正交激勵(lì)與直流偏置的鈷基非晶帶弱磁傳感器

丁 一，陳 哲，鮑丙豪

(江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

?

正交激勵(lì)與直流偏置的鈷基非晶帶弱磁傳感器

丁 一，陳 哲，鮑丙豪

(江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

通過(guò)縱橫向正交激勵(lì)與直流偏置的方式使脈沖電流退火鈷基非晶帶產(chǎn)生非對(duì)稱(chēng)巨磁阻抗(AGMI)效應(yīng),與僅使用橫向激勵(lì)方式相比，提高了單邊GMI效應(yīng)，包括：線性量程、阻抗磁靈敏度和最大阻抗變化率。在研究正交激勵(lì)與直流偏置方式下非晶帶特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了鈷基非晶帶AGMI效應(yīng)弱磁傳感器并對(duì)傳感器進(jìn)行試驗(yàn)標(biāo)定及數(shù)據(jù)分析，所得傳感器性能指標(biāo)：量程為-1．0～1．0 Oe，靈敏度為1．670 4 V/Oe，線性度為1．78%FS。

正交激勵(lì)；直流偏置；鈷基非晶帶；非對(duì)稱(chēng)巨磁阻抗效應(yīng)；弱磁傳感器

0 引言

1992年，K．Mohri等[1]報(bào)導(dǎo)通有交變電流的非晶絲的電感隨外磁場(chǎng)而變化的現(xiàn)象，稱(chēng)之為磁電感效應(yīng)。該報(bào)導(dǎo)引起了各國(guó)學(xué)者的關(guān)注，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)非晶絲在高頻電流激勵(lì)下，其電阻和電抗均隨外磁場(chǎng)變化而顯著變化，稱(chēng)為巨磁阻抗(GMI)效應(yīng)。

利用該效應(yīng)能制成體積小、靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性高、功耗低、對(duì)弱磁場(chǎng)敏感的新型高性能微型磁傳感器，在交通運(yùn)輸、航空航天、醫(yī)療儀器、工業(yè)測(cè)試、軍事國(guó)防等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。2010年，日本研制出新型納特斯拉傳感器“MI-CB-1DH”，能檢測(cè)出1/50000的地磁場(chǎng)變化，用于鐵磁類(lèi)微小異物檢測(cè)。2011年又開(kāi)發(fā)了一種應(yīng)用于手機(jī)的智能電子羅盤(pán)“AMI603”，它將3軸MI傳感器、3軸加速度計(jì)和電路集成在一塊芯片中。而國(guó)內(nèi)對(duì)GMI效應(yīng)的研究也有一定進(jìn)展，主要集中在非晶絲(帶)和多層膜GMI效應(yīng)研究及磁傳感器的研究上[2],但大多處于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段，尚無(wú)商業(yè)化產(chǎn)品。

1 實(shí)驗(yàn)

一般來(lái)說(shuō)，在非晶材料的易磁化方向施加激勵(lì)磁場(chǎng)能產(chǎn)生較顯著的阻抗變化[3]。鈷基非晶材料具有橫向磁疇結(jié)構(gòu)，故實(shí)驗(yàn)首先探究了在橫向激勵(lì)方式下，激勵(lì)電流的頻率及幅值與GMI效應(yīng)的關(guān)系，并選擇最優(yōu)的激勵(lì)頻率與幅值；在最優(yōu)激勵(lì)電流的基礎(chǔ)上，探究在正交激勵(lì)與直流偏置方式下的GMI效應(yīng)。

1．1 實(shí)驗(yàn)原理

鈷基非晶帶樣品為經(jīng)脈沖電流退火的材料，材料尺寸為20 mm×1．3 mm×40 μm．實(shí)驗(yàn)采用四端點(diǎn)法連接，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)原理圖

YB3020 DDS數(shù)字合成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，V/I轉(zhuǎn)換電路是為了將電壓激勵(lì)轉(zhuǎn)換成電流激勵(lì)，示波器DPO4032用于檢測(cè)非晶帶兩端的電壓值從而得到阻抗值。外磁場(chǎng)由亥姆霍茲線圈產(chǎn)生，并與地磁場(chǎng)垂直，以減小地磁場(chǎng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。圖2(a)～圖2(c)分別表示對(duì)非晶材料的橫向激勵(lì)、正交激勵(lì)、正交激勵(lì)與直流偏置。在正交激勵(lì)方式下，激勵(lì)電流先流入線圈，再流入非晶帶。

