鐵基納米晶磁敏傳感電路的設計

0鐵基納米晶材料的磁敏特性鐵基納米顆粒是一種新型的納米磁性材料，具有巨大的磁強（mor）或巨磁阻效應（pmi）。由此制成的設備具有靈敏度高、體積小、響應快、非接觸等特點。與傳統的霍爾磁敏傳感器相比，具有良好的靈敏度高、溫度穩定好、工作量大等優點，并能在多個領域更換現有的傳感器，從而提高產品的自動化控制在一個新水平上。因此，利用鐵基納米晶體材料的磁敏特性，開發磁敏傳感器，無疑具有重要的現實意義和廣泛的應用前景。目前有相關文獻。作者利用鐵基納米晶體材料的巨大磁強效應，改進了一種簡單的pmi磁強計。它不僅具有高靈敏度，而且體積非常小。所有機器的所有元素都可以安裝在10cm（長度）5cm（寬）1.5cm（高）的塑料盒中。它是簡單的，小的，使用時也會。它具有一定的實用價值。1磁體測量的設計1.1fe基納米晶的制備原始非晶態Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9條帶是用單輥快淬法制得,寬1.2mm,厚25μm.將長度為4cm的條帶在氮氣保護下,溫度在540℃退火40min,即可制成Fe基納米晶.樣品用Y4Q型X射線衍射儀檢測納米微晶,再用4294A阻抗儀測量其巨磁阻抗效應.1.2鐵基納米晶磁體磁敏傳感電路由磁敏振蕩器和R-C低通濾波器構成,具體的電路原理如圖1所示.圖1所示電路中工作電壓VCC為15V,R1、R2、C1、C2、C3、L及三極管構成Colpitts振蕩器,各元件參數分別如下:R1=33kΩ,R2=2.7kΩ,R3=510Ω,C1=5100pF,C2=C3=51pF,三極管為放大系數β介于100～300間的NPN型硅管,而電感L是自制電感線圈,其內置鐵基納米微晶條帶,線圈是由直徑為0.1mm的漆包線繞制而成的,它的直徑、長度和匝數分別為2.67mm、10.1mm和100匝.如圖2所示.鐵基納米材料具有磁敏特性,因此當它所處環境的磁通量發生變化時,就會有巨磁阻抗效應產生,從而使振蕩器輸出量(直流分量、交流信號幅度、交流信號頻率)隨外加磁場而變化,成為磁敏傳感器.Hex是沿鐵基納米晶磁體條帶方向并穿過該條帶的磁場強度,且方向與地磁場方向垂直,以消除地磁場的影響.圖1中R4、C4構成低通濾波器,R4=100kΩ,C4=510pF,R-C低通是最簡單的一種低通濾波器,由電阻和電容元件構成,其作用是提取直流分量,濾去交流分量.工作過程:當該振蕩器線圈中沒有加入鐵基納米晶磁體條帶時,振蕩器滿足振蕩條件,能產生振蕩信號且它的輸出電壓很大,R-C低通輸出直流電壓平均值達到幾伏.當線圈中放入磁體條帶而未外加磁場時,渦流損耗大,導致電感線圈的Q值低,輸出電壓迅速減小,甚至導致振蕩器停振.當加上外加磁場時,鐵基納米晶磁體條帶在磁場作用下開始顯示其巨磁阻抗效應,渦流損耗減小,電感的Q值升高.隨外加磁場的逐漸增強,磁敏振蕩器的輸出電壓隨之逐漸增大.但當外加磁場增強到一定程度后,磁體條帶達到磁飽和,磁敏振蕩器輸出電壓隨磁場強度的增強變化趨緩,最后趨于不變.1.3系統顯示電路磁敏傳感電路實現了磁電轉換,它將磁敏線圈感應到的磁場轉換成了電壓輸出.但是磁場測量儀要求直接顯示磁場強度的大小,需通過定標把電壓輸出量轉換為磁場量(見本文2.2).