一种新型的磁敏传感器

仪　器　仪　表　学　报

2005年8月

一种新型的磁敏传感器

郑金菊　余水宝　孙笑琴

(浙江师范大学信息科学与工程学院　金华　321004)

摘要　利用铁基纳米微晶材料的磁敏特性和LC反馈式振荡器的特性,设计制作了一种新型的磁敏传感器,并对其性能进行了测试,实验结果表明,该传感器具有良好的性能,可用作弱磁场探测、磁敏开关等。关键词　铁基纳米晶　巨磁阻抗效应　磁敏传感器　振荡器

ANewMagneticSensor

ZhengJinju　YuShuibao　SunXiaoqin

(CollegeofInformationScienceandEngineering,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua321004,China)

Abstract　Akindofnewmagneticsensorwasstudiedbasedongiantmagneto2impedanceeffectofFe2basednanocrystalline,theexperimentturnedoutthesensorhasbeenhighsensitivityandcanbeutilizedtothemagnet2icfielddetecting,magneticswitch,etc.

Keywords　Fe2basednanocrystalline　Giantmagneto2impedanceeffect　MagneticSensor　Oscillator

再用4294A阻抗仪测量其巨磁阻抗效应。

1　引　　言

铁基纳米微晶是一种新型的纳米磁敏材料,有巨磁阻(GMR)或巨磁阻抗效应(GMI)

[1]

212　磁敏传感器电路的设计

磁敏传感电路由磁敏振荡器和RC低通滤波器构成,具体的电路原理图如图1所示。

图1所示电路中工作电压Vcc为15V,R1、R2、C1、

C2、C3、L及三极管构成Colpitts振荡器,各元件参数分

,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,与传统的霍尔和磁电阻传感器相比具有灵敏度高、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系统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是具有重要的现实意义和广泛的应用前景,目前已有一些相关的文献报道

[2～3]

别如下:R1=33k8,R2=217k8,R3=5108,C1=

5100pF,C2=C3=51pF,三极管为放大系数Β介于100

～300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011mm的漆包线绕制而成的,它的直径、长度和匝数分别为

2167mm、1011mm和100匝。如图2所示。

。而这里研究的磁敏传感器,具有电路

简单、输出信号大、灵敏度高等特点。

2　磁敏传感器的设计及工作原理

211　铁基纳米晶带的制备

原始非晶态Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9条带是用单辊快淬法制得,112mm宽,25Λm厚。将长度为4cm条带在氮气保护下,温度在540℃,退火40min即可制成Fe基纳米晶;样品用Y4Q型X射线衍仪检测纳米微晶;

[4]

图1　磁敏传感电路

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

　第8期增刊一种新型的磁敏传感器309

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,成为磁敏振荡器。Hex是沿铁基纳米晶磁体条带方向并穿过该条带的磁场强度。

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均强磁场,因此电感线圈要放在正中的位置。

312　测试结果分析

传感器的基本特性可用静态特性和动态特性来描

图2　电感线圈和铁基纳米晶条带的位置

述,限于条件,这里只讨论静态特性。

传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出输入关系,衡量静态特性的重要指标有线性度、灵敏度、迟滞性和重复性等。

实验时,调节电源输出电压,使流过亥姆霍兹线圈的电流从0mA到180mA之间变,也即外加磁场从0高斯

(Gs)到10高斯(Gs)之间变化,为了测量传感器的迟滞性图1中R4、C4构成低通滤波器,R4=100k8,C4=

510pF,R2C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,滤去交流分量。

213　工作原理

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是很大的,R2C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。

和重复性,实验时测量数据从小逐渐增大,又从大逐渐减小,并进行重复多组测试。测量结果如图3、图4所示。

图3是a、b、c三组重复数据分析曲线,三组数据曲线基本重叠,说明传感器重复性很好。图4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3、图4中,看到磁场强度从1Gs到4Gs区间,传感器输出有一个突变,利用这个特性可以把它作为开关元件来使用。而磁场强度在1Gs到3Gs区间,曲线的线性度很好,测得其灵敏度为S=1.30V󰃗Gs,可见灵敏度很高,利用此区间特性,可用它来测量磁场强度、位移等。