(a)

(b)

(c)圖2 非晶帶激勵(lì)方式

1．2 性能表征方法

采用兩種方法來(lái)分析處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，特征量如式(1)和式(2)所示。阻抗值隨外界磁場(chǎng)的相對(duì)變化定義為阻抗變化率GMI(ZH)。

在非晶帶兩端電壓值隨外磁場(chǎng)變化的曲線線性區(qū)域內(nèi)，阻抗值與磁場(chǎng)變化值的比率定義為阻抗磁靈敏度。

(1)

式中:Z0、V0分別為外磁場(chǎng)為0時(shí)非晶帶的阻抗值和兩端的電壓峰峰值；ZH、VH分別為外磁場(chǎng)為H時(shí)非晶帶的阻抗值和兩端的電壓峰峰值。

(2)

式中：Q為阻抗磁靈敏度，Ω·Oe-1(1 Oe=79.578 A/m)；HS為非晶帶兩端電壓值隨外磁場(chǎng)變化的曲線線性區(qū)域起點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)；ZHS、VHS分別是外磁場(chǎng)為HS時(shí)非晶帶的阻抗值和兩端的電壓峰峰值；I為流過(guò)非晶帶電流的峰峰值。

1．3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1．3．1 GMI效應(yīng)與激勵(lì)電流頻率的關(guān)系

圖3為橫向激勵(lì)方式下，非晶帶在不同激勵(lì)電流頻率，激勵(lì)電流幅值均為10 mA下，GMI(ZH)隨H變化的曲線。表1為橫向激勵(lì)方式下，激勵(lì)電流幅值為10 mA，非晶帶的最大阻抗變化率、阻抗磁靈敏度與激勵(lì)電流頻率的關(guān)系。從圖3中可以看出，GMI(ZH) 隨H變化的曲線呈現(xiàn)出對(duì)稱(chēng)的雙峰現(xiàn)象，且不同的頻率下，曲線差異很大。從表1的數(shù)據(jù)分析中可知，在所測(cè)的頻率范圍內(nèi)，最大阻抗變化率隨頻率的增加，呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，在5 MHz時(shí)出現(xiàn)最大值；而阻抗磁靈敏度隨頻率的增加而單調(diào)增大。綜合這兩個(gè)特征量，激勵(lì)頻率可以選擇在4～8 MHz之間，考慮到在高頻下，材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生渦流效應(yīng)且隨著頻率的增加而增強(qiáng)，強(qiáng)烈的渦流效應(yīng)會(huì)使材料內(nèi)部產(chǎn)生熱量，影響材料性能的穩(wěn)定性，故選擇4 MHz頻率激勵(lì)。

圖3 不同激勵(lì)頻率下阻抗變化率隨外磁場(chǎng)變化的曲線圖

1．3．2 GMI效應(yīng)與激勵(lì)電流幅值的關(guān)系

表2為橫向激勵(lì)方式下，激勵(lì)電流頻率為4 MHz，非晶帶的最大阻抗變化率、阻抗磁靈敏度與激勵(lì)電流幅值的關(guān)系。從表2中可以得出，在所測(cè)的電流幅值內(nèi)，最大阻抗變化率為先增大后減小，但變化幅度不大，在10 mA時(shí)達(dá)到最大值；同時(shí)，阻抗磁靈敏度也在10 mA時(shí)達(dá)到最大值，故選擇激勵(lì)電流幅值為10 mA。

表1 不同激勵(lì)電流頻率的特征量

表2 不同激勵(lì)電流幅值的特征量

1．3．3 正交激勵(lì)方式下的GMI效應(yīng)

正交激勵(lì)方式所選擇的激勵(lì)電流的頻率和幅值為橫向激勵(lì)方式下的最優(yōu)選擇，即4 MHz和10 mA。這樣保證了非晶帶在橫向上有較顯著的GMI效應(yīng)，還可通過(guò)改變繞于非晶帶上的線圈匝數(shù)來(lái)改變縱向激勵(lì)場(chǎng)的大小。圖4為非晶帶繞有線圈匝數(shù)分別為10匝、30匝、50匝，GMI(ZH)隨H變化的曲線。從圖4中看出，GMI(ZH)隨H變化曲線呈現(xiàn)出較對(duì)稱(chēng)的雙峰現(xiàn)象，在外磁場(chǎng)為正一側(cè)的0．3 Oe附近產(chǎn)生了GMI(ZH)隨H增大而減小的過(guò)程。表3為對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)特征量分析的結(jié)果，在所測(cè)的匝數(shù)范圍內(nèi)，最大阻抗變化率與阻抗磁靈敏度均隨著線圈匝數(shù)增加而單調(diào)增加，線性區(qū)域的范圍也有所增加。

