周初凱, 鄭金菊, 金林楓, 楊 光, 王紅洲, 趙 靜
(浙江師范大學(xué) 信息電子技術(shù)研究所, 浙江 金華 321004)
早在1935年,巨磁阻抗(GMI)效應(yīng)[1]就被俄羅斯人Harrison發(fā)現(xiàn),但由于當時的材料和應(yīng)用領(lǐng)域的限制,并沒有引起廣泛的關(guān)注。1994年,日本名古屋大學(xué)的Mohri K教授等人[2]采用旋轉(zhuǎn)水中紡絲法[3],噴制成直徑為125 μm的近零、負磁致伸縮系數(shù)非晶絲,在該材料上觀察到了GMI效應(yīng)并進行應(yīng)用研究,這一現(xiàn)象才受到人們的特別重視。GMI效應(yīng)具有靈敏度高、反應(yīng)快、利于微型化等優(yōu)點,可廣泛應(yīng)用于交通運輸、生物醫(yī)療、自動控制、安全生產(chǎn)、國防等各行業(yè)的磁場、位移、扭矩、計數(shù)、測速、無損探傷等方面[4]的檢測。
對于非晶薄帶的制作本文采用的是單輥快淬法[5],所制備的非晶合金薄帶[6]成分是Fe76Si7.6B9.5P5C1.9,用該方法制備成寬為0.38 mm,厚為25 μm的合金薄帶;然后再對該樣品在540 ℃空氣中進行退火[7]處理,退火后的樣品分別放入用0.08mm的漆包線繞制而成的空心線圈(匝數(shù)為100匝,長度為10.1 mm,內(nèi)徑為0.56 mm)中,用HP4294A阻抗儀[8]縱向驅(qū)動的方式測量薄帶的阻抗,驅(qū)動頻率為470 kHz,其實驗結(jié)果如圖1所示。
圖1 470 ℃溫度退火樣品的GMI比曲線
由圖1可知,所制備的樣品具有寬線性區(qū)間,在-800~+800 A/m的區(qū)間有較好的線性度。
傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 傳感器結(jié)構(gòu)框圖
傳感器敏感元件是整個電路的核心,主要由電感線圈、直流偏置線圈以及非晶合金薄帶組成,其示意圖如圖3所示。采用直徑為0.08 mm的漆包線雙股并排繞制成直徑為2 mm、長度為15 mm的2個線圈,分別為電感線圈和直流偏置線圈。
圖3 電感線圈與偏置線圈的制作與Fe基非晶帶的放置方法
如圖4所示,對于主體電路的設(shè)計主要分為四部分:1)交流信號發(fā)生電路,因為在470 kHz的驅(qū)動頻率下,F(xiàn)eSiBPC非晶薄帶有著良好的線性區(qū)間, 所以,信號發(fā)生電路的頻率也設(shè)置為470 kHz,如圖4所示。采用多諧振蕩電路[9]作為激勵信號發(fā)生電路,輸出頻率設(shè)為470 kHz的穩(wěn)定方波, 其高電平為5.2 V,低電平為0.33 V。2)電感線圈與直流偏置電路,如圖4所示 ,其中線圈“2”為電感線圈, 兩端直接與470 kHz交流激勵信號相連, 另外一個線圈“3”為偏置線圈,其兩端加直流電壓,產(chǎn)生磁場強度為Hex=460 A/m的直流偏置磁場。內(nèi)置FeSiBPC非晶帶“1”,Hex為沿著Fe基非晶帶方向并穿過該薄帶的磁場強度。3)檢波電路, 本文設(shè)計的檢波電路是采用二極管包絡(luò)檢波電路, 選用正向?qū)妷旱?、耐高頻的肖特基二極管,與電容、電阻組成峰值檢波電路, 最后得到輸出直流電壓。4)調(diào)零放大電路,利用集成運放[10]構(gòu)成差分放大電路,通過調(diào)節(jié)運放同相端的電位器RV1,使得在外加磁場為0時,偏置磁場Hex=460 A/m時輸出電壓為0 V。這樣不但可以從輸出電壓的大小判斷磁場的大小, 而且可以從電壓輸出的正負來判斷磁場的方向。
圖4 脈沖波驅(qū)動的GMI磁傳感器電路原理圖
該傳感器中敏感元件的直流偏置磁場為320 A/m,將電路中的敏感元件放置在亥姆霍茲線圈的中心處,然后通過調(diào)節(jié)直流電壓源的輸出電流的大小來控制亥姆霍茲線圈中產(chǎn)生的穩(wěn)定磁場的大小。在測量裝置中進行反復(fù)測量,然后對所測量的數(shù)據(jù)進行分析。當外加磁場為0時,脈沖波信號幅值為5 V,頻率為470 kHz,檢波電路輸出為直流電壓,其大小為1.544 V,調(diào)零放大電路輸出為0.067 V。
圖5為傳感器的重復(fù)性數(shù)據(jù)測量結(jié)果,A,B兩曲線是外加磁場從-2 325.51 A/m增大到2 325.51 A/m時,傳感器輸出電壓變化時的情況,有數(shù)據(jù)分析計算可以得到傳感器的重復(fù)性最大誤差為0.94 %。
