莊明偉，王小安，徐 圖，黃 鵬，梁志強(qiáng)

（1.山東交通學(xué)院理學(xué)院，山東濟(jì)南250023；2.廈門(mén)大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院電子工程系，福建廈門(mén)361005）

1 引 言

巨磁電阻效應(yīng)是指磁性材料的電阻率在有外磁場(chǎng)作用時(shí)較無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)存在巨大變化的現(xiàn)象.法國(guó)物理學(xué)家阿爾伯特·費(fèi)爾、德國(guó)物理學(xué)家彼得·格魯伯格于1988年發(fā)現(xiàn)該效應(yīng)而獲得2007年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).他們分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)由鐵磁金屬與非磁金屬組合，且相鄰鐵磁膜磁矩反耦合所構(gòu)成的多層膜，在附加外磁場(chǎng)和不附加外磁場(chǎng)時(shí)其電阻變化率，室溫下可達(dá)10%～20%，低溫4.2K下則達(dá)到110%，遠(yuǎn)大于一般各向異性磁電阻的電阻變化率[1－2].巨磁電阻傳感器主要應(yīng)用于探測(cè)磁場(chǎng)、電流、位移、角速度等領(lǐng)域.該傳感器具有體積小、靈敏度高、線性范圍寬、溫度穩(wěn)定性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已開(kāi)始應(yīng)用于家用電器、汽車(chē)、自動(dòng)控制、衛(wèi)星定位、導(dǎo)航系統(tǒng)、精密測(cè)量技術(shù)以及物理實(shí)驗(yàn)[3－6]中.本文利用巨磁電阻傳感器設(shè)計(jì)制作的多功能測(cè)量?jī)x，可用于精確測(cè)量物體的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，直觀地演示車(chē)輛對(duì)地磁場(chǎng)的擾動(dòng).

2 巨磁電阻效應(yīng)測(cè)量?jī)x器

2.1 巨磁電阻效應(yīng)原理

巨磁電阻效應(yīng)是一種量子力學(xué)效應(yīng)，是在層狀的磁性薄膜結(jié)構(gòu)中觀察得到的.這種結(jié)構(gòu)由鐵磁材料和非磁材料薄層交替疊合而成.當(dāng)鐵磁層的磁矩相互平行時(shí)，載流子與自旋有關(guān)的散射最小，材料具有最小阻值.當(dāng)鐵磁層的磁矩為反平行時(shí)，與自旋有關(guān)的散射最強(qiáng)，材料的電阻最大，如圖1所示，白色區(qū)域?qū)訛殍F磁材料，黑色區(qū)域?qū)訛榉谴挪牧?

圖1 多層膜結(jié)構(gòu)

2.2 儀器結(jié)構(gòu)

AA002型巨磁電阻傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2所示.巨磁電阻傳感器由4個(gè)相同的巨磁電阻組成.在零磁場(chǎng)情形下，4個(gè)電阻的阻值均為R，輸出電壓VO＋＝VO－，此時(shí)輸出電壓差值為零.在有外加磁場(chǎng)時(shí)，由于電阻R1和R3由高導(dǎo)磁率材料（坡莫合金層）覆蓋屏蔽，其阻值對(duì)外界磁場(chǎng)無(wú)響應(yīng).而電阻R2和R4將變?yōu)镽2＝R4＝R－ΔR，其中ΔR為外磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B時(shí)，單個(gè)巨磁電阻的阻值改變量，此時(shí)VO＋≠VO－.

圖2 AA002－02巨磁電阻傳感器

將AA002－02、儀表放大器、AD轉(zhuǎn)換器（MAX191）以及單片機(jī)（AT89S52）等元件集成在1塊PCB板上，實(shí)現(xiàn)傳感器輸出信號(hào)的自動(dòng)處理，圖3為多功能測(cè)量?jī)x實(shí)物圖.

圖3 多功能測(cè)量?jī)x

AA002－02輸出的電壓為

AD采集的電壓為

其中，S為傳感器的靈敏度，B為位于敏感軸處被測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，U為傳感器的供電電壓，A為儀表放大器的放大倍數(shù).根據(jù)（1）式可知，在S與U一定的條件下，輸出電壓與B成正比.由于巨磁電阻傳感器輸出的電壓在幾十mV到幾百mV之間變化，這不利于直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，所以需要將此微小信號(hào)進(jìn)行放大處理，即有（2）式.為了適合不同的場(chǎng)所，可借助儀表放大器和數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大，實(shí)現(xiàn)增益的可編程.本儀器提供3種方式顯示測(cè)量數(shù)據(jù)：

1）信號(hào)經(jīng)放大和濾波后直接連示波器.