1．3．4 正交激勵(lì)與直流偏置方式下的GMI效應(yīng)

圖5為線圈匝數(shù)為50匝，不同大小的偏置直流下GMI(ZH)隨H變化的曲線。從圖5中可以看出，GMI(ZH)隨H變化曲線呈現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)的雙峰現(xiàn)象，即非對(duì)稱(chēng)巨磁阻抗效應(yīng)[4]。對(duì)峰值較高一側(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析如表4所示，在所測(cè)電流范圍內(nèi)，最大阻抗變化率極大提高，40 mA時(shí)達(dá)到855．22%；阻抗磁靈敏度在10 mA時(shí)達(dá)到所測(cè)范圍的最大值，接著隨著偏置直流的增大緩慢減小；線性區(qū)域得到進(jìn)一步擴(kuò)大，零磁場(chǎng)處的靈敏度得到提高。

表3 正交激勵(lì)下的特征量

圖5 正交激勵(lì)與直流偏置下阻抗變化率隨外磁場(chǎng)變化的曲線

電流/mA兩峰值差/%線性區(qū)域/Oe阻抗磁靈敏度/(Ω·Oe-1)最大阻抗變化率/%10183.770～2.12.561576.0220124.220～2.22.511641.5730139.010～2.22.443535.9240679.970～2.42.395855.22

非晶帶在正交激勵(lì)與直流偏置的方式下，其阻抗性能得到極大提高。利用AGMI效應(yīng)將有利于提高傳感器的量程及靈敏度[5-6]。因此，所設(shè)計(jì)的傳感器的敏感元件采用正交激勵(lì)與直流偏置的方式，偏置直流為10 mA，線圈匝數(shù)為50匝，激勵(lì)電流頻率和幅值分別為4 MHz和10 mA。

2 GMI傳感器電路設(shè)計(jì)及測(cè)試

2．1 傳感器電路設(shè)計(jì)

傳感器信號(hào)檢測(cè)電路原理圖如圖6所示，檢測(cè)電路包括激勵(lì)信號(hào)發(fā)生電路、自動(dòng)增益控制(AGC)穩(wěn)幅電路、V/I轉(zhuǎn)換電路、前置放大電路、檢波整流電路、低通濾波電路、差動(dòng)放大電路和偏置磁鋼。

圖6 傳感器電路原理圖

激勵(lì)信號(hào)發(fā)生電路采用含晶振的科耳皮茲振蕩電路產(chǎn)生高頻的正弦波電壓信號(hào)[7]，該信號(hào)經(jīng)過(guò)AGC穩(wěn)幅電路后能將信號(hào)的幅值穩(wěn)定在1 V。利用以上兩個(gè)電路能產(chǎn)生頻率穩(wěn)定、幅值穩(wěn)定的正弦波電壓信號(hào)，為傳感器的穩(wěn)定性提供了保障。V/I轉(zhuǎn)換電路由雙運(yùn)放組成將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，為非晶帶提供一個(gè)幅值恒定的激勵(lì)電流信號(hào)，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了阻抗變換的功能。非晶帶兩端的電壓信號(hào)非常微弱，需要經(jīng)過(guò)放大后才能與后續(xù)電路匹配，在該傳感器中進(jìn)行了2級(jí)放大。檢波整流電路首先對(duì)前一級(jí)輸出信號(hào)進(jìn)行檢波，再經(jīng)過(guò)整流得到一個(gè)直流信號(hào)，但是該直流信號(hào)仍然存在一些高頻噪聲信號(hào)，所以在進(jìn)入差動(dòng)放大電路前加了無(wú)源的低通濾波電路。在外磁場(chǎng)為0的情況下，非晶帶兩端也存在一個(gè)電壓值，傳感器也有一個(gè)電壓信號(hào)輸出，通過(guò)調(diào)節(jié)差動(dòng)放大電路可以使得外磁場(chǎng)為0時(shí)，傳感器輸出電壓也為0。偏置磁鋼的作用是提供偏置磁場(chǎng)，調(diào)節(jié)電路的工作點(diǎn)，保證電路工作在線性區(qū)域內(nèi)，并可以實(shí)現(xiàn)正負(fù)磁場(chǎng)的測(cè)量。

