非晶帶GMI效應(yīng)閉環(huán)弱磁場(chǎng)傳感器

蔣　峰，鮑丙豪(1．江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇無(wú)錫14153; ．江蘇大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江1013)

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非晶帶GMI效應(yīng)閉環(huán)弱磁場(chǎng)傳感器

蔣峰1*，鮑丙豪2
(1．江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇無(wú)錫214153; 2．江蘇大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江212013)

摘要:利用脈沖電流退火處理后的Co66．3Fe3．7Si12B18非晶帶作為敏感元件，研制出一種基于非晶帶GMI效應(yīng)的閉環(huán)磁場(chǎng)傳感器。分析了傳感器的工作原理，設(shè)計(jì)了傳感器的信號(hào)處理以及負(fù)反饋電路，并對(duì)傳感器性能進(jìn)行了測(cè)試。閉環(huán)傳感器在線性量程為±260 A/m范圍內(nèi)，線性度提高為0．49%。傳感器可應(yīng)用于地球磁場(chǎng)、環(huán)境磁場(chǎng)等微弱磁場(chǎng)檢測(cè)領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞:弱磁場(chǎng)傳感器; GMI效應(yīng);閉環(huán);非晶帶

1992年，日本科學(xué)家毛利等人在零或負(fù)磁致伸縮系數(shù)的鈷基非晶絲中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)材料中通入較高頻率電流時(shí)，其兩端的阻抗隨外加直流磁場(chǎng)而發(fā)生顯著變化，即巨磁阻抗Giant Magneto-Impedance(GMI)效應(yīng)［1］。該效應(yīng)一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，便引起了各國(guó)專家的廣泛研究興趣［2－5］。關(guān)于GMI效應(yīng)的本質(zhì)目前還有待進(jìn)一步揭示，但利用GMI效應(yīng)制成的傳感器具有高靈敏度、微尺寸和快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，在磁傳感器、磁敏開關(guān)、高密度磁記錄頭、自動(dòng)控制系統(tǒng)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。國(guó)外已有一些基于GMI效應(yīng)在磁傳感器、電流傳感器以及磁編碼器等領(lǐng)域應(yīng)用的文獻(xiàn)報(bào)道［6－9］。國(guó)內(nèi)目前對(duì)GMI效應(yīng)的研究主要集中在材料研究方面，利用GMI效應(yīng)研制傳感器還處于初步階段［10－13］。

結(jié)合近年來(lái)對(duì)GMI效應(yīng)及傳感器的研究，開發(fā)一種基于非晶帶GMI效應(yīng)的閉環(huán)弱磁傳感器。在開環(huán)傳感器的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)電壓電流轉(zhuǎn)換電路組成閉環(huán)系統(tǒng)，削弱了前向環(huán)節(jié)對(duì)傳感器精度和穩(wěn)定性的影響，提高了傳感器的性能。

1　非晶帶GMI效應(yīng)

非晶帶采用單輥?zhàn)杂蓢娚渌Τ龇椒ㄖ瞥?，在制備過(guò)程中由于復(fù)雜內(nèi)應(yīng)力、氣隙和非磁性摻雜物的影響，使其在通常情況下沒有明顯的GMI效應(yīng)。因此，將非晶帶在電流密度為95 A/mm2、寬度0．8 s、頻率1 Hz的脈沖電流下退火處理50 s，去除復(fù)雜內(nèi)應(yīng)力的同時(shí)，在材料內(nèi)部感生橫向的各向異性，以提高材料的GMI效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)采用長(zhǎng)25 mm、寬1．5 mm、厚34 μm磁致伸縮系數(shù)為零的Co66．3Fe3．7Si12B18非晶帶作為敏感元件。

GMI變化率定義為

:

