邵先亦， 杜達(dá)敏

（臺(tái)州學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，浙江臺(tái)州318000）

0 引 言

巨磁阻抗（Giant Magneto Impedawce，GMI）效應(yīng)［1］是軟磁材料交流阻抗在外磁場(chǎng)作用下發(fā)生劇烈變化的現(xiàn)象。GMI效應(yīng)具有10－8～102Oe弱磁場(chǎng)檢測(cè)能力和高達(dá)500% ／Oe磁場(chǎng)靈敏度［2］，且響應(yīng)快、非接觸、穩(wěn)定性好，廣泛應(yīng)用于智能檢測(cè)、自動(dòng)控制等領(lǐng)域，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)磁傳感器的不足，受到人們廣泛關(guān)注。要表征材料GMI特性，需要測(cè)量幾十個(gè)甚至上百個(gè)不同頻率和不同磁場(chǎng)下的阻抗數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的手動(dòng)測(cè)量方式，不僅耗時(shí)費(fèi)力，容易造成人為錯(cuò)誤，而且無法直觀并即時(shí)地反映測(cè)量結(jié)果。后續(xù)數(shù)據(jù)處理，更要付出大量的勞動(dòng)，才能繪制出GMI特性曲線并對(duì)材料GMI性能作出評(píng)價(jià)。實(shí)現(xiàn)GMI效應(yīng)測(cè)量和數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化，讓測(cè)試人員和客戶從繁復(fù)的測(cè)試和數(shù)據(jù)處理工作中解放出來，這對(duì)于提高測(cè)試效率，節(jié)約勞動(dòng)成本有重要意義。隨著智能儀器的快速發(fā)展，高精度、高性能阻抗分析儀在電子元器件和材料性能測(cè)試［3-4］中的應(yīng)用越來越廣泛，精密阻抗分析儀已成為高校材料GMI性能測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)配置［5-7］。目前精密阻抗分析儀以進(jìn)口為主，價(jià)格高達(dá)十幾萬甚至幾十萬元，實(shí)現(xiàn)高效、自動(dòng)測(cè)量對(duì)于提高設(shè)備使用效益有現(xiàn)實(shí)意義。

LabVIEW虛擬儀器以其直觀的圖形化編輯語言，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理優(yōu)勢(shì)，被業(yè)界視為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，在測(cè)量和自動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛［8-10］?；贚abVIEW虛擬儀器技術(shù)，國(guó)內(nèi)有部分高校開展了GMI效應(yīng)自動(dòng)測(cè)量的相關(guān)研究和開發(fā)工作。郭成銳等［11］基于PXI總線數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW虛擬儀器，構(gòu)建了巨磁阻抗測(cè)量系統(tǒng)，能夠滿足一般GMI材料性能測(cè)試要求，但是由于受硬件條件限制，無法實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)連續(xù)變化情況下磁阻抗自動(dòng)測(cè)量。針對(duì)精密阻抗分析儀，開發(fā)了基于LabVIEW虛擬儀器的GMI效應(yīng)多參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)［12］，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)可選頻率下的磁阻抗測(cè)量、曲線保存和記錄查詢等功能，但未能實(shí)現(xiàn)掃頻和掃磁場(chǎng)聯(lián)合自動(dòng)測(cè)量以及GMI數(shù)據(jù)自動(dòng)處理和特性曲線呈現(xiàn)。本文利用精密阻抗分析儀、可編程直流穩(wěn)壓電源，基于LabVIEW虛擬儀器，開發(fā)了GMI效應(yīng)自動(dòng)測(cè)量和數(shù)據(jù)自動(dòng)處理系統(tǒng)，適用于一般軟磁材料GMI效應(yīng)的測(cè)量和研究，和面向本科生開展GMI效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)。

1 GMI測(cè)量原理

GMI效應(yīng)測(cè)量原理如圖1所示。軟磁材料試樣置于由亥姆霍茲線圈提供的直流外磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)大小通過調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源輸出電流來改變。阻抗分析儀與試樣之間通過4端線連接，阻抗分析儀輸出等幅振蕩電流流過試樣，同時(shí)通過自動(dòng)平衡電橋技術(shù)測(cè)量試樣在外磁場(chǎng)作用下的阻抗。由于材料磁滯效應(yīng)，連續(xù)瞬變的磁場(chǎng)會(huì)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)造成影響，加上測(cè)量平均次數(shù)要求，因此要求每個(gè)磁場(chǎng)持續(xù)一定時(shí)間，產(chǎn)生如圖2所示的階梯狀周期變化磁場(chǎng)。磁阻抗測(cè)量通常采用2種方式：①測(cè)量每個(gè)固定磁場(chǎng)下試樣隨頻率變化的阻抗值（掃頻方式）；②測(cè)量每個(gè)固定頻率下試樣隨外磁場(chǎng)變化的阻抗值（掃磁場(chǎng)方式）。一般精密阻抗分析儀都具有掃頻功能，故采用掃頻方式測(cè)量比較方便［13］。

