基于GMI效應(yīng)的高靈敏磁探測(cè)技術(shù) *

魏雙成，鄧甲昊，楊雨迎

(1機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081;2北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100081)

0 引言

1992年日本學(xué)者毛利教授在非晶絲中發(fā)現(xiàn)了GMI效應(yīng)，以此制作的磁傳感器與霍爾效應(yīng)、磁通門等傳統(tǒng)磁傳感器相比其靈敏度、尺寸和功耗等性能得到了顯著提升，具有更優(yōu)異的綜合性能[1]。為了提高傳感器的磁場(chǎng)靈敏度、線性度和穩(wěn)定性，GMI傳感器一般采用負(fù)反饋電路對(duì)輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)，負(fù)反饋回路和負(fù)反饋線圈會(huì)使得線路的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，而且使功耗增加，不利于傳感器的小型化，同時(shí)在尺寸微小的非晶絲上制作負(fù)反饋線圈和檢測(cè)線圈構(gòu)成的雙繞組也比較困難。如果不加負(fù)反饋電路，傳感器難以滿足高靈敏度和線性度的要求。為解決這一問題，對(duì)非晶絲磁敏感元件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可有效消除高頻電流引入的磁場(chǎng)干擾，在無負(fù)反饋線圈的情況下能保證傳感器具有較高性能。

1 高靈敏近感磁場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)

1.1 非晶絲的GMI效應(yīng)原理

鈷基非晶絲磁致伸縮系數(shù)為 －10－7，具有優(yōu)良的機(jī)械性能和軟磁特性，適合于制作GMI傳感器。GMI效應(yīng)原理如圖1所示，在非晶絲通入高頻交變電流iac時(shí)，其阻抗Z發(fā)生巨烈變化，會(huì)隨著非晶絲軸向外部磁場(chǎng)Hex模值的增加成比例降低，而在較低頻率電流作用下，阻抗Z基本不發(fā)生變化。非晶絲阻抗Z的變化會(huì)使其周圍磁場(chǎng)發(fā)生變化，從而在檢測(cè)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，通過測(cè)量感應(yīng)電壓，可計(jì)算非晶絲軸向磁場(chǎng)的大小。傳感器通常采用雙繞組工作方式，一組線圈為感應(yīng)電壓的檢測(cè)線圈，另一組為負(fù)反饋線圈，傳感器輸出端一部分信號(hào)通過負(fù)反饋電路加到反饋線圈上，反饋線圈中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)被測(cè)磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，消除脈沖電流對(duì)檢測(cè)線圈感應(yīng)電壓的干擾，以提高傳感器的靈敏度、線性度和穩(wěn)定性[2]。

圖1 非晶絲GMI效應(yīng)示意圖

GMI效應(yīng)的強(qiáng)弱通常用磁阻抗比率的大小表征，磁阻抗比率定義為:

其中:Z(H)表示非晶絲在磁場(chǎng)H下的阻抗，Z(Hmax)表示非晶絲在飽和磁場(chǎng)Hmax下的阻抗，磁阻抗比率越大，表明材料的GMI效應(yīng)越明顯，非晶絲的阻抗Z可表示為:

選擇成分為(Co94Fe6)72.5Si12.5B15的非晶絲，其直徑為30 μm，長(zhǎng)度為 3 mm，通過式(1)計(jì)算并比較1MHz、3MHz、5MHz和 7MHz四種頻率下的磁阻抗比率，在1MHz時(shí)具有最大磁阻抗比率，接近330%，GMI效應(yīng)最強(qiáng)[5－6]，因此，選擇頻率接近 1MHz 的脈沖電流作為激勵(lì)源。

1.2 磁敏感元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在非晶絲磁探測(cè)器中，探測(cè)器磁敏感元件是核心部件。為了解決上述負(fù)反饋線圈造成的制造困難和電路復(fù)雜以及功耗等問題，設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)的磁敏感元件，如圖2所示，這種結(jié)構(gòu)可以消除非晶絲中脈沖電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)傳感器輸出的影響。

