彭景

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢430074）

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基于LabVIEW的GMI效應(yīng)多參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)

彭景

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢430074）

摘要：采用自動(dòng)平衡電橋法，測(cè)量產(chǎn)生巨磁阻抗效應(yīng)時(shí)軟磁材料的阻抗和幅角值。利用直流電源、亥姆霍茲線圈、阻抗分析儀等儀器搭建一套巨磁阻抗多參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，并采用虛擬儀器技術(shù)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行編程控制。通過(guò)對(duì)商用Vitrovac6025帶材進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)材料在不同頻率下均表現(xiàn)出很強(qiáng)的巨磁阻抗效應(yīng)；并且材料的巨磁阻抗效應(yīng)隨頻率的增大先增大再減小，在5 MHz達(dá)到最大160%；同時(shí)，發(fā)現(xiàn)材料的幅角也隨磁場(chǎng)變化表現(xiàn)出與阻抗類似的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該測(cè)量系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確性與高效性。

關(guān)鍵詞：巨磁阻抗效應(yīng)；LabVIEW；多參數(shù)；自平衡電橋法；幅角值

0　引言

1992年，日本名古屋大學(xué)Mohri教授等[1-2]在CoFeSiB軟磁非晶絲中發(fā)現(xiàn)了巨磁阻抗效應(yīng)（giant magneto-impedance，GMI），其阻抗變化率ΔZ/Z在幾Oe磁場(chǎng)作用下可達(dá)50%，比金屬多層膜Fe/Cu或Co/Ag在低溫且高磁場(chǎng)強(qiáng)度下觀察到的巨磁電阻效應(yīng)高一個(gè)數(shù)量級(jí)。由于巨磁阻抗效應(yīng)具有靈敏度高、反應(yīng)快和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，所以其在傳感器技術(shù)和磁記錄技術(shù)中具有較大的應(yīng)用潛能[3]。

郭成銳等[4]利用NI公司的PXI-1000B構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)機(jī)箱，通過(guò)波形發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)，完成了在不同頻率下對(duì)非晶絲阻抗特性的研究。楊介信等[5]利用隔離變換器、高頻信號(hào)發(fā)生器、可變電源等器件設(shè)計(jì)了一套GMI效應(yīng)的測(cè)量系統(tǒng)，在測(cè)量的穩(wěn)定性和靈敏度方面取得了較好的效果。但是目前的GMI測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量范圍過(guò)于狹窄，測(cè)量參數(shù)的種類過(guò)于單一，而且測(cè)量系統(tǒng)的自動(dòng)化程度不高。

為了解材料的巨磁阻抗特性，本文設(shè)計(jì)了一套在不同外部條件下，能夠?qū)Σ牧系母黜?xiàng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠極大地提升研究效率，減少測(cè)量時(shí)間，為GMI效應(yīng)的研究提供方便快捷的研究平臺(tái)。

1　GMI測(cè)量原理及硬件組成

1.1GMI測(cè)量原理

當(dāng)軟磁材料通過(guò)一個(gè)小的交流電時(shí)，其交流阻抗隨外界磁場(chǎng)的變化而變化[6]。巨磁阻抗變化率ZGMI可以定義為

式中：Z（0），Z（H）——外磁場(chǎng)為0和H下材料的阻抗值；

V（0），V（H）——外磁場(chǎng)為0和H下材料兩端的電壓幅值[7]。

由此，便能通過(guò)阻抗分析儀來(lái)測(cè)量材料的阻抗和幅角，阻抗、幅角均為無(wú)量綱參數(shù)。

圖1　高頻時(shí)阻抗分析儀的自動(dòng)平衡電橋電路

1.2測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的GMI測(cè)量是測(cè)量材料的阻抗隨外加磁場(chǎng)的變化，為了能夠更準(zhǔn)確地確定GMI傳感器的靜態(tài)工作點(diǎn)[8]，需全面了解產(chǎn)生巨磁阻抗效應(yīng)時(shí)，材料其他參數(shù)的變化規(guī)律，因此該測(cè)量系統(tǒng)必須能夠?qū)Σ牧系亩喾N參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

圖2為GMI多參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的原理框圖，主要由電流源、亥姆霍茲線圈、阻抗分析儀3部分構(gòu)成。通過(guò)電流源控制亥姆霍茲線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，材料放置方向與磁場(chǎng)方向一致。阻抗分析儀給材料提供激勵(lì)電流并記錄材料的阻抗和幅角值。在進(jìn)行GMI測(cè)量時(shí)，GMI材料固定在夾具上，夾具中兩根探針壓在GMI材料上用作電極，兩針間的距離可隨意調(diào)整以適應(yīng)不同長(zhǎng)度的材料。整個(gè)夾具以及材料放置于亥姆霍茲線圈中心，所以阻抗分析儀需要通過(guò)測(cè)試線延伸到外面與夾具進(jìn)行連接。

