蔣 峰

（江蘇信息職業(yè)技術學院，江蘇無錫 214153）

非晶態(tài)合金的高磁導率很早就引起了科技工作者們的濃厚興趣，并開發(fā)出許多不同用途的磁傳感器，有的已經(jīng)投入了商品化生產(chǎn)［1-2］。例如1984年，用非晶態(tài)合金做磁芯的音頻磁讀頭便已在TDK、SONY等公司投產(chǎn)，年產(chǎn)量在300萬只以上。在這些器件中使用零磁致伸縮非晶態(tài)合金，是因為它們具有導磁率高，頻帶寬，耐磨，抗腐蝕等特點，但也只是用來做磁芯。

直到1992年日本科學家在非晶態(tài)合金中發(fā)現(xiàn)了磁阻抗MI（Magneto-impedance）效應，它們的應用發(fā)生了質(zhì)的變化［3］。此時，非晶態(tài)合金已作為線路元件。磁阻抗是指當非晶材料上通以高頻（10 kHz以上）電流時，在磁場作用下，材料兩端的電壓會發(fā)生巨大的變化，即其阻抗發(fā)生了巨大變化，且這種變化與材料的長短無關。這種阻抗變化可高達10%～100%/Oe（AMR的磁靈敏度為0.1%/Oe，GMR為1%/Oe）。正因為該現(xiàn)象非常靈敏，特別適合于對微弱磁場的檢測。1993年，MI效應首次被提出用于發(fā)展新型靈敏、快響應微傳感器。利用MI效應制成的傳感器可用作計算機硬盤讀頭、汽車導航和用在電力配電網(wǎng)絡、生物磁場傳感、材料無損探傷等方面［4-6］。

本文設計并制作了基于CMOS IC電路的傳感器電路。通過電路產(chǎn)生的尖脈沖電流對非晶絲進行激勵，以此產(chǎn)生MI效應，從而達到檢測磁場的目的。結合LabVIEW虛擬儀器開發(fā)軟件，實現(xiàn)了地球磁場方位角的方便測量。

1 MI效應

1.1 正弦電流激勵MI效應

如圖1所示，當非晶絲被高頻電流磁化，產(chǎn)生趨膚效應，其阻抗隨外加平行于非晶絲軸向的磁場，而發(fā)生明顯變化。

圖1 實驗原理圖

非晶絲阻抗以貝塞爾公式表示［7-8］：

其中a為直徑，ρ為電阻率，μ為有效磁導率，Rdc為直流電阻，ω（f）為激流電流角頻率（頻率）。

可見，非晶絲在磁化圈產(chǎn)生的軸向交變磁場激勵下，其有效磁導率對外加磁場十分敏感，從而使阻抗發(fā)生巨大變化。如圖1所示，這是由于鈷基非晶絲內(nèi)芯具有軸向分布的磁疇結構而外芯具有圓周向磁疇分布，且呈右旋、左旋交替，鈷基非晶材料具有較小的應力感生各向異性和小的飽和磁致伸縮系數(shù)，以及大的長徑比共同決定的。正是這些因素使得鈷基非晶絲材料具有高的交流有效磁導率，且易隨外磁場作用而變化。因此用鈷基非晶絲制成的磁場傳感器具有很高的磁靈敏度。

1.2 尖脈沖電流激勵MI效應

將尖脈沖信號近似為一個周期為T，幅度為A，寬度為2tr（tr為上升沿時間）的三角波信號，并進行傅立葉級數(shù)展開，可得：

在有限項內(nèi)，增大（tr/T）和幅值A有利于提高各諧波分量的幅值，但(tr/T)的增大使各諧波幅值衰減比較快。若(tr/T)為一個較小的值，可保證在一個很寬的范圍內(nèi)，各諧波的幅值基本保持不變。尖脈沖電流可以產(chǎn)生類似于正弦交流電流的趨膚效應，在高頻弱磁場下，勵磁電流的頻率越高，其MI效應就越明顯。所以，利用含有豐富諧波分量的尖脈沖信號對非晶絲激勵將提高MI效應。