其中Z(0)，Z(H)分別表示外磁場(chǎng)為零和H下非晶帶的阻抗值。V(0)，V(H)分別表示外磁場(chǎng)為零和H下非晶帶兩端的電壓幅值。

在非晶帶兩端制作出電極及引線，測(cè)量時(shí)采用四端點(diǎn)法連接。通過(guò)檢測(cè)非晶帶兩端的電壓值V，從而得到阻抗值。激勵(lì)電流由YB1052高頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，并沿著非晶帶長(zhǎng)度方向。外加磁場(chǎng)由亥姆霍茲線圈提供，沿非晶帶長(zhǎng)度方向，并與地磁場(chǎng)垂直。圖1為非晶帶在激勵(lì)電流頻率為55 kHz、500 kHz、1 MHz、2 MHz、5 MHz和20 MHz，激勵(lì)電流幅值為10 mA下，GMI(Z)隨外加磁場(chǎng)的變化曲線。

圖1　阻抗變化率隨外加磁場(chǎng)的變化關(guān)系

由圖可知，隨磁場(chǎng)的增加，GMI(Z)首先增大，形成一個(gè)峰值，然后隨磁場(chǎng)進(jìn)一步增加而減小，反方向增加磁場(chǎng)時(shí)也會(huì)發(fā)生類似的變化情況，即出現(xiàn)了典型的對(duì)稱雙峰行為。類似于非晶絲，此峰值現(xiàn)象與橫向磁各向異性的存在有關(guān)。當(dāng)直流磁場(chǎng)小于橫向磁各向異性場(chǎng)時(shí)，材料的磁化由疇壁位移控制，這時(shí)若磁場(chǎng)沿著縱向(平行于非晶帶的長(zhǎng)度方向)增大時(shí)，所有的磁疇都逐漸轉(zhuǎn)向縱向，使橫向磁導(dǎo)率增大，因此阻抗Z也就隨之增大。當(dāng)外加磁場(chǎng)與橫向各向異性場(chǎng)達(dá)到平衡時(shí)，磁導(dǎo)率最大，則阻抗也達(dá)到最大值。當(dāng)H進(jìn)一步增大時(shí)，磁化過(guò)程就由磁化轉(zhuǎn)動(dòng)(磁疇轉(zhuǎn)動(dòng))來(lái)控制，此時(shí)磁疇由易磁化方向轉(zhuǎn)動(dòng)到與外磁場(chǎng)一致的方向，因此磁導(dǎo)率和阻抗Z就降低到一個(gè)很低的常量。所以，外加磁場(chǎng)在縱向由－H變到+H時(shí)，阻抗與磁場(chǎng)的關(guān)系曲線就會(huì)出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中所觀察到的兩個(gè)峰值(GMI雙峰行為)。此峰值現(xiàn)象就發(fā)生在直流磁場(chǎng)等于橫向磁各向異性場(chǎng)的附近。

在不同頻率下，GMI(Z)隨外磁場(chǎng)的變化曲線有很大的差異，說(shuō)明激勵(lì)電流頻率對(duì)GMI效應(yīng)有較大的影響。為了得到最佳GMI效應(yīng)，在傳感器設(shè)計(jì)中，選用1 MHz作為敏感元件激勵(lì)電流頻率。