圖2中亥姆霍茲線圈用于產(chǎn)生均勻的直流磁場(chǎng)，線圈中心勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)的磁感應(yīng)強(qiáng)度可用下式計(jì)算：

圖2　GMI多參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)原理圖

當(dāng)線圈半徑R、線圈匝數(shù)N確定后，就可以通過(guò)控制電流I來(lái)達(dá)到控制磁場(chǎng)的目的。

圖3是測(cè)得亥姆霍茲線圈中心磁場(chǎng)與電流關(guān)系的曲線圖，可以看出磁場(chǎng)與電流有較好的線性度。

圖3　亥姆霍茲線圈實(shí)測(cè)B-I曲線

電源部分采用YL2410直流穩(wěn)流電源，電流輸出范圍-5～5 A，步進(jìn)分辨率1 mA。為了減小外界環(huán)境對(duì)測(cè)量的影響，將測(cè)量材料放置于磁屏蔽桶中，磁屏蔽桶能產(chǎn)生一個(gè)幾乎零磁空間，方便對(duì)磁性材料進(jìn)行測(cè)量[9]。設(shè)計(jì)的磁屏蔽桶采用內(nèi)外層為鋁層、中間層為高導(dǎo)磁坡莫合金的結(jié)構(gòu)，屏蔽腔內(nèi)剩磁＜1nT。

2　GMI測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

GMI測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)的程序流程如下：1）初始化，主要檢查計(jì)算機(jī)與測(cè)量?jī)x器間的通信是否正常，并將所有控件恢復(fù)到默認(rèn)狀態(tài)。2）設(shè)置測(cè)量系統(tǒng)基本參數(shù)值，包括阻抗分析儀的參數(shù)設(shè)置、GMI效應(yīng)測(cè)量頻點(diǎn)的設(shè)置、測(cè)量磁場(chǎng)范圍以及該范圍內(nèi)測(cè)量點(diǎn)數(shù)的設(shè)置等。3）對(duì)材料的參數(shù)值進(jìn)行測(cè)量，首先按上一步中設(shè)置的磁場(chǎng)范圍和該范圍內(nèi)測(cè)量點(diǎn)數(shù)控制產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，然后在該磁場(chǎng)下對(duì)GMI材料按設(shè)置的頻點(diǎn)進(jìn)行阻抗掃頻測(cè)量，計(jì)算機(jī)接收測(cè)量數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并且在顯示圖中繪制曲線。重復(fù)以上測(cè)量步驟，直到最后一個(gè)磁場(chǎng)下阻抗測(cè)量完畢，最后保存所有測(cè)量數(shù)據(jù)，結(jié)束程序運(yùn)行。

測(cè)量系統(tǒng)由LabVIEW語(yǔ)言[10]編程控制，整個(gè)軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)設(shè)置、GMI測(cè)量、保存曲線、記錄查詢4個(gè)部分。系統(tǒng)設(shè)置模塊對(duì)測(cè)量環(huán)境參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置，保存曲線模塊對(duì)最終的曲線圖進(jìn)行保存操作，記錄查詢模塊可以通過(guò)樣片編號(hào)直接查找到相應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)和圖形。

GMI測(cè)量模塊為軟件的核心部分，該部分不同于傳統(tǒng)的單頻率單參數(shù)測(cè)量，而是采用并行處理進(jìn)行測(cè)量，在不同的外部條件下同時(shí)測(cè)量材料兩組不同的參數(shù)值，構(gòu)建出各參數(shù)值隨外磁場(chǎng)變化的曲線圖。依次對(duì)8個(gè)不同頻率下的參數(shù)進(jìn)行循環(huán)測(cè)量，根據(jù)采樣次數(shù)，同一頻率下的參數(shù)值測(cè)量N次，進(jìn)行均方差處理，剔除大于3倍均方差的測(cè)量值，余下的值求平均值即為最終參數(shù)的測(cè)量值。參數(shù)1、參數(shù)2通過(guò)并行處理同時(shí)測(cè)量，將得到的值分別與磁場(chǎng)值進(jìn)行捆綁處理，為能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示兩條曲線，在for循環(huán)里創(chuàng)建移位寄存器，將捆綁后得到的簇與移位寄存器創(chuàng)建數(shù)組，得到的參數(shù)1和磁場(chǎng)構(gòu)成的數(shù)組即為參數(shù)1曲線，同理，參數(shù)2和磁場(chǎng)構(gòu)成的數(shù)組即為參數(shù)2曲線。將兩數(shù)組進(jìn)行創(chuàng)建簇?cái)?shù)組操作，就能在XY圖里動(dòng)態(tài)地觀察到兩個(gè)參數(shù)隨磁場(chǎng)值變化的趨勢(shì)。