然后,利用單片機的數據控制和處理功能,直接顯示磁場值.單片機顯示電路如圖3所示.磁電轉換電路輸出的模擬信號,經過預處理電路放大處理后,再經過A/D轉換器將模擬量轉換成數字量,送入單片機進行計算處理,驅動數碼管顯示磁場值.這里采用模擬公司生產的8位模數轉換芯片ADC0804,單片機采用AT89C2051,顯示采用4位連體數碼管,經過分析可以滿足測量電路的要求.2磁體測量的性能試驗2.1實驗結果和分析性能測試時,采用了型號為WY-30V2A直流穩壓電源、C31/1-mA型直流毫安表、規格為半徑R=10cm的亥姆霍茲線圈、TektronixTDS2012型號示波器.亥姆霍茲線圈用來產生一個均勻的磁場,該磁場施加到內置鐵基納米晶條帶的電感線圈上,使得磁敏傳感器的輸出發生改變,而磁敏傳感器的輸出量用示波器來測量.通過調節可調電源的輸出電壓,改變流過亥姆霍茲線圈的電流,以得到不同強度的磁場.亥姆霍茲線圈是由直徑為0.29mm的漆包線繞650匝而成的,電流和磁場強度之間的換算公式是B=(45)32u0NIR.B=(45)32u0ΝΙR.其中,u0=4π×10-7H/m,R為亥姆霍茲線圈半徑,N為單個圓電流線圈的匝數,I為亥姆霍茲線圈中的電流,N=650,R=10cm.測試時將磁敏振蕩器中內置鐵基納米晶條帶的電感線圈與亥姆霍茲線圈垂直放置,由于亥姆霍茲線圈的中間位置磁場強度最大且為勻強磁場,因此電感線圈要放在正中的位置.實驗時,調節電源輸出電壓,使流過亥姆霍茲線圈的電流為0～180mA,即外加磁場為0～1mT,為了測量傳感器的遲滯性和重復性,測量數據時從小逐漸增大,又從大逐漸減小,并進行重復多組測試.測量結果如圖4、圖5所示.圖4是a、b、c3組重復數據分析曲線,3組數據曲線基本重疊,說明傳感器重復性很好.圖5是磁場從小逐漸增大的a組數據分析曲線和從大逐漸減小的e組數據分析曲線.可見正、反行程曲線基本重疊,說明傳感器不存在遲滯現象.由圖4、圖5可知,磁場強度在0.1～0.4mT區間曲線的線性度很好,可見靈敏度很高,利用此區間特性,可用它來測量磁場強度.而磁場強度在0～0.1mT區間,傳感器輸出變化雖較弱,但利用電子電路的信號處理、放大功能可提高測量的靈敏度.2.2磁場強度的測量磁電轉換電路將磁敏線圈感應到的磁場轉換成了電壓輸出,通過定標把電壓輸出量轉換為磁場量,限于條件,采用HT20特斯拉計作為標準的磁場測量儀器作粗略的標定.定標方法是:用磁敏傳感器探測某一點的穩定磁場,改變磁場強度的大小,使傳感器輸出電壓為3V,這時用HT20特斯拉計(即高斯計)測定該點磁場強度值,把測得的電壓和磁場2個數據送入單片機進行處理,作為磁電轉換電路電壓輸出量轉換為磁場量的依據.圖6是分別利用HT20特斯拉計和GMI磁場測量儀測得同一位置磁場強度的數據曲線,表1是其中的部分數據.從表1和圖6可以看出,在磁場強度大于0.1mT時,隨磁場強度變化,GMI磁場測量儀測得的數據曲線和特斯拉計測得的數據曲線變化是一致的;在磁場強度小于0.1mT以后,HT20特斯拉計顯示的讀數為零,已經無法測量,而GMI磁場測量儀仍能明顯感應到微弱的磁場,證實它在弱磁場的靈敏度優于高斯計.3gmi磁場測量系統在弱化磁場測量的應用和發展實驗結果表明,本文所討論的GMI磁場測量儀具有重復性好、靈敏度