3　性能测试

311　测试装置

性能测试时,采用了型号为WY230V2A直流稳压电源、12规格为半径R=10cmC31󰃗mA型直流毫安表、的亥姆霍兹线圈、TektronixTDS2012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0129mm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:

42u0NIB=

5R

-7

式中:u0=4Π×10H󰃗m,R为亥姆霍兹线圈半径,N

3图3　重复性数据分析

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=10cm。

测试时将磁敏振荡器中内置铁基纳米晶条带的电

图4　迟滞性数据分析

(下转第320页)

320仪　器　仪　表　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　第26卷　

的配套模块TDS2CMA也比相应功能的硬件设备便宜。

量铁电体材料和薄膜材料的电滞回线,同时对测试结果进行编辑、保存和打印,以便随时调用查看,其性能大大优于传统示波器组成的铁电材料参数测试仪。对

PZT铁电体材料样品进行了电滞回线测量,计算了相

3　接口及界面程序编写

程序采用VisualBasic610编写,利用MSComm控件通过RS232串口实现示波器与计算机的数据通讯。

MSComm控件可对串口状态及串口通信的信息格式和

应的自发极化强度Ps、剩余极化强度Pr和矫顽场强Ec。测试结果如图1所示。

协议进行设置。MSComm控件是将RS232的初级操作予以封装,用户通过高级语言即可实现RS232与外界通信,而不需要了解其他有关的初级操作。示波器的通讯编码见厂商定义。程序流程如下:

(1)MSComm控件初始化。设置通讯端口号、握手

[2]

协议、波特率、数据格式及数据类型等。

(2)设置示波器。对应MSComm控件设置示波器图1　样品电滞回线测试结果激励信号采用正弦波,测试条件为:采样电容Co

=011ΛF,采样频率f=401Hz,样品厚度d=0105cm,

通讯波特率、波形数据量和数据类型等,参照通讯编码发送指令。

(3)读取示波器状态。读取示波器的采样频率、坐

有效电极面积A=0103cm。由电滞回线计算出样品的剩余极化强度分别为+Pr=13178ΛC󰃗cm和-Pr=

14122ΛC󰃗cm;自发极化强度+Ps=20167ΛC󰃗cm和-Ps=20167ΛC󰃗cm;矫顽场强Ec=14153kV󰃗cm和-Ec=14147kV󰃗cm。

2

2

2

2

2

标刻度值等,以便于接下来的波形显示。

(4)读取波形数据。

(5)数据处理。将读取的ASCII码或二进制数据转

换为浮点数并以数据库的形式保存。

(6)波形显示。利用以上得到的数据显示电滞回线

　　参考文献

1　曾亦可,刘梅冬,王培英,饶韫华.铁电薄膜电滞回线测量

图。

研究.功能材料,1998,29(6):600～603.

4　测试结果

基于数字示波器的铁电材料参数测试系统可以测

2　Programmermanual,TDS2002,TDS10002,and

TDS20002SeriesDigitalOscilloscope.TektronixInc.

(上接第309页)抗效应.科学通报,1998,43(10).

2　鲍丙豪.Fe基纳米晶合金闭环弱电流传感器的研究.仪

4　结　　论

实验结果分析表明,所讨论的磁敏传感器,具有重复性好、灵敏度高、不存在迟滞现象等优点,而且电路简单,成本低廉,具有实用价值。可用于测量磁场、转速、电流和位移等物理量。在自动化控制系统中有着广泛的应用。　　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

器仪表学报,2001,23(4).

3　林继鹏,王君,凌振宝,等.基于非晶态合金的感应式磁敏

传感品的研究.仪器仪表学报,2004,25(2).

4　张甫飞,纪朝廉,张洛,等.铁基纳米晶合金粉末及磁粉芯

研究.磁性材料及器件,2000(5).