2．2 電路測(cè)試結(jié)果

調(diào)節(jié)偏置磁鋼的位置，使傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)，并調(diào)節(jié)差動(dòng)放大電路，在外磁場(chǎng)0時(shí)傳感器輸出也為0。利用亥姆霍茲線圈對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試和標(biāo)定，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，電壓輸出曲線在±1．0 Oe范圍內(nèi)具有較好的線性度。

對(duì)線性區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法擬合，擬合方程為

Vout=1.670 4H+0.030 8

(3)

式中：H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，Oe；Vout為輸出電壓，V。

3 結(jié)論

在對(duì)鈷基非晶帶GMI效應(yīng)的研究和分析基礎(chǔ)上，得出了最優(yōu)的激勵(lì)電流頻率、幅值、線圈匝數(shù)和非晶帶偏置電流，從而設(shè)計(jì)了以鈷基非晶帶為敏感元件，采用正交激勵(lì)與直流偏置方式驅(qū)動(dòng)的弱磁傳感器。該傳感器在信號(hào)處理電路總增益為65的情況下，靈敏度為1．670 4 V/Oe，線性度為1．78%FS，達(dá)到了弱磁場(chǎng)測(cè)量的要求。

圖7 試驗(yàn)曲線及擬合曲線

[1] MOHRI K,KOHZAWA T,KAWASHIMA K,et al．Magneto-inductive effect(MI effect) in amorphous wires．IEEE Transactions on Magnetics,1992,28(5):3150-3152．

[2] 蔣顏瑋，房建成，盛蔚，等．巨磁阻抗磁傳感器的研究進(jìn)展．儀表技術(shù)與傳感器，2008(5):1-6．

[3] 黃敬暉，丁昂，張延松，等．不同驅(qū)動(dòng)方式下鈷基非晶條帶的巨磁阻抗效應(yīng)．磁性材料及器件，2013,44(4):9-13．

[4] PANINA L V．Asymmetrical giant magneto-impedance(AGMI) in amorphous wires．Journal of Magnetism and Magnetic Materials,2002,249:278-287．

[5] KOLLU P,JIN L,KIM K W,et al．One-dimensional AGMI sensor with Co66Fe4Si15B15ribbon as sensing element．Applied Physics A-Materials Science & Processing,2008,90:533-536．

[6] WU C P,DENG J H,SUN J,et al．A design of linear AGMI sensor and its application for tank target detection．The Ninth International Conference on Electronic Measurement & Instruments,Beijing,2009．

[7] 稻葉保．振蕩電路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用．何希才，尤克，譯．北京：科學(xué)出版社，2004:122-148．

Weak Magnetic Sensor Based on Orthogonal Excitation and DCBias with Co-based Amorphous Ribbon

DING Yi,CHEN Zhe,BAO Bing-hao

(School of Mechanical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)

The Co-based amorphous ribbon annealed by pulse current was made to have asymmetrical giant magneto-impedance(AGMI) effect by orthogonal excitation and DC bias．Compared with lateral excitation,orthogonal excitation and DC bias greatly increased GMI effect,including the linear range,impedance sensitivity and the maximum of impedance vary ratio．In the research on the characteristic of the amorphous ribbon,a Co-based amorphous ribbon weak magnetic sensor based on AGMI effect was designed．The output of the sensor was experimentally calibrated and analyzed．The results show that in the magnetic field from -1．0 Oe to 1．0 Oe,the sensitivity is 1．670 4 V/Oe and the linearity is 1．78%FS．

orthogonal excitation;DC bias;Co-based amorphous ribbon;asymmetric giant magneto-impedance effect;weak magnetic sensor

江蘇大學(xué)學(xué)生科研立項(xiàng)項(xiàng)目(12A350)

2014-03-21 收修改稿日期：2014-10-10

TP212

A

1002-1841(2015)03-0010-03

丁一(1988—)，碩士研究生，主要從事新型傳感器及測(cè)控儀器的研究。E-mail:dingyi1988@163．com