金林楓, 鄭金菊, 蔡 晶

(浙江師范大學(xué)數(shù)理與信息工程學(xué)院,浙江金華 321004)

0 引 言

隨著信息技術(shù)和計算機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展,在現(xiàn)代先進(jìn)智能測量技術(shù)及控制系統(tǒng)、電子通信設(shè)備、工業(yè)測試設(shè)備以及軍事應(yīng)用領(lǐng)域中,都需要新型的高性能磁敏傳感器.自從 1992年日本名古屋大學(xué)的Mohri等[1]首先在 Co基非晶絲中觀察到在幾個 Oe磁場下材料的阻抗變化△Z/Z高達(dá) 50%,比金屬多層膜 Fe/Cu或 Cu/Ag在低溫、高場下觀察到的巨磁阻抗效應(yīng)高 1個數(shù)量級以后,此現(xiàn)象因而被稱為巨磁阻抗效應(yīng)[2](G M I:giantmagneto-i mpedance effect).

研究者還發(fā)現(xiàn),如果適當(dāng)控制鐵基納米微晶材料的磁結(jié)構(gòu),同樣可觀察到顯著的巨磁阻抗效應(yīng),并且在熱穩(wěn)定性和性價比上優(yōu)于 Co基非晶,具有很強的競爭力.本文利用 Fe76Si7.6B9.5P5C1.9(以下簡稱為FeSiBPC)非晶合金薄帶的寬線性 G M I效應(yīng)研制了一種傳感器,它在磁傳感器及磁羅盤儀上有著十分誘人的前景[3-4].

1 Fe基合金薄帶的 G M I特性

利用單輥快淬法將熔融態(tài)合金溶液制成薄帶,截取長度約為 1.5 cm的薄帶 (寬約為 0.38 mm,厚約為 25μm),將其放在 470℃下空氣中自由退火 1 h,經(jīng)冷卻后,利用 HP4294A阻抗分析儀測量得出巨磁阻抗曲線.圖 1為巨磁阻抗 (G M I)測量示意圖,其中亥姆霍茲線圈由直徑為 0.29 mm的漆包線繞制 650匝而成,提供外加直流磁場,阻抗分析儀可以提供頻率為 40 Hz～2 MHz,電流為 10 mA的驅(qū)動信號.

阻抗比定義如下:

式 (1)中:Z(Hex),Z(Hmax)分別為在任意外加磁場和最大外加磁場下的阻抗值.

圖 1 G M I測量系統(tǒng)示意圖

圖 2 FeSiBPC合金薄帶的 G M I特性

利用指南針將亥姆霍磁線圈放置與地磁場相互垂直的位置,測試線圈則放在亥姆霍磁線圈的中央且與其產(chǎn)生的直流磁場平行,整個測試過程都在屏蔽室中進(jìn)行.測量發(fā)現(xiàn),在驅(qū)動頻率為 350 kHz時FeSiBPC薄帶有著良好的線性區(qū)間.圖 2為驅(qū)動頻率 350 kHz時的 FeSiBPC的巨磁阻抗比隨外磁場的變化曲線.由圖 2可知,FeSiBPC合金薄帶的最大巨磁阻抗比在零磁場附近時達(dá)到最大值 680%.當(dāng)磁場在 23.260～930.203 A/m范圍內(nèi)變化時,巨磁阻抗比隨外加磁場增大而減小并且呈線性變化關(guān)系,而在高于 930.203 A/m時磁阻抗比隨磁場增大而變化緩慢.

2 傳感器電路的設(shè)計

2.1 設(shè)計思想

從傳感器的靈敏度上考慮,電路的設(shè)計采用了巨磁阻抗縱向驅(qū)動方式[5].設(shè)計一個交流驅(qū)動信號直接加到內(nèi)置 Fe基非晶帶電感線圈兩端,當(dāng)外磁場發(fā)生變化時,由于 Fe基非晶帶巨磁阻抗效應(yīng),電感線圈兩端的阻抗隨著變化,其兩端的輸出交流電壓幅值也隨著改變,再經(jīng)包絡(luò)檢波電路檢波后輸出直流信號,最后經(jīng)調(diào)零放大電路使得輸出電壓能夠反映磁場強度的大小以及磁場的方向[6-7],傳感器電路的工作原理如圖 3所示.

2.2 具體電路的設(shè)計

1)激勵產(chǎn)生電路.因驅(qū)動頻率為 350 kHz時 FeSiBPC薄帶有著良好的線性區(qū)間,故設(shè)計輸出交變信號的頻率也為 350 kHz.如圖 3所示,激勵電路采用 555芯片和外圍的電阻電容組成一個多諧振蕩器,輸出頻率為 350 kHz穩(wěn)定的方波,其高電平為 5.2 V,低電平為 0.33 V.

