,该磁场测量仪具有良好的性能,用作弱磁场探测时优于高斯计.关键词:铁基纳米晶;巨磁阻抗效应;磁场;磁敏;电路中图分类号:TB

2、383 文献标识码: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 言铁基纳米微晶是一种新型的纳米磁敏材料,有巨磁阻(G MR或巨磁阻抗效应(GM I1,用它组成的器件具有灵敏度高、体积小、响应快以及非接触等特点,与传统的霍尔磁敏传感器件相比具有灵敏度高、温度稳定性好、工作温度范围宽、使用寿命长等优点,从而可以在很多领域内替代原有的传感器,使产品的自动化控制提高到一个新的水平.因此利用铁基纳米微晶材料的磁敏特性研制磁敏传感器无疑具有重要的现实意义和广泛的应用前景,目前已有

5、一些相关的文献进行报道2 3.笔者利用铁基纳米晶材料的巨磁阻抗效应制作了一款简便的GM I磁场测量仪,它不仅灵敏度高,而且体积小,仪器全部元件可以安装在一个10c m(长 5c m(宽 1.5c m(高的塑料盒中,轻便小巧,随拿随测,具有一定的实用价值.1 磁场测量仪的设计1.1 铁基纳米晶带的制备原始非晶态Fe73.5Cu1Nb3S i13.5B9条带是用单辊快淬法制得4,宽1.2mm,厚25 m.将长度为4c m的条带在氮气保护下,温度在540退火40m in,即可制成Fe基纳米晶.样品用Y4Q型X 射线衍射仪检测纳米微晶,再用4294A阻抗仪测量其巨磁阻抗效应.1.2 磁敏传感器电路的设

6、计磁敏传感电路由磁敏振荡器和R C低通滤*收文日期:2008 01 11;修订日期:2008 05 12作者简介:林根金(1952-,男,浙江金华人.研究方向:纳米材料.波器构成,具体的电路原理如图1所示.图1所示电路中工作电压V CC 为15V ,R 1、R 2、C 1、C 2、C 3、L 及三极管构成Colp itts 振荡器,各元件参数分别如下:R 1=33k ,R 2=2.7k ,R 3=510 ,C 1=5100pF ,C 2=C 3=51pF ,三极管为放大系数 介于100300间的NPN 型硅管,而电感L 是自制电感线圈,其内置铁基纳米微晶条带,线圈是由直径为0.1mm 的漆包线

7、绕制而成的,它的直径、长度和匝数分别为2.67mm 、10.1mm 和100匝.如图2所示. 图1 磁敏传感电路 图2 电感线圈和铁基纳米晶条带的放置 铁基纳米材料具有磁敏特性,因此当它所处环境的磁通量发生变化时,就会有巨磁阻抗效应产生,从而使振荡器输出量(直流分量、交流信号幅度、交流信号频率随外加磁场而变化,成为磁敏传感器.H ex 是沿铁基纳米晶磁体条带方向并穿过该条带的磁场强度,且方向与地磁场方向垂直,以消除地磁场的影响.图1中R 4、C 4构成低通滤波器,R 4=100k ,C 4=510pF ,R C 低通是最简单的一种低通滤波器,由电阻和电容元件构成,其作用是提取直流分量,滤去交流

8、分量.工作过程:当该振荡器线圈中没有加入铁基纳米晶磁体条带时,振荡器满足振荡条件,能产生振荡信号且它的输出电压很大,R C 低通输出直流电压平均值达到几伏.当线圈中放入磁体条带而未外加磁场时,涡流损耗大,导致电感线圈的Q值低,输出电压迅速减小,甚至导致振荡器停振.当加上外加磁场时,铁基纳米晶磁体条带在磁场作用下开始显示其巨磁阻抗效应,涡流损耗减小,电感的Q 值升高.随外加磁场的逐渐增强,磁敏振荡器的输出电压随之逐渐增大.但当外加磁场增强到一定程度后,磁体条带达到磁饱和,磁敏振荡器输出电压随磁场强度的增强变化趋缓,最后趋于不变.1.3 数值显示电路磁敏传感电路实现了磁电转换,它将磁敏线圈感应到的

9、磁场转换成了电压输出.但是磁场测量仪要求直接显示磁场强度的大小,需通过定标把电压输出量转换为磁场量(见本文2.2.然后,利用单片机的数据控制和处理功能,直接显示磁场值.单片机显示电路如图3所示 .图3 单片机显示电路框图磁电转换电路输出的模拟信号,经过预处理电路放大处理后,再经过A /D 转换器将模拟量转换成数字量,送入单片机进行计算处理,驱动数码管显示磁场值.这里采用模拟公司生产的8位模417第4期 林根金:GM I 磁场测量仪的研究数转换芯片ADC0804,单片机采用AT89C2051,显示采用4位连体数码管,经过分析可以满足测量电路的要求.2 磁场测量仪性能测试2.1 磁敏传感器电路性能