假設忽略諧波分量中的高頻部分，T=2tr，脈沖電流i()

t等效于具有頻率f=2πT的直流偏置余弦電流：

具有10 ns周期時間的脈沖電流相當于100 MHz左右的直流偏置余弦交流電。因此，當非晶絲被由多諧振蕩器產(chǎn)生的tr=5ns脈沖電流磁化時，可以得到超過100%/Oe的MI特性，這對設計靈敏的微型磁傳感器非常有用。同時該電路功耗非常低，這對制造大規(guī)模MI集成電路（MIIC）傳感器特別重要。此外還有一個優(yōu)點是，當需要得到線性傳感器時，可以通過施加直流偏置磁場，調(diào)節(jié)非晶材料的工作點。

2 傳感器電路

2.1 工作原理

由CMOSIC構造的利用尖脈沖MI效應磁場傳感器如圖2所示。由于CMOSIC廣泛應用于數(shù)字電路，因此傳感器電路采用CMOSIC使生產(chǎn)MIIC變?yōu)榭赡?。CMOS多諧振蕩電路由兩個CMOS非門、電阻和電容組成，所用的元件少、線路簡單、調(diào)試方便。當振蕩頻率低于1 MHz時，電路的功耗低于1 mW，且工作穩(wěn)定。利用多諧振蕩電路產(chǎn)生方波信號，再通過RC微分電路，將方波信號轉(zhuǎn)換成尖脈沖信號。尖脈沖寬度與時間常數(shù)τ1=RdCd有關，τ1越小，尖脈沖越尖，反之越寬。τ1必須遠小于輸入方波的寬度，否則就失去了波形變換的作用。但τ1太小，脈沖幅度也會相應的被削弱，這對非晶絲MI效應和后續(xù)的檢波將產(chǎn)生不利的影響。所以，要在滿足脈沖寬度條件下，取合適的Cd和Rd值，來獲得最大脈沖幅度。圖2中非門Q3是將微分電路輸出波形整形并起隔離作用。

非晶絲在尖脈沖電流勵磁下產(chǎn)生脈沖電壓信號，該電壓峰值隨外加磁場的作用而變化，通過峰值檢波電路檢測出其峰值。峰值檢波器時間常數(shù)τ2設計時注意，τ2太大輸出信號幅值明顯降低，檢波效率變差，同時，對交變磁場檢測時，信號快變部分的丟失變得嚴重。τ2太小檢波前后的信號幅值的差異變小，信號中快變分量明顯變好，但輸出信號的平滑度變差。所以使用時根據(jù)輸入信號的頻率來調(diào)整R1、C1（R2、C2）。通過峰值檢波電路被轉(zhuǎn)換為直流電壓，并放大為傳感器兩路輸出電壓Ex、Ey（Ex、Ey分別為兩個垂直放置非晶絲軸向輸出電壓值）。

圖2 傳感器電路

2.2 閉環(huán)控制

正比于Eou（tEx、Ey）的反饋磁場Hf可以有效改進磁場檢測：（1）實現(xiàn)線性檢測，消除磁滯；（2）響應速度提高10倍以上；（3）提高溫度穩(wěn)定性。這些特點可通過圖3方框圖很好地解釋，其中F為磁、電轉(zhuǎn)換系數(shù)，A是電壓放大倍數(shù)，B是由Eout到Hf的反向傳遞函數(shù)。當閉環(huán)增益|FAB|足夠大時，Eout表示為：

其中，Nf和lc分別代表反饋線圈的圈數(shù)和長度，Rf為反饋電阻。式（6），F(xiàn)中的非線性因素（包括磁滯和溫漂）被消除。

圖3 閉環(huán)傳感器原理圖

此外，傳感器的截止頻率fc表示為

其中，f0為F或前向通道增益的截止頻率，可見閉環(huán)傳感器的響應速度得到明顯提高。

3 磁場方位角檢測

3.1 磁場方位角檢測原理

地磁場是指地球和近地空間之間存在的磁場，只存在地球周圍有限的區(qū)域內(nèi)。常用磁傾角、磁偏角、地磁場水平強度（地磁場的水平分量）這3個要素來描述地磁場的大小和方向。若地磁場的大小和方向用磁場強度He表示，單位為高斯，He可分為3個分量：水平強度Heh，是He在水平面上的投影；磁偏角λ，是Heh與正北方向的夾角；磁傾角δ，是He對水平面的傾角。地磁場強度一般為0.5～0.6高斯，地磁場的水平分量指向磁北極。