圖 3 磁敏傳感器電路原理圖

圖 4 電感線圈與偏置線圈的制作及 Fe基非晶帶的放置方法

2)電感線圈與偏置線圈的制作.電感線圈與偏置線圈的制作如圖 4所示,采用直徑為 0.08 mm的漆包線雙股并排繞制,此時可以得到 2個電感線圈.其中線圈“2”作為電感線圈,兩端直接與 350 kHz交流激勵信號相連,另外一個線圈“3”作為偏置線圈,其兩端加直流電壓,產(chǎn)生磁場強度為 Hex=460 A/m的直流偏置磁場.線圈的內(nèi)徑為 0.57 mm,匝數(shù)都為60匝,內(nèi)置 FeSiBPC非晶帶“1”.Hex為沿著 Fe基非晶帶方向并穿過該薄帶的磁場強度.

3)檢波電路.本設(shè)計采用的二極管包絡(luò)檢波電路,選用正向?qū)妷旱?、耐高頻的肖特基二極管,與電容、電阻組成峰值檢波電路,最后輸出直流電壓.

4)調(diào)零放大電路.利用集成運放構(gòu)成差分放大電路,通過調(diào)節(jié)運放同相端的電位器 RV3,使得在外加磁場為 0、偏置磁場 Hex=460 A/m時輸出電壓為 0 V.這樣就不但可以從輸出電壓的大小判斷磁場的大小,而且可以從電壓輸出的正負(fù)來判斷磁場的方向.

3 實驗結(jié)果

傳感器的靜態(tài)特性反映的是當(dāng)信號為定值或變化緩慢時,系統(tǒng)的輸出 (Vout)與輸入 (Hex)的關(guān)系.通常用來恒量它的重要指標(biāo)包括靈敏度、線性度、重復(fù)性、遲滯性等.

實驗中,外加直流磁場由直流電源與亥姆霍茲線圈產(chǎn)生,測量時將磁敏傳感器的電感線圈放在亥姆霍茲線圈的中央,要求與亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的勻強磁場平行且與地磁場垂直 (減弱地磁場的影響).通過調(diào)節(jié)直流穩(wěn)流源,使通過亥姆霍茲線圈的電流從 0～350 mA變化 (外加磁場從 0～1 627.85 A/m變化),再改變電流的方向,使電流從 -350 mA～0變化 (外加磁場從 -1 627.855 A/m～0變化),傳感器的輸出電壓用 GDM8145數(shù)字萬用表測量.為了測得傳感器的靜態(tài)特性,實測時外加磁場由負(fù)的最大磁場到正的最大磁場,再從正的最大磁場到負(fù)的最大磁場,并進(jìn)行重復(fù)多次測量,測量結(jié)果如圖 5和圖 6所示.

圖 5 重復(fù)性數(shù)據(jù)分析

圖 6 遲滯性數(shù)據(jù)分析

圖 7 線性度和靈敏度分析

圖 5為重復(fù)性測量結(jié)果,a,b兩曲線是外加磁場從-1 627.85～1 627.85 A/m時,傳感器輸出電壓變化時的情況,可以看出 2組數(shù)據(jù)基本重疊,計算可得重復(fù)性數(shù)據(jù)的最大偏差為 0.62%.圖 6為遲滯性數(shù)據(jù)測量結(jié)果,其中a曲線是外磁場從 -1 627.85～1 627.85 A/m所測的數(shù)據(jù);而 c曲線則是外磁場從1 627.85～-1 627.85 A/m所測得的數(shù)據(jù),計算遲滯性數(shù)據(jù)的最大偏差為 0.56%,可見傳感器基本無遲滯.通過對圖 5中 a曲線的變化情況分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)外磁場在 -651.14～325.57 A/m時,傳感器的輸出線性度最好且靈敏度最高.如圖 7所示,d曲線為對上述磁場范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合的結(jié)果,計算可知線性最大偏差為0.78%,靈敏度為3.49 mV/(A·m-1).

4 結(jié) 論

實驗結(jié)果表明:用 Fe基非晶薄帶作為敏感元件設(shè)計的磁敏傳感器,具有重復(fù)性好、靈敏度高、基本不存在遲滯現(xiàn)象的優(yōu)點,尤其是線性范圍廣 (-651.14～325.57 A/m)并且在弱磁場作用下仍然可以保持良好的線性度.該傳感器動態(tài)響應(yīng)好,可以用于磁場測量、位移檢測和磁羅盤儀等方面,在測量及控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用.

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