圖6為遲滯性數(shù)據(jù)測量結(jié)果,其中A曲線是外磁場從-2 325.51A/m增大到2 325.51A/m所測的數(shù)據(jù),而B曲線則是外磁場為2 325.51~-2 325.51 A/m所測得數(shù)據(jù),由公式(1)計算可得GMI傳感器遲滯性數(shù)據(jù)的最大偏差為0.96 %,可見該GMI磁敏傳感器基本上無遲滯。
圖5 GMI傳感器的重復(fù)性數(shù)據(jù)分析圖
圖6 GMI傳感器的遲滯性數(shù)據(jù)分析圖
(1)
通過對圖5中A曲線變化情況分析,可以發(fā)現(xiàn)當外磁場從-279.06 A/m增大到279.06 A/m時,輸出線性度最好,且靈敏度最高。如圖7所示,D曲線為上述磁場范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進行線性擬合結(jié)果,由計算可知,線性最大偏差為1.48 %,靈敏度為12.65 mV/A·m-1。
圖7 GMI傳感器的線性度與靈敏度數(shù)據(jù)分析圖
本文針對具有GMI效應(yīng)的Fe76Si7.6B9.5P5C1.9合金薄帶在磁傳感器中的應(yīng)用,研究了退火溫度對Fe76Si7.6B9.5P5C1.9合金薄帶的GMI效應(yīng)的影響,可知540℃空氣中退火后Fe基非晶薄帶GMI材料具有寬線性、高靈敏度。用Fe基非晶薄帶作為敏感元件設(shè)計制作了GMI磁傳感器并對其性能進行測試,結(jié)果表明:傳感器線性度好且靈敏度高,線性最大偏差為1.48 %,靈敏度為12.65 mV/A·m-1。
參考文獻:
[1] Mohri K,Uchiyama T,Panina L V.Recent advances of micro-magnetic sensors and sensing application[J].Sensors and Actuators A,1997,59(1/2/3):1-8.
[2] Mohri K,Kohsawa T,Kawashima K,et a1.Magneto-inductive effect(MI efect)in amorphous wires[J].IEEE Trans Magn,1992,28(5):3150-3152.
[3] Ohnaka I,F(xiàn)ukusako T,Matui T.Preparation of amorphous wire-s[J].J Jpn Inst Met,1981,45:751-762.
[4] 蔣顏瑋,房建成,盛 蔚,等.軟磁非晶絲巨磁阻抗效應(yīng)傳感器研究進展與應(yīng)用[J].電子器件,2008,31(4):1124-1129.
[5] 安建軍, 云翠花, 嚴 彪. 單輥快淬Cu-Be合金的顯微組織及時效性能[J].特種鑄造及有色合金,2008,28(7):567-570.
[6] Francoeur,Bruno1 Couture,Pierre.Continuous-annealing method for producing a flexible curved soft magnetic amorphous alloy ri-bbon[J].Journal of Applied Physics,2012,111(7):07A309.
[7] Ku Meei-Yuh,Hu Michael H,Wang Ming-Jaan.Simulated annealing based parallel genetic algorithm for facility layout prob-lem[J].International Journal of Production Research,2011,49(6):1801-1812.
[8] 葉慧群,呂葆華,葉方敏,等.退火對FeCo基磁環(huán)巨磁阻抗效應(yīng)的影響[J].磁性材料及器件,2011,42(2):25-36.
[9] 王 濤,石林鎖,陳新社,等.多諧振蕩器在濕度測量中的應(yīng)用[J].傳感器技術(shù),2003,22(9):72-77.
[10] 邊曉娜,趙立志.基于藍牙和傳感器技術(shù)的油含水率測量系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng),2008,27(8):81-83.