圖2 非晶絲磁敏感元件結(jié)構(gòu)示意圖

導(dǎo)電層材質(zhì)為非磁性的銅或鋁，用電鍍方法制作，檢測(cè)線圈直徑小于200 μm，繞制匝數(shù)為20，連接部連接非晶絲和導(dǎo)電層，形成脈沖電流回路，導(dǎo)電層和非晶絲在制作時(shí)保持同軸。非晶絲中流過脈沖電流I時(shí)，在環(huán)繞方向產(chǎn)生磁場(chǎng)H，該磁場(chǎng)會(huì)使得檢測(cè)線圈輸出感應(yīng)電壓dH/dt，成為傳感器工作時(shí)引入的一個(gè)干擾因素。如果在流過脈沖電流的狀態(tài)下施加外部磁場(chǎng)Hex，非晶絲由于GMI效應(yīng)，會(huì)在檢測(cè)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓dM/dt，該電壓值和外部磁場(chǎng)成比例關(guān)系，是待測(cè)部分，而干擾因素dH/dt會(huì)影響傳感器的實(shí)際測(cè)量結(jié)果，降低輸出線性度和靈敏度。如圖2所示，由連接部形成的回路中，非晶絲和導(dǎo)電層流過的電流大小相同，而方向相反，在 A點(diǎn)的磁場(chǎng)幅值分別為 H1=μ0I/(2πr)和H2= －μ0I/(2πr)，其中，r為A點(diǎn)到非晶絲軸心的距離，μ0為真空中的磁導(dǎo)率，因?yàn)閷?dǎo)電層和非晶絲是同軸心關(guān)系，H1與H2大小相等，方向相反，合成的結(jié)果為相互抵消，因此消除了脈沖電流對(duì)磁場(chǎng)測(cè)量的影響，傳感器僅對(duì)隨軸向外部磁場(chǎng)變化的dM/dt進(jìn)行檢測(cè)。

1.3 高靈敏度磁場(chǎng)探測(cè)器

非晶絲GMI效應(yīng)有“沿效應(yīng)”特征，即脈沖波形的上升沿和下降沿越陡，則非晶絲的GMI效應(yīng)就越顯強(qiáng)烈。這要求高頻脈沖信號(hào)的幅值和頻率穩(wěn)定，且波形上升沿寬度盡量窄。為此設(shè)計(jì)了高頻脈沖發(fā)生器，采用CMOS反相器組成多諧振蕩器，其優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于調(diào)試，產(chǎn)生的信號(hào)波形穩(wěn)定可靠，并能減小電路體積。圖3所示為高頻脈沖信號(hào)發(fā)生電路原理圖，反相器和電阻電容組成多諧振蕩器，占空比為50%，通過調(diào)節(jié)容阻匹配大小，能產(chǎn)生頻率500 kHz至2 MHz的矩形方波，圖中參數(shù)對(duì)應(yīng)的脈沖頻率為820 kHz。

圖3 高頻脈沖激勵(lì)電路原理圖

上拉電阻和電容組成的微分電路把矩形方波轉(zhuǎn)換為尖脈沖信號(hào)。示波器實(shí)測(cè)尖脈沖波形如圖4所示，圖中的尖脈沖信號(hào)寬度為1.45 μs，信號(hào)上升沿寬度小于30 ns，在尖脈沖電流信號(hào)激勵(lì)下，非晶絲具有強(qiáng)烈的GMI效應(yīng)，磁傳感器具有較高靈敏度。

圖4 高頻尖脈沖波形

非晶絲磁敏感元件經(jīng)高頻脈沖激勵(lì)后，檢測(cè)線圈在磁場(chǎng)作用下輸出與被測(cè)磁場(chǎng)成比例的感應(yīng)電壓，該電壓信號(hào)在毫伏量級(jí)，需要經(jīng)過放大濾波去除噪聲和雜波信號(hào)，再經(jīng)過電平轉(zhuǎn)化電路輸出到單片機(jī)A/D模塊，采樣后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過預(yù)定的判別算法進(jìn)行目標(biāo)特性的判定。高頻脈沖發(fā)生器、磁敏感元件、信號(hào)預(yù)處理電路和單片機(jī)MSP430F449等組成磁場(chǎng)探測(cè)器，結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示，其中信號(hào)預(yù)處理電路包括放大、濾波和電平轉(zhuǎn)換電路。探測(cè)器通過對(duì)磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)處理和控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微小鐵磁目標(biāo)的探測(cè)。

