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        基于Analog Discovery 2的巨磁阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

        2019-09-26 02:07:46白洪亮李會(huì)杏吳興偉李雪春
        物理實(shí)驗(yàn) 2019年9期
        關(guān)鍵詞:螺線管磁阻器件

        白洪亮,張 鵬,溫 昕,姚 志,李會(huì)杏,吳興偉,李雪春

        (大連理工大學(xué) 基礎(chǔ)物理國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,遼寧 大連 116024)

        巨磁阻效應(yīng)是量子力學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)現(xiàn)象,可以在磁性材料和非磁性材料相間的多層薄膜(每層只有1個(gè)到幾個(gè)原子層厚)結(jié)構(gòu)中被觀察到. 巨磁阻效應(yīng)曾經(jīng)具有重要的商業(yè)應(yīng)用價(jià)值,被廣泛應(yīng)用到硬盤磁頭上,又具有重要的科學(xué)意義,引導(dǎo)開辟了自旋電子學(xué)這一全新科學(xué)領(lǐng)域[1]. 巨磁阻效應(yīng)的主要發(fā)現(xiàn)者費(fèi)爾(Albert Fert)和格林貝格爾(Peter Grünberg)獲得了2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng). 巨磁阻效應(yīng)既涉及到自旋電子學(xué)這一前沿科學(xué)領(lǐng)域,應(yīng)用中又與電橋、磁電信號(hào)的激發(fā)與轉(zhuǎn)換等技術(shù)緊密聯(lián)系[2],適合作為綜合性、開放性題目引入到物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中[3]. 口袋式儀表Analog Discovery 2具有接口豐富、性能穩(wěn)定、價(jià)格實(shí)惠的優(yōu)點(diǎn),可以替代實(shí)驗(yàn)室中常用的很多儀表[4-6]. 嘗試將Analog Discovery 2應(yīng)用于巨磁阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,由其接管各類信號(hào)的供給、檢測(cè)以及分析工作,借助其配套控制軟件WaveForms豐富而強(qiáng)大的功能,將大量低層次的重復(fù)勞動(dòng)交由計(jì)算機(jī)和軟件完成,學(xué)生將有限的時(shí)間投入到更具有創(chuàng)造性和探索性的工作中,提高了實(shí)驗(yàn)的效率和開放性.

        1 巨磁阻效應(yīng)

        產(chǎn)生巨磁阻效應(yīng)的基本結(jié)構(gòu)是多層膜結(jié)構(gòu),主要包括2類導(dǎo)電層:鐵磁層和非鐵磁層. 如圖1所示,無外磁場(chǎng)時(shí),相鄰的2層鐵磁膜在反鐵磁作用下磁化方向相反(狀態(tài)1);當(dāng)外界磁場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí),鐵磁膜的磁化方向與外磁場(chǎng)方向趨同(狀態(tài)2). 自由電子在鐵磁膜之間運(yùn)動(dòng)時(shí),在狀態(tài)2遇到的阻礙作用要小于狀態(tài)1,宏觀上看巨磁阻器件呈現(xiàn)出低磁場(chǎng)高阻態(tài)、高磁場(chǎng)低阻態(tài)的特點(diǎn). 正是巨磁阻器件的這一特點(diǎn)使其成為理想的磁敏傳感器[7].

        圖1 巨磁阻器件的R-B特征曲線

        實(shí)際使用時(shí),為了消除溫度等環(huán)境因素對(duì)測(cè)量的影響,提高測(cè)量精度,巨磁阻傳感器一般采用橋式結(jié)構(gòu). 如圖2所示,電橋由4個(gè)相同的巨磁阻器件組成,在無磁場(chǎng)情況下阻值都為R. 電橋左下和右上對(duì)角位置的2個(gè)巨磁阻器件因表面覆蓋有高磁導(dǎo)率的材料而對(duì)磁場(chǎng)不敏感,即使在磁場(chǎng)中阻值也不會(huì)變化;左上和右下對(duì)角位置的巨磁阻器件則直接暴露于磁場(chǎng)之中,阻值隨磁場(chǎng)變化而改變.

        圖2 等臂電橋結(jié)構(gòu)的巨磁阻傳感器

        設(shè)橋式巨磁阻傳感器輸入端VIN+和VIN-之間的電勢(shì)差為VIN,輸出端VOUT+和VOUT-之間的電勢(shì)差為VOUT,無外磁場(chǎng)時(shí),因所有巨磁阻器件阻值相同,VOUT=0;當(dāng)外磁場(chǎng)不為零時(shí),暴露于磁場(chǎng)的巨磁阻器件阻值減小ΔR,變?yōu)镽-ΔR,則輸出端電勢(shì)差VOUT不再為0,其與ΔR的關(guān)系為

        (1)

        相比于ΔR,磁阻相對(duì)變化量ΔR/R更具有實(shí)際應(yīng)用意義,因而是巨磁阻傳感器最為重要的參量之一. 式(1)改寫為

        (2)