圖1 GMI效應(yīng)測(cè)量示意圖

圖2 階梯狀磁場(chǎng)示意圖

磁阻抗比隨頻率變化特性和不同頻率下隨外磁場(chǎng)變化特性是反映材料GMI性能的兩個(gè)最重要的特性曲線，如圖3所示。

圖3 GMI特性曲線

圖3 （a）為材料GMI效應(yīng)隨頻率變化特性和GMI最佳響應(yīng)頻率，其中磁阻抗比ΔZ／Zm定義為零磁場(chǎng)阻抗相對(duì)于最大磁場(chǎng)阻抗變化的百分比：

式中：Z0和Zm分別為樣品在磁場(chǎng)為0和最大磁場(chǎng)時(shí)的阻抗。圖3（b）為特定頻率下材料GMI隨外磁場(chǎng)變化特性，這里磁阻抗比ΔZ／Z定義為某一頻率下外磁場(chǎng)為H時(shí)的阻抗相對(duì)于最大磁場(chǎng)阻抗變化的百分比：

式中：ZH為樣品在磁場(chǎng)為H時(shí)的阻抗。因此，要表征材料GMI特性，需要測(cè)量不同外磁場(chǎng)和不同頻率的阻抗數(shù)據(jù)。

2 GMI效應(yīng)自動(dòng)測(cè)量和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的開發(fā)

2.1 總體設(shè)計(jì)方案

本測(cè)量系統(tǒng)硬件由電腦、精密阻抗分析儀、IT6164可編程直流穩(wěn)壓電源和亥姆霍茲線圈組成。根據(jù)GMI效應(yīng)測(cè)量原理，實(shí)現(xiàn)4個(gè)基本功能：端口通信與儀器控制；產(chǎn)生階梯變化磁場(chǎng)；采集阻抗數(shù)據(jù)生成報(bào)表；數(shù)據(jù)處理與結(jié)果表達(dá)。程序采用順序結(jié)構(gòu)模式，各單元功能模塊相對(duì)獨(dú)立，集中控制，工作流程如圖4所示。

圖4 GMI自動(dòng)測(cè)量與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)流程圖

2.2 虛擬儀器開發(fā)

（1）端口通信與儀器控制。LabVIEW VISA是儀器標(biāo)準(zhǔn)的I／O應(yīng)用程序編程接口，利用VISA通過RS-232串口、GPIB端口分別對(duì)直流穩(wěn)壓電源和阻抗分析儀進(jìn)行通信和控制。端口通信參數(shù)設(shè)置程序前面板如圖5所示，穩(wěn)壓電源串口設(shè)置包括設(shè)定端口號(hào)、波特率、停止位、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位等；阻抗分析儀設(shè)置包括設(shè)置端口地址、選擇測(cè)量參數(shù)、信號(hào)及其掃描參數(shù)、采樣點(diǎn)數(shù)、測(cè)量數(shù)據(jù)平均次數(shù)等。

圖5 參數(shù)設(shè)置程序前面板

（2）階梯變化磁場(chǎng)的產(chǎn)生。由亥姆霍茲線圈磁場(chǎng)與電流關(guān)系：

式中：N為線圈匝數(shù)；r為線圈有效半徑；I為流經(jīng)線圈的電流?？傻么艌?chǎng)H與電流I呈線性關(guān)系。通過串口寫入穩(wěn)壓電源SCPI電流輸出指令，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生和控制。階梯磁場(chǎng)程序框圖如圖6所示，包括電源輸出開啟，F(xiàn)or循環(huán)逐一寫入SCPI指令、循環(huán)結(jié)束、關(guān)閉串口3部分。具體測(cè)量中，可通過修改電流指令字符串來改變磁場(chǎng)的大小及步幅。通過在For循環(huán)中設(shè)定定時(shí)器，設(shè)定每個(gè)電流輸出（即磁場(chǎng)）保持時(shí)間，產(chǎn)生波形如圖2所示的階梯變化磁場(chǎng)，同時(shí)滿足測(cè)量數(shù)據(jù)平均次數(shù)時(shí)間要求。