2　閉環(huán)傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與特性分析

2．1閉環(huán)傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

非晶帶表面繞上一組激勵(lì)線圈，線圈的一頭接入信號(hào)發(fā)生電路，另一頭接非晶帶的一端。信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生高頻信號(hào)對(duì)非晶帶進(jìn)行激勵(lì)。當(dāng)外加磁場(chǎng)H作用于非晶帶時(shí)，通過(guò)改變非晶帶阻抗，使非晶帶兩端的電壓發(fā)生變化。電壓經(jīng)前置放大后，由檢波電路檢測(cè)其峰值大小，再經(jīng)過(guò)濾波電路實(shí)現(xiàn)平滑處理，并與基準(zhǔn)電壓實(shí)現(xiàn)差分運(yùn)算。差分電路輸出的信號(hào)經(jīng)V/I轉(zhuǎn)換電路后，使電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，再將該電流送入反饋線圈，反饋電路中加入一個(gè)取樣電阻Rf，傳感器輸出從電阻Rf中得到。由于反饋線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)Hf與被測(cè)磁場(chǎng)H方向相反，即削弱了磁芯中的磁場(chǎng)。若V/I轉(zhuǎn)換系數(shù)很大，可使磁芯工作于零磁場(chǎng)附近，這樣大大提高磁場(chǎng)的檢測(cè)范圍。同時(shí)為了避免起始的非線性區(qū)域，在非晶帶表面套上一細(xì)長(zhǎng)螺線管，產(chǎn)生一平行于非晶帶軸向的偏置磁場(chǎng)。通過(guò)調(diào)節(jié)偏置磁場(chǎng)大小，使其固定在線性區(qū)域的中間位置。這時(shí)再通過(guò)調(diào)節(jié)差分運(yùn)算電路，使被測(cè)磁場(chǎng)為零時(shí)，傳感器的輸出為零。閉環(huán)傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　閉環(huán)傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

2．2閉環(huán)傳感器特性分析

如圖2所示，反饋電流If在反饋線圈中產(chǎn)生的磁場(chǎng)近似為

其中n為非晶帶單位長(zhǎng)度上的線圈匝數(shù)，則有:

將式(2)代入式(3)，得

閉環(huán)傳感器輸出電壓

式中K為磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)，G1為開環(huán)增益，G為電壓電流轉(zhuǎn)換系數(shù)。

由以上分析可知閉環(huán)傳感器具有以下特點(diǎn):

(1)精度高，穩(wěn)定性好

由于閉環(huán)傳感器的靈敏度與前向環(huán)節(jié)無(wú)關(guān)，因此前向環(huán)節(jié)增益的波動(dòng)不影響閉環(huán)傳感器的精度和穩(wěn)定性。傳感器的精度和穩(wěn)定性主要取決于反饋回路的精度和穩(wěn)定性。

(2)線性度好，量程大

由于相對(duì)零位偏差小，所以反饋回路的非線性影響也小，量程就可增大。

(3)動(dòng)態(tài)性能好

由控制理論可知，電路中采用校正網(wǎng)絡(luò)用純電的方法調(diào)節(jié)傳感器的等效阻尼和固有頻率，使閉環(huán)傳感器的阻尼比達(dá)到一個(gè)最佳值，可獲得較寬的工作頻帶和較理想的動(dòng)態(tài)特性。

當(dāng)系統(tǒng)的閉環(huán)增益足夠高時(shí)，傳感器輸出電壓取決于反饋回路，并與被測(cè)磁場(chǎng)呈線性關(guān)系，而不受外界因素的影響。因此引入負(fù)反饋后，傳感器的非線性誤差、線性量程、溫度穩(wěn)定性等性能指標(biāo)得到改善。

3　傳感器信號(hào)處理及反饋電路設(shè)計(jì)

3．1激勵(lì)信號(hào)發(fā)生電路

激勵(lì)信號(hào)發(fā)生電路的設(shè)計(jì)采用美國(guó)美信公司開發(fā)的新一代信號(hào)發(fā)生集成芯片MAX038，它克服了早期用于信號(hào)發(fā)生的單片集成芯片精度不高，頻率上限只有300 kHz，無(wú)法產(chǎn)生更高頻率的信號(hào)，且調(diào)節(jié)方式不夠靈活的缺點(diǎn)。MAX038頻率范圍從0．1 Hz～20 MHz，最高可達(dá)40 MHz。精度高，波形失真小，正弦波失真度小于0．75%。同時(shí)，利用MAX038設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生電路外圍電路簡(jiǎn)單、體積小、性能穩(wěn)定可靠。本實(shí)驗(yàn)采用此電路產(chǎn)生頻率為1 MHz，幅值為1 V的正弦信號(hào)。