        2 Analog Discovery 2簡(jiǎn)介

        Analog Discovery 2(簡(jiǎn)稱AD2)是Digilent公司推出的第2代模擬電路設(shè)計(jì)套件,包括硬件和軟件2部分. 硬件部分主要包括多組模擬信號(hào)接口和16個(gè)數(shù)字信號(hào)接口. 軟件部分被稱為WaveForms(簡(jiǎn)稱WFs),可以免費(fèi)在電腦上安裝使用,并支持Digilent出品的其他硬件[5,8]. AD2的硬件部分還支持LabVIEW編程控制. 硬件和軟件之間的通訊通過USB數(shù)據(jù)線完成. 依靠WFs軟件,AD2可以被同時(shí)配置為包括示波器、信號(hào)發(fā)生器、直交流電源、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器、頻譜儀和邏輯分析儀等在內(nèi)的各類儀表,WFs豐富的數(shù)據(jù)處理和支持腳本操控的功能,還可以幫助使用者完成更高層次、更多樣化的測(cè)試需要.

        AD2的硬件接口(如圖3所示)非常豐富,包括模擬通道和數(shù)字通道,各接口的相關(guān)情況可以通過查閱使用手冊(cè)獲得. AD2自帶的接口是針形接口,但是可以通過適配器轉(zhuǎn)為BNC+針形接口. 針形接口適用于靜態(tài)或者低頻信號(hào)測(cè)試,BNC適用于高頻信號(hào)或者對(duì)環(huán)境干擾非常敏感的測(cè)量任務(wù). 2類接口支持的信號(hào)種類有所差別,針形接口同時(shí)支持差分信號(hào)和單端信號(hào),BNC接口則只能支持單端信號(hào)(另一端必須接地). 考慮到本系統(tǒng)對(duì)各類通道需求比較多,信號(hào)頻率也處于低頻段,所以只采用了AD2的針形接口作為模擬和數(shù)字信號(hào)的通道.

        圖3 Analog Discovery 2的數(shù)據(jù)接口

        3 基于AD2的巨磁阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀

        設(shè)計(jì)的巨磁阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀包含了3個(gè)基本功能:測(cè)量巨磁阻器件的R-B特征曲線,利用巨磁阻傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速,對(duì)小角位移定標(biāo)和測(cè)量. 3個(gè)功能所用的巨磁阻傳感器完全相同,都是NVE的AA002-02E 橋式巨磁阻傳感器. 傳感器被焊接在電路板上,并通過導(dǎo)線與AD2的相關(guān)接口接通. 巨磁阻傳感器的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)由AD2提供和測(cè)量.

        R-B特征曲線測(cè)量需要引入可變磁場(chǎng),本系統(tǒng)中用螺線管來提供,并用AD2的交流信號(hào)接口提供勵(lì)磁電流. 對(duì)于不同的巨磁阻傳感器,其飽和場(chǎng)會(huì)有所差別,受最大輸出功率和輸出電壓限制,單純依靠AD2驅(qū)動(dòng)螺線管可能無法使傳感器飽和,因而有時(shí)需要額外增加線性功率信號(hào)放大器對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大. 系統(tǒng)采用了JUNTEK的DPA-698對(duì)螺線管驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了增壓. 圖4給出了測(cè)量巨磁阻器件R-B特征曲線接線圖. 橋式巨磁阻傳感器的直流輸入電壓VIN由直流電壓供電接口V+和V-接口提供,螺線管的勵(lì)磁電流和直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流由交流信號(hào)供給接口W1(同時(shí)支持直流偏置信號(hào))和接地接口↓提供. 螺線管內(nèi)軸線上磁場(chǎng)的大小和方向用間接方法獲得. 將小阻值定值電阻R0與W1及螺線管串聯(lián),通過1+和1-接口測(cè)量定值電阻兩端的電壓VR0. 螺線管內(nèi)軸線處磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度最終可以通過

        得出. 巨磁阻傳感器的輸出電壓VOUT由示波器接口2+和2-實(shí)時(shí)測(cè)得.

        圖4 巨磁阻器件的R-B特征曲線測(cè)試接線圖

        測(cè)量轉(zhuǎn)速功能的連接方式與前面類似. 選用直流電機(jī)產(chǎn)生高速運(yùn)動(dòng),通過在電機(jī)軸上加裝條狀磁鐵,可以獲得與電機(jī)同周期變化的磁場(chǎng),繼而用巨磁阻傳感器測(cè)出磁場(chǎng)變化得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速. 該功能的連線方式見圖5.

        圖5 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量接線圖

        小角位移的定標(biāo)和測(cè)量功能與測(cè)轉(zhuǎn)速的功能類似,出于實(shí)現(xiàn)小角度的快速定標(biāo)和準(zhǔn)確測(cè)量的考慮,又做了較多的改進(jìn):用15個(gè)齒的齒輪狀磁體替代條狀磁鐵,提高轉(zhuǎn)動(dòng)過程的角分辨能力;用轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角可以嚴(yán)格控制的步進(jìn)電機(jī)替代直流電機(jī),提高實(shí)驗(yàn)效率,豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容;將兩者軸連到一起,并用AD2的數(shù)字通道通過CW250驅(qū)動(dòng)器(1/8細(xì)分)來控制步進(jìn)電機(jī)(固有步進(jìn)角1.8°)的轉(zhuǎn)動(dòng)過程,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)過程的自動(dòng)和精細(xì)控制.