圖5 高靈敏磁場(chǎng)探測(cè)器結(jié)構(gòu)框圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行傳感器輸出特性測(cè)試和探測(cè)器對(duì)微小磁性目標(biāo)探測(cè)實(shí)驗(yàn)。在磁場(chǎng)屏蔽的條件下，用亥姆霍茲線圈產(chǎn)生平行于非晶絲軸向的直流磁場(chǎng)，調(diào)節(jié)電流大小使軸向磁場(chǎng)在 －1Oe至 +1Oe范圍內(nèi)連續(xù)變化，測(cè)量非晶絲傳感器輸出電壓，根據(jù)所測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出非晶絲磁傳感器輸出特性曲線，如圖6所示，傳感器具有良好的線性度，在線性范圍內(nèi)磁傳感器的磁場(chǎng)靈敏度可達(dá)185 mV/Oe。

圖6 磁傳感器輸出特性曲線

在實(shí)驗(yàn)室無磁場(chǎng)屏蔽環(huán)境下，用該探測(cè)器對(duì)微小鐵磁目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)實(shí)驗(yàn)。以Φ10mm×20mm的鐵棒為目標(biāo)，目標(biāo)沿距離探測(cè)器500mm平行于磁敏感方向的直線上往復(fù)移動(dòng)。在目標(biāo)經(jīng)過探測(cè)器時(shí)，探測(cè)器能夠準(zhǔn)確探測(cè)到信號(hào)，并輸出探測(cè)結(jié)果。根據(jù)探測(cè)器采集的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得到如圖7所示的磁性目標(biāo)特性曲線，探測(cè)器的磁場(chǎng)分辨率達(dá)10nT。

圖7中的每一個(gè)波形代表小鐵棒經(jīng)過探測(cè)器一次，因?yàn)樾¤F棒是在探測(cè)器旁往復(fù)運(yùn)動(dòng)，相鄰的兩次運(yùn)動(dòng)方向相反，在目標(biāo)特性曲線中的波形也有所不同，波形1顯示探測(cè)器周圍的磁場(chǎng)幅值先下降至最低點(diǎn)后又迅速上升為最大值，過零點(diǎn)對(duì)應(yīng)小鐵棒距離探測(cè)器最近的位置，因?yàn)榇艌?chǎng)為矢量，運(yùn)動(dòng)方向與探測(cè)器磁敏感方向相同，所以在距離探測(cè)器最近位置的兩側(cè)會(huì)呈現(xiàn)方向相反的兩個(gè)波形峰值。在小鐵棒遠(yuǎn)離探測(cè)器后，又返回靠近探測(cè)器時(shí)，磁場(chǎng)幅值先增大至最大值，過零后又減小至最小值，如圖中的波形2。波形變化趨勢(shì)所反映的磁場(chǎng)變化趨勢(shì)與小鐵棒運(yùn)動(dòng)方向相對(duì)應(yīng)，這正符合磁場(chǎng)矢量的變化規(guī)律。波形1和2對(duì)應(yīng)小鐵棒往復(fù)運(yùn)動(dòng)中的兩次相反方向的運(yùn)動(dòng)。

圖7 磁性目標(biāo)特性曲線

3 結(jié)論

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析，所設(shè)計(jì)的特殊結(jié)構(gòu)磁敏感元件能有效解決無反饋電路傳感器靈敏度低的問題，設(shè)計(jì)的高頻脈沖發(fā)生器工作穩(wěn)定可靠。磁探測(cè)器具有較高的靈敏度和較寬的線性量程，磁場(chǎng)靈敏度為185 mV/Oe，線性范圍為±1Oe，磁探測(cè)器的磁場(chǎng)分辨率可達(dá)10 nT，能對(duì)微小鐵磁物體進(jìn)行準(zhǔn)確探測(cè)，該探測(cè)器具有較好的抗干擾能力和工作穩(wěn)定性，不僅適用于微小鐵磁目標(biāo)的探測(cè)，還適用于較遠(yuǎn)距離時(shí)一般鐵磁目標(biāo)的探測(cè)。

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