2）信號(hào)經(jīng)濾波后將模擬信號(hào)通過(guò)AD芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，數(shù)字信號(hào)傳送至單片機(jī).單片機(jī)控制串口通信，將采集的信號(hào)傳送到PC機(jī)顯示.PC機(jī)采用LabVIEW軟件接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理.另外，若在信號(hào)放大過(guò)程中增益過(guò)高，LabVIEW還能寫(xiě)數(shù)據(jù)至單片機(jī)，調(diào)整增益到合適的范圍，實(shí)現(xiàn)可編程增益控制.

3）數(shù)據(jù)由單片機(jī)可直接通過(guò)LCD顯示，但該功能只能顯示頻率較低的信號(hào).若頻率較高，應(yīng)使用1）或2）方式顯示.

3 巨磁電阻傳感器在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

3.1 轉(zhuǎn)速測(cè)量

轉(zhuǎn)動(dòng)物體角速度大小的測(cè)量，可通過(guò)探測(cè)磁鋼因轉(zhuǎn)動(dòng)而造成其磁感應(yīng)強(qiáng)度相對(duì)于固定GMR傳感器的改變.當(dāng)磁鋼固定于轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)的邊緣而GMR傳感器固定在轉(zhuǎn)盤(pán)的旁邊并與轉(zhuǎn)動(dòng)物體保持一定距離時(shí)，參考磁鋼隨轉(zhuǎn)盤(pán)而轉(zhuǎn)動(dòng)，每當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)1圈，就會(huì)使產(chǎn)生電壓脈沖輸出，圖4給出角速度測(cè)量原理[6].

圖4 角速度測(cè)量原理

同理在電機(jī)軸線上固定1片小磁鋼，小磁鋼因轉(zhuǎn)動(dòng)而造成其磁感應(yīng)強(qiáng)度方向相對(duì)于固定GMR傳感器的改變.由于巨磁電阻傳感器只能測(cè)量其敏感軸方向的磁場(chǎng)，因電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)在敏感軸方向?qū)a(chǎn)生與電機(jī)轉(zhuǎn)速相同頻率的信號(hào)，則可測(cè)量到被測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為

其中，Bs為處于敏感軸方向的被測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度，B為小磁鋼的磁感應(yīng)強(qiáng)度，B0為電磁鐵提供的偏置磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，θ為小磁鋼磁感應(yīng)強(qiáng)度與敏感軸向的夾角.電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于B和B0的值固定，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率與θ變化的頻率相同.將低通濾波器輸出信號(hào)與示波器相連接，當(dāng)小磁鋼與電機(jī)一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輸出信號(hào)將沿cosθ曲線變化，得到如圖5所示的波形.通過(guò)示波器測(cè)量得該波形的周期為15ms，從而可得出該電機(jī)的轉(zhuǎn)速為4 000rad／min.圖6為巨磁電阻傳感器經(jīng)放大后的模擬信號(hào)通過(guò)AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由單片機(jī)傳送到PC機(jī)中顯示的波形圖.同理，對(duì)于物體的轉(zhuǎn)角也可進(jìn)行測(cè)量.

圖5 示波器顯示輸出信號(hào)大小

圖6 PC顯示AD采集信號(hào)大小

3.2 車(chē)輛檢測(cè)

地球是個(gè)大磁體，其表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小約為3×10－5～6×10－5T，磁場(chǎng)指向北方.圖7說(shuō)明了一鐵磁性物體對(duì)地磁場(chǎng)的擾動(dòng)，造成鐵磁性物體周?chē)卮艌?chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小發(fā)生變化.利用GMR傳感器即可測(cè)量此磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化量.