        為了能讓巨磁阻傳感器在線性區(qū)間工作,在巨磁阻傳感器的另一側(cè)加入1塊條形磁鐵提供偏置磁場(chǎng). 預(yù)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)條狀磁鐵、巨磁阻傳感器及齒輪狀磁體的相對(duì)位置及形狀對(duì)于測(cè)試結(jié)果影響很大,為了便于觀察相關(guān)因素帶來的影響,將各主要部分的支架換成了可以三維移動(dòng)的架臺(tái),并給條狀磁鐵配備了不同材質(zhì)和形狀的導(dǎo)磁頭. 這些設(shè)計(jì)融合了多種實(shí)驗(yàn)技術(shù)和思想,使得實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的科學(xué)性得到了提高,特別適合開設(shè)探索性、綜合性和研究性項(xiàng)目. 圖6給出了用AD2采集巨磁阻傳感器信號(hào)和控制步進(jìn)電機(jī)的連線示意圖及實(shí)物.

        (b)圖6 步進(jìn)電機(jī)的角位移測(cè)量實(shí)物圖及接線圖

        4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        圖7給出了基于圖4的巨磁阻傳感器R-B特征曲線測(cè)試界面的截圖. 從左上到右下4個(gè)窗口分別為示波器Y-T模式窗口、X-Y模式窗口、直流電源控制窗口和交流信號(hào)控制窗口. 在X-Y模式窗口中可以看到未經(jīng)處理的VOUT-VR0曲線. 雖然與要測(cè)的R-B特征曲線有差別,但是仍然可以清楚地看出在VR0=0附近存在2個(gè)分立的峰,這正是巨磁阻傳感器的典型特征.

        圖7 R-B特征曲線測(cè)量界面

        利用WFs軟件示波器功能里Y通道的定制功能,可以增加基于已有通道和函數(shù)的新通道并在示波器界面中予以顯示. 將VR0,N等參量的數(shù)值以及VOUT和VR0通道的數(shù)據(jù)代入式(2),可以進(jìn)一步得到2個(gè)新的數(shù)據(jù)通道ΔR/R和B(圖8左側(cè)),將其引入X-Y模式顯示窗口可以得到如圖8右側(cè)所示的巨磁阻傳感器R-B特征曲線. 改變勵(lì)磁電壓的頻率,還可以進(jìn)一步觀察巨磁阻傳感器在不同動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)中的R-B特征曲線的變化規(guī)律.

        圖8 經(jīng)過數(shù)學(xué)處理后的R-B特征曲線測(cè)試結(jié)果

        圖9為用巨磁阻傳感器測(cè)量直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)驗(yàn)結(jié)果. 用AD2的示波器功能可以輕松得到VOUT的周期性曲線,再用Measurement功能可以自動(dòng)求出電機(jī)的轉(zhuǎn)速(頻率).

        圖9 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量界面

        圖10為用示波器功能測(cè)量步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的測(cè)量界面. 由于齒輪狀磁鐵導(dǎo)致磁場(chǎng)的變化周期變?yōu)榱瞬竭M(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)周期的1/15,如果能更加準(zhǔn)確地確定VOUT曲線與轉(zhuǎn)動(dòng)角度的關(guān)系,則可以用巨磁阻傳感器測(cè)量小角位移. 由圖10中曲線周期及齒狀磁鐵齒數(shù)(15齒)可以推出步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是22.86°/s,而根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)脈沖頻率(100 Hz)和驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)(1/8)可推得步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為22.50°/s,兩者相差1.6%,測(cè)量的準(zhǔn)確性較為理想. 由于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)是步進(jìn)式,每1步所用時(shí)間相同,角度固定,所以VOUT-t曲線中的時(shí)間軸標(biāo)度與轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系,1個(gè)周期對(duì)應(yīng)24°. 若僅測(cè)量小角位移,可以選取VOUT-t曲線中平均位置附近近似線性變化的區(qū)域作為測(cè)量區(qū)間,可以更好地降低測(cè)量不確定度.

        圖10 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角測(cè)量界面

        5 結(jié)束語

        基于口袋式儀表AD2設(shè)計(jì)了巨磁阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),該系統(tǒng)具有開放性、通用性、綜合性等特點(diǎn). 利用此系統(tǒng),學(xué)生可以自由靈活地開展與巨磁阻效應(yīng)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,了解巨磁阻這一重要的物理現(xiàn)象及應(yīng)用,還可以借此掌握具有普遍意義的物理實(shí)驗(yàn)思想、實(shí)驗(yàn)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)工具,實(shí)現(xiàn)知識(shí)的融會(huì)貫通和相互遷移.

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