目前關于磁場方位角的檢測，國內(nèi)東南大學MEMS教育部重點實驗室利用Honeywell的HMC1022雙軸磁阻傳感器設計了一種小型電子羅盤，最大誤差小于1°。南京航空航天大學以Honeywell的HMC2003三軸混合磁阻傳感器和加速度計作為底仰角、橫滾角測量傳感器，構建一種小型磁航向測量系統(tǒng)，適用于車輛、無人機等航向角測量要求［9-10］。國外，美國KVH公司采用磁通門技術生產(chǎn)的C-I00DE電子羅盤，達到精度為0.5°，分辨率為0.1°。

類似于電子羅盤原理，本磁場方位角的檢測，只需要考慮地磁場的水平分量Heh。令X軸和Y軸分別為雙軸MI傳感器的兩個敏感方向，其工作原理是測得地磁場的水平分量在其正交的兩測量軸的分量X和Y，假設X軸方向磁場分量為Hex，Y軸方向磁場分量為Hey，然后用公式α=arctan（Hey/Hex）算得方位角。本設計雙軸MI傳感器測量水平面內(nèi)兩個正交方向的磁場，為平面結構，故它只能水平放置才能保證精確度。

3.2 LabVIEW程序設計

LabVIEW是NI公司代表性產(chǎn)品，作為虛擬儀器開發(fā)平臺軟件，LabVIEW以其簡單直觀的圖形編程方式、數(shù)量較多的儀器驅(qū)動程序、數(shù)據(jù)分析處理等功能，簡化了開發(fā)過程，縮短開發(fā)時間，易于調(diào)試［11-12］。

本測量系統(tǒng)基于LabVIEW虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，在PC上以圖形化的功能界面來代替常規(guī)的傳統(tǒng)儀器操作面板，通過連接外設，很方便地對測試數(shù)據(jù)實時地進行分析和處理。由于本系統(tǒng)要求能夠進行在線實時的數(shù)據(jù)采集，故選用NI公司生產(chǎn)的PCI-6 024E多功能數(shù)據(jù)采集卡。基于PCI的總線技術具有模擬和數(shù)字輸入、輸出功能以及定時/計數(shù)功能，最高采樣率為200 ksample/s，采樣精度12位，完全滿足磁場方位角的信號采集需要。

程序設計包括前面板和程序框圖兩部分。前面板由參數(shù)設置和功能按鈕組成，后臺有相應的程序模塊與之對應。利用前面板的按鈕或控件選擇狀態(tài)，運行程序后臺執(zhí)行其對應的狀態(tài)。根據(jù)以上磁場方位角測量原理的分析，編寫圖4所示程序設計流程圖以及圖5所示程序框圖。

圖4 系統(tǒng)流程圖

圖5 程序框圖

3.3 LabVIEW測量結果

將傳感器固定在一個水平放置的回轉(zhuǎn)工作臺面上，轉(zhuǎn)臺主軸上裝有精密圓光柵，通過數(shù)字顯示裝置讀出角度值，分度精度可達±1"。數(shù)據(jù)采集卡裝于臺式PC機主板上。測量時，手動或自動方式旋轉(zhuǎn)工作臺，帶動磁場傳感器一起旋轉(zhuǎn)。傳感器轉(zhuǎn)動時，改變了磁場與傳感器的夾角，從而實現(xiàn)了磁場方位測量。系統(tǒng)運行時的前面板如圖6所示，采樣頻率設為6 000 Hz，圖6（a）、圖6（b）、圖6（c）分別為磁場與傳感器的夾角在第一、三、四象限情況下的顯示結果。

圖6 方位角顯示

本測量系統(tǒng)功能仍比較單一，編寫并不很復雜。實際應用中，根據(jù)用戶需求，可以集成更多的傳感器，通過增添界面按鈕和控件，使系統(tǒng)具備實時顯示物體三維姿態(tài)和定位等功能。利用Lab?VIEW軟件可以很方便地實現(xiàn)以上設想。

4 結束語

將MI傳感器測量到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集卡采集到計算機，再通過LabVIEW軟件進行編程，向用戶提供操作界面和顯示界面，實現(xiàn)磁場方位角數(shù)據(jù)采集、傳遞、處理和顯示。結果表明，系統(tǒng)結構簡單、界面良好、易于操作、測量準確，可以滿足磁場方位角檢測的需要。

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蔣 峰（1981-），男，漢族，江蘇鹽城人，碩士，現(xiàn)為江蘇信息職業(yè)技術學院機電工程系講師，主要從事傳感器以及檢測技術研究，jf_415@126.com。