圖7 在均勻磁場(chǎng)中鐵磁物體引起的磁場(chǎng)畸變

關(guān)于鐵磁物體的磁擾動(dòng)，如1輛汽車(chē)可看作多個(gè)雙極性磁鐵組成的模型.因雙極性磁鐵具有北－南的極化方向，這將引起地磁場(chǎng)的擾動(dòng).這些擾動(dòng)在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)和車(chē)輪處尤其明顯，但也取決于在車(chē)輛內(nèi)部、車(chē)頂或者后備箱有無(wú)其他鐵磁物質(zhì).總之，這將會(huì)綜合地引起對(duì)地磁場(chǎng)磁力線的扭曲畸變，這種扭曲也被稱(chēng)作車(chē)輛的硬鐵影響或者干擾[7].由于各種不同的車(chē)輛在外界都有其自身特征的磁場(chǎng)分布，故通過(guò)GMR（弱場(chǎng)）傳感器可探測(cè)各種車(chē)輛的磁場(chǎng)分布進(jìn)而確定該車(chē)輛的型號(hào).GMR傳感器不僅可探測(cè)靜止車(chē)輛的狀況進(jìn)而用在交通燈的交通控制和停車(chē)場(chǎng)處停車(chē)位置監(jiān)控，而且也可探測(cè)移動(dòng)車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)情況.具體來(lái)說(shuō)，放置在高速公路邊的GMR傳感器可以計(jì)算和區(qū)別通過(guò)傳感器的車(chē)輛.若在一距離內(nèi)放置2個(gè)GMR傳感器，還可用于探測(cè)通過(guò)車(chē)輛的速度和車(chē)輛的長(zhǎng)度等信息.

將測(cè)量?jī)x器放置在距離BRT專(zhuān)用道路30cm處，可進(jìn)行BRT公交車(chē)輛實(shí)地測(cè)量.圖8為山東省濟(jì)南市BRT 1號(hào)線公交車(chē)駛過(guò)儀器時(shí)顯示的對(duì)地磁場(chǎng)的干擾曲線圖.X軸為時(shí)間軸，Y軸為AD采集的電壓值.由（1）式和（2）式可知，此曲線圖直接反應(yīng)了巨磁電阻傳感器敏感軸處被測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化.

圖8 BRT 1號(hào)線公交車(chē)對(duì)地磁場(chǎng)的干擾曲線圖

4 結(jié) 論

本文提出基于巨磁電阻傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速和演示車(chē)輛對(duì)地磁場(chǎng)的擾動(dòng)方案，并成功研制了測(cè)量?jī)x器.巨磁電阻傳感器由于其體積小、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，適宜在物理實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用，且能提高實(shí)驗(yàn)測(cè)量精度.將巨磁電阻傳感器、儀表放大器、AD轉(zhuǎn)換器以及單片機(jī)等元件集成在一塊PCB板上，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸.同時(shí)還能根據(jù)不同的測(cè)量環(huán)境提供不同的偏置磁場(chǎng)，擴(kuò)大儀器的測(cè)量范圍.這不僅可精確測(cè)量物體的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角，還能演示車(chē)輛對(duì)地磁場(chǎng)的擾動(dòng).該測(cè)量?jī)x提供PC機(jī)、示波器和液晶屏3種不同方式顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，示波器顯示精度最高，液晶屏顯示精度最低.

[1] Baibich M N，Broto J M，F(xiàn)ert A，et al.Giant Magnetoresistance of（001）Fe／（001）Cr Magnetic Superlattice[J].Phys.Rev.Lett.，1988，61（21）：2472－2474.

[2] 周勛，梁冰清，唐云俊，等.磁電阻效應(yīng)的研究進(jìn)展[J].物理實(shí)驗(yàn)，2000，20（9）：13－14.

[3] 鄒紅玉.巨磁電阻傳感器在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].大學(xué)物理，2009，28（5）：38－42.

[4] 康偉芳.基于巨磁電阻位移傳感器的固體熱脹系數(shù)測(cè)量[J].傳感器與微系統(tǒng)，2009，28（6）：107－109.

[5] 張朝民，張欣，陸申龍，等.巨磁電阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀的研制與應(yīng)用[J].物理實(shí)驗(yàn)，2009，29（6）：15－19.

[6] 肖又專(zhuān)，王林忠，庫(kù)萬(wàn)軍，等.巨磁電阻傳感器的應(yīng)用[J].磁性材料及器件，2002，32（2）：40－44，49.

[7] 蘇東海，王亮，馬壽峰.基于地磁感應(yīng)的車(chē)輛檢測(cè)方法的研究[J].交通與計(jì)算機(jī)，2007，25（3）：9－13.