3．2信號(hào)處理電路

非晶帶兩端輸出一般為幅值僅有十幾毫伏的電壓信號(hào)，非常微弱，需要一個(gè)具有高輸入阻抗的前置放大級(jí)作為阻抗匹配。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖3所示的前置放大電路。該電路由兩級(jí)放大電路組成，前級(jí)放大組成同向比例放大形式，具有高輸入阻抗，低輸出阻抗的特點(diǎn)。由于非晶帶兩端輸出的信號(hào)中含有一負(fù)的直流信號(hào)，為了后續(xù)檢波方便，后級(jí)放大組成反向比例放大形式，將負(fù)的直流信號(hào)放大為正的直流信號(hào)。

圖3　信號(hào)處理電路

為了得到反映外加磁場(chǎng)變化的信號(hào)，采用如圖3所示的二極管峰值包絡(luò)檢波電路，對(duì)非晶帶輸出信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。它主要由檢波二極管及RC低通濾波器組成。該電路具有簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)R3和C1的大小確定如下:

二極管采用點(diǎn)接觸鍺二極管2AP系列，取其正向電阻r=320 Ω，反向電阻rb= 8×105Ω。載波(正弦激勵(lì)信號(hào))頻率f = 1 MHz，調(diào)制信號(hào)最高頻率設(shè)為fmax=10 kHz。負(fù)載電阻R3越大，檢波效率越高。但對(duì)于二極管的反向電阻rb，若不滿足

則整流效率會(huì)變差。

根據(jù)式(6)，估計(jì)出R3的最大值為rb的1/5，即160 kΩ。

另外，在檢波達(dá)到最前面峰值時(shí)，電容C1被充分充電，因此

其中r是二極管的正向電阻，ω為載波角頻率。

同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)良好的保持，時(shí)間常數(shù)R3C1必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于載波的一個(gè)周期。而且為了能夠無(wú)失真地跟隨解調(diào)信號(hào)的變化，R3C1又必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于調(diào)制信號(hào)的最高頻率ωmax的一個(gè)周期，故需滿足

即

綜合式(7)、式(9)，故C1值取62．5 pF左右比較合適。

為提取信號(hào)中有用信號(hào)，保證通帶范圍內(nèi)幅頻特性的最佳平坦，設(shè)計(jì)圖3所示壓控電壓源型四階巴特沃斯低通濾波器(BLPF)對(duì)信號(hào)平滑處理。該濾波器的輸入阻抗高、輸出阻抗低，相當(dāng)于一個(gè)電壓源，具有電路性能穩(wěn)定，增益容易調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。為提高外磁場(chǎng)的動(dòng)態(tài)測(cè)量頻率范圍，又有效地濾除載波及高頻干擾信號(hào)，將濾波器的截止頻率設(shè)為10 kHz。同時(shí)要求濾波器在高于截止頻率時(shí)，能夠快速地衰減，定義阻帶邊界頻率為24 kHz，此時(shí)衰減為30 dB。設(shè)C2=10C3=0．01 μF，C4= 2C5= 0．002 μF，經(jīng)計(jì)算，取標(biāo)稱值，得R4、R5、R6、R7分別為10 kΩ、2．4 kΩ、24 kΩ和5 kΩ。