10、测试性能测试时,采用了型号为WY 30V2A 直流稳压电源、C31/1 mA 型直流毫安表、规格为半径R =10c m 的亥姆霍兹线圈、Tektron i x TDS2012型号示波器.亥姆霍兹线圈用来产生一个均匀的磁场,该磁场施加到内置铁基纳米晶条带的电感线圈上,使得磁敏传感器的输出发生改变,而磁敏传感器的输出量用示波器来测量.通过调节可调电源的输出电压,改变流过亥姆霍兹线圈的电流,以得到不同强度的磁场.亥姆霍兹线圈是由直径为0.29mm 的漆包线绕650匝而成的,电流和磁场强度之间的换算公式是B =(4532u 0N I R .其中,u 0=4! 10-7H /m ,R 为亥姆霍兹线圈半径

11、,N 为单个圆电流线圈的匝数,I 为亥姆霍兹线圈中的电流,N =650,R =10c m .测试时将磁敏振荡器中内置铁基纳米晶条带的电感线圈与亥姆霍兹线圈垂直放置,由于亥姆霍兹线圈的中间位置磁场强度最大且为匀强磁场,因此电感线圈要放在正中的位置.实验时,调节电源输出电压,使流过亥姆霍兹线圈的电流为0180mA ,即外加磁场为01mT ,为了测量传感器的迟滞性和重复性,测量数据时从小逐渐增大,又从大逐渐减小,并进行重复多组测试.测量结果如图4、图5所示.图4是a 、b 、c 3组重复数据分析曲线,3组数据曲线基本重叠,说明传感器重复性很好.图5是磁场从小逐渐增大的a 组数据分析曲线和从大逐渐减小

12、的e 组数据分析曲线.可见正、反行程曲线基本重叠,说明传感器不存在迟滞现象.由图4、图5可知,磁场强度在0.10.4mT 区间曲线的线性度很好,可见灵敏度很高,利用此区间特性,可用它来测量磁场强度.而磁场强度在00.1mT 区间,传感器输出变化虽较弱,但利用电子电路的信号处理、放大功能可提高测量的灵敏度 .图4 重复性数据分析 图5 迟滞性数据分析2.2 磁敏传感器的定标磁电转换电路将磁敏线圈感应到的磁场转换成了电压输出,通过定标把电压输出量转换为磁场量,限于条件,采用HT20特斯拉计作为标准的磁场测量仪器作粗略的标定.定标方法是:用磁敏传感器探测某一点的稳定磁场,改变磁场强度的大小,使传感器

13、输出电压为3V ,这时用HT20特斯拉计(即高斯计测定该点磁场强度值,把测得的电压和磁场2个数据送入单片机进行处理,作为磁电转换电路电压输出量转换为磁场量的依据.图6是分别利用H T20特斯拉计和GM I 磁场测量仪测得同一位置磁场强度的数据曲线,表1是其中的部分数据.从表1和图6可以看出,在磁场强度大于0.1418浙江师范大学学报(自然科学版 2008年mT 时,随磁场强度变化,GM I 磁场测量仪测得的数据曲线和特斯拉计测得的数据曲线变化是一致的;在磁场强度小于0.1mT 以后,HT20特斯拉计显示的读数为零,已经无法测量,而GM I 磁场测量仪仍能明显感应到微弱的磁场,证实它在弱磁场的灵

14、敏度优于高斯计.表1 特斯拉计和GM I 磁场测量仪的测量数据磁敏传感电路输出端的电压值/VHT20特斯拉计的读数/mTGM I 磁场测量仪的读数/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图6 特斯拉计和GM I 磁场测量仪的测量数据曲线3 结 论实验结果表明,本文所讨论的GM I 磁场测量仪具有重复性好、灵敏度高、可以实时读取数据等优点,而且电路简单,成本低廉,具有一定的实用价值.限于条件,在磁场强度小于0.1mT 后无法确定测量数据的准确性,但测量值仍有明显的变化,证实它在弱磁场的灵敏度确实优于高斯计.该G M I 磁场测量仪目前只用于测量稳定和缓慢变化的磁场,它的频率响应范围还有待进一步研究.参考文献:1杨介信,杨燮龙,陈国,等.一种新型的纵向驱动巨磁致阻抗效应J.科学