圖4為編寫(xiě)的GMI多參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)行界面。通過(guò)切換不同功能按鈕，可以對(duì)程序進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、GMI測(cè)量、保存曲線和查詢記錄操作。測(cè)量開(kāi)始后，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)地顯示參數(shù)1、參數(shù)2隨磁場(chǎng)的變化趨勢(shì)，不同頻率下的圖像都可以選擇觀察。

3　測(cè)量結(jié)果分析

圖4　GMI測(cè)量系統(tǒng)的運(yùn)行界面

利用研制的測(cè)量系統(tǒng)對(duì)長(zhǎng)15.4mm、寬4.1mm的商用Vitrovac6025帶材[11]進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)。圖5是材料的阻抗和幅角在頻率40 MHz激勵(lì)電流下隨磁場(chǎng)變化的曲線圖，由圖可見(jiàn)，在40 MHz頻率下材料的巨磁阻抗效應(yīng)高達(dá)50%。同時(shí)，可以看出該測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)Σ牧蟽蓚€(gè)不同參數(shù)的變化情況進(jìn)行同時(shí)測(cè)量。該測(cè)量結(jié)果同時(shí)也初步表明幅角隨外磁場(chǎng)也表現(xiàn)出與阻抗類似的規(guī)律性。圖6是材料在不同頻率下的GMI效應(yīng)大小的曲線圖，從圖中可以看出材料的GMI效應(yīng)隨著激勵(lì)電流頻率的增加有一個(gè)先增大后減小的過(guò)程。其中在5 MHz頻率處材料的GMI效應(yīng)達(dá)到了最大值約為160%。測(cè)量系統(tǒng)在不同頻率下都能測(cè)得比較準(zhǔn)確的GMI曲線。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Kurlyandskaya G V等[12]對(duì)Vitrovac6025帶材的磁性能和巨磁阻抗效應(yīng)的研究結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，雙方結(jié)果具有高度的一致性，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)不僅能對(duì)阻抗、幅角進(jìn)行測(cè)量，而且測(cè)量準(zhǔn)確度高。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)GMI測(cè)量原理進(jìn)行分析，選取測(cè)量范圍廣、測(cè)量準(zhǔn)確度高的自動(dòng)平衡電橋法作為測(cè)量原理。搭建硬件系統(tǒng)，利用LabVIEW軟件編寫(xiě)GMI測(cè)量程序，構(gòu)建一整套的GMI多參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)軟磁材料樣品的測(cè)量結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)材料阻抗隨磁場(chǎng)的變化曲線與Kurlyandskaya G V等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果大致相同，論證了該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)幅角隨磁場(chǎng)的變化也表現(xiàn)出與阻抗類似的規(guī)律性，為后續(xù)的研究提供了初步的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

圖5　測(cè)量系統(tǒng)在40MHz測(cè)得的曲線圖

圖6　材料在不同頻率下的GMI曲線圖

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（編輯：莫婕）

LabVIEW-based GMI effect multi-parameter measurement system

PENG Jing
（School of Automation，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

Abstract:Automatic bridge balance was used to measure the impedance and argument of soft magnetic materials when Giant Magneto-Impedance（GMI）effect was generated. A GMI measurement system was formed by DC power supply，Helmholtz coils，an impedance analyzer and other instruments and programmed by virtual instrument technology. According to the tests on commercial ribbons Vitrovac6025，found that the magnetic materials exhibited high GMI effects，which first increased and then decreased with the frequency and reached the maximum （160%）at 5 MHz. The arguments of these materials were seen varying with the magnetic field at the same pace as the impedance. The experimental results have proved the accuracy and efficiency of the system.

Keywords:giant magneto-impedance；LabVIEW；multi-parameter；automatic bridge balance method；argument

作者簡(jiǎn)介：彭景（1990-），男，湖北天門(mén)市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)榇艂鞲衅鞯哪M與研制。

收稿日期：2015-05-29；收到修改稿日期：2015-07-02

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.02.020

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5124（2016）02-0088-04