3．3 V/I轉(zhuǎn)換電路

V/I轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)直接影響著整個(gè)閉環(huán)傳感器的性能。V/I轉(zhuǎn)換電路是將電壓轉(zhuǎn)化成電流信號(hào)，不僅要求輸出電流與輸入電壓具有線性關(guān)系，而且要求輸出電流應(yīng)保持穩(wěn)定且不隨負(fù)載的變化而變化，即轉(zhuǎn)換后的電流相當(dāng)于一個(gè)可調(diào)的恒流源。圖4所示是由運(yùn)放和阻容等元件組成的V/I轉(zhuǎn)換電路。A1是比較器，A3是電壓跟隨器，構(gòu)成負(fù)反饋回路。輸入電壓V＇out與反饋電壓Vf比較，在比較器A1的輸出端得到輸出電壓V1，V1控制運(yùn)放A2的輸出電壓V2，從而改變晶體管T1的輸出電流iL，而輸出電流iL又影響反饋電壓Vf，達(dá)到跟蹤輸入電壓V＇out的目的。輸出電流iL的大小可通過(guò)下式計(jì)算: iL= V＇out/(Rw+R7)，當(dāng)選用器件的性能參數(shù)比較穩(wěn)定，運(yùn)放A1、A2的放大倍數(shù)較大，電路的轉(zhuǎn)換精度可以達(dá)到較高的要求?？梢姡敵鲭娏髋c輸入電壓成正比，且與負(fù)載電阻RL無(wú)關(guān)。因此，通過(guò)改變Rw、R7可以改變V/I轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換系數(shù)。通過(guò)不斷改變V/I轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換系數(shù)，得到適當(dāng)?shù)拈]環(huán)傳感器的反饋深度。當(dāng)系統(tǒng)的閉環(huán)增益足夠高時(shí)，傳感器的輸出電壓僅取決于反饋回路，且與被測(cè)磁場(chǎng)之間呈線性關(guān)系，而不受外界因素的影響。

圖4　V/I轉(zhuǎn)換電路

將圖2差分電路的輸出接至圖4所示的V/I轉(zhuǎn)換電路的輸入端V＇out，再將其輸出接到圖2所示反饋線圈(線圈匝數(shù)為260匝)上。閉環(huán)傳感器的輸出信號(hào)由與反饋線圈串聯(lián)的電阻Rf(選用溫度系數(shù)低的精密金屬膜電阻)兩端取出，Rf= 47 Ω，即圖4中電阻RL等效于圖2中的反饋線圈和取樣電阻Rf。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

采用亥姆霍茲線圈作為標(biāo)定工具對(duì)傳感器進(jìn)行檢定。傳感器放置在亥姆霍茲線圈的中心位置，注意磁場(chǎng)方向應(yīng)與地磁場(chǎng)垂直。將亥姆霍茲線圈接入穩(wěn)壓電源，產(chǎn)生直流磁場(chǎng)，磁場(chǎng)大小由下列公式計(jì)算得到:

其中N、R、I分別代表亥姆霍茲線圈匝數(shù)、半徑以及通入電流大小。通過(guò)改變通入亥姆霍茲線圈電流大小，記錄下此時(shí)傳感器輸出電壓，電壓值由數(shù)字萬(wàn)用表讀出。

根據(jù)預(yù)先測(cè)得的輸出電壓與外加磁場(chǎng)之間的關(guān)系，將開環(huán)傳感器的測(cè)量范圍設(shè)定為128 A/m～208 A/m。通過(guò)調(diào)節(jié)流過(guò)亥姆霍茲線圈的電流，使其在0．08 A～0．13 A之間變化，即外加磁場(chǎng)在128 A/m～208 A/m之間變化，記錄此時(shí)傳感器的輸出值。為了同時(shí)測(cè)量傳感器的遲滯性，外加磁場(chǎng)由小逐漸增大，然后由大逐漸減小，并重復(fù)測(cè)量多次。部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。采用最佳直線擬合方法得到擬合方程為: Y=－0．329+0．022X(V)。經(jīng)計(jì)算，傳感器靈敏度K = 0．022 V/A·m－1，線性度δL= 0．844%，重復(fù)性δR=2．006%(置信度為99．73%)，遲滯δH=0．899%，總精度2．355%。該傳感器靈敏度遠(yuǎn)高于普遍使用的霍爾傳感器(一般靈敏度約0．031 25 mV/A·m－1)，且其分辨力約為5×10－2A/m(遠(yuǎn)高于霍爾傳感器的分辨力40 A/m)，非常適合對(duì)微弱磁場(chǎng)的檢測(cè)。不過(guò)由敏感元件和信號(hào)處理電路等環(huán)節(jié)組成的開環(huán)系統(tǒng)，傳感器測(cè)量范圍、線性度等不是很理想，需采用反饋控制技術(shù)組成閉環(huán)系統(tǒng)，進(jìn)一步提高傳感器的精度。

表1　開環(huán)測(cè)量數(shù)據(jù)記錄表

調(diào)節(jié)圖4所示V/I轉(zhuǎn)換電路中電阻Rw的大小，將該電路的轉(zhuǎn)換系數(shù)設(shè)定為8 mA/V。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)正、反兩個(gè)方向磁場(chǎng)的測(cè)量，通過(guò)改變偏置線圈內(nèi)電流的大小來(lái)調(diào)節(jié)非晶帶磁芯的工作點(diǎn)。此時(shí)，若外加磁場(chǎng)與偏置磁場(chǎng)方向相同，凈磁場(chǎng)增加，輸出電壓值為正;若所加磁場(chǎng)與偏置磁場(chǎng)方向相反，凈磁場(chǎng)減小，輸出電壓值為負(fù)。閉環(huán)傳感器測(cè)試結(jié)果如表2所示。利用最佳直線擬合方法得到擬合方程為: Y=－0．0023+0．0032X(V)。傳感器在線性量程為±260 A/m范圍內(nèi)，線性度為0．49%，滿量程輸出1．66 V。加了反饋電路后，傳感器測(cè)量范圍明顯增大，并且線性度也得到提高。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)閉環(huán)傳感器的穩(wěn)定性和開環(huán)相比，也得到了明顯改善。

表2　閉環(huán)測(cè)量數(shù)據(jù)記錄表

5　結(jié)束語(yǔ)

利用退火處理后的非晶帶作為敏感元件，在對(duì)傳感器工作原理分析的基礎(chǔ)上，增加負(fù)反饋電路，研制出一種基于非晶帶GMI效應(yīng)的閉環(huán)磁場(chǎng)傳感器。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)傳感器進(jìn)行了測(cè)試，利用負(fù)反饋技術(shù)提高了傳感器的測(cè)量范圍和精度。

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蔣　峰(1981－)，男，漢族，江蘇鹽城人，講師，碩士研究生，主要從事功能材料及傳感器研究，jf_415@ 126．com。

Design of an Embedded Fingerprint Collecting and Storage Device Based on STM32 and FPC1011F*

LI Duo1，YE Hua1，2*
(1．School of Automation，Southeast University，Nanjing 210096，China; 2．Key Laboratory of Measurement and Control of Complex Systems of Engineering，Ministry of Education，Southeast University，Nanjing 210096，China)

Abstract:According to practical requirements in research of fingerprint recognition algorithm or raw data collection of fingerprint database，the design of an embedded fingerprint collection and storage device is introduced．STM32F103RCT6 is chosen as the microprocessor，which controls the fingerprint sensor FPC1011F through SPI interface to collect fingerprints．Besides，an embedded file system FatFS is ported to STM32 so the collected fingerprints are saved as BMP in SD card，making it easier to browse and process fingerprints directly on computers．What’s more，a friendly GUI is implemented using the touch screen，offering practical management functions such as browse addition and removal of fingerprints．The experimental results verify the low cost，fast collection speed，high image quality，abundant storage capacity and user-friendly GUI of the prototype developed，which satisfies the application needs for fingerprints．

Key words:embedded System; fingerprint collecting and storage; STM32; FPC1011F fingerprint sensor; FatFS file system; SD card

doi:EEACC: 121010．3969/j．issn．1005－9490．2015．02．027

收稿日期:2014－05－07修改日期: 2014－06－06

中圖分類號(hào):TP212

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005－9490(2015) 02－0357－05