圖6 階梯磁場(chǎng)程序框圖

（3）采集數(shù)據(jù)生成報(bào)表。數(shù)據(jù)采集與報(bào)表生成程序段如圖7（a）所示，將數(shù)據(jù)采集程序中的點(diǎn)劃虛線框部分套嵌入電源控制程序的事件結(jié)構(gòu)中，即可實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)變化與數(shù)據(jù)采集同步。GMI效應(yīng)研究通常需要分析阻抗實(shí)部R和虛部X對(duì)材料GMI特性的影響，因此A、B通道測(cè)量參數(shù)一般設(shè)置為“R-X”。其工作過程是：首先由For循環(huán)對(duì)每一磁場(chǎng)下的A、B通道掃頻數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，每次采集的數(shù)據(jù)經(jīng)位移寄存器循環(huán)索引存入二維數(shù)組，同時(shí)經(jīng)簇函數(shù)捆綁后，由X-Y圖實(shí)時(shí)顯示掃頻曲線；其次采集到的A、B通道掃頻數(shù)據(jù)經(jīng)二維數(shù)組轉(zhuǎn)置后，按設(shè)定的路徑一次性寫入Excel文件，生成如圖7（b）所示的按磁場(chǎng)分列的阻抗實(shí)部R（虛部報(bào)表格式相同，未給出）掃頻數(shù)據(jù)Excel報(bào)表；之后利用ActiveX選板按對(duì)應(yīng)列提取Excel報(bào)表R、X數(shù)據(jù)，根據(jù)經(jīng)數(shù)組運(yùn)算，生成阻抗Z的Excel報(bào)表。報(bào)表生成程序可為研究人員節(jié)省大量的數(shù)據(jù)整理時(shí)間，并方便后續(xù)利用繪圖軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖7 數(shù)據(jù)采集與報(bào)表生成

（4）數(shù)據(jù)處理與結(jié)果表達(dá)。如前所述，頻率特性曲線和隨外磁場(chǎng)變化曲線是反映材料GMI性能的兩個(gè)重要特性曲線。一般需要將測(cè)得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin等繪圖軟件作出圖線，才能對(duì)材料的GMI性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。而利用LabVIEW強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和圖表功能，則可以即時(shí)顯示測(cè)試結(jié)果，為及時(shí)評(píng)價(jià)試樣GMI性能帶來很大方便。GMI頻率特性和隨外磁場(chǎng)變化特性數(shù)據(jù)處理程序如圖8（a）、（b）所示。圖8（a）所示的程序功能是分別將Z、R、X報(bào)表數(shù)據(jù)輸入索引數(shù)組，索引0磁場(chǎng)和最大磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)列，按式（1）分別計(jì)算磁電阻比ΔR／Rm、磁電抗比ΔX／Xm和磁阻抗比ΔZ／Zm，由X-Y圖顯示如圖3（a）所示的頻率特性曲線。圖8（b）為根據(jù)圖8（a）運(yùn)算結(jié)果，用最大值與最小值數(shù)組獲取磁阻抗比最大值所在數(shù)據(jù)坐標(biāo)，并以此坐標(biāo)值索引最大值所在列數(shù)據(jù)和最大磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的單元數(shù)據(jù)，據(jù)式（2）計(jì)算最佳響應(yīng)頻率下不同外磁場(chǎng)的ΔZ／Z值，繪制如圖3（b）所示的最佳頻率下的ΔZ／Z隨外磁場(chǎng)變化曲線，同理可計(jì)算并給出ΔR／R、ΔX／X隨外磁場(chǎng)變化曲線，直觀地反映出ΔR／R、ΔX／X、ΔZ／Z 曲線及3者之間的關(guān)系。按照類似方法，可以進(jìn)一步繪制出不同頻率下GMI隨外磁場(chǎng)變化特性，便于反映和比較測(cè)試頻率對(duì)試樣GMI隨外磁場(chǎng)變化特性的影響。另外，可從X-Y曲線圖直接導(dǎo)出數(shù)據(jù)至Excel表，供后續(xù)繪圖軟件進(jìn)一步分析。

圖8 GMI數(shù)據(jù)處理程序

3 測(cè)量系統(tǒng)試驗(yàn)

利用該GMI效應(yīng)虛擬儀器測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)FeSiB三明治薄帶多角度（薄帶帶軸與外磁場(chǎng)夾角）GMI效應(yīng)進(jìn)行了連續(xù)測(cè)量試驗(yàn)。程序設(shè)定磁場(chǎng)從－23～23 kA／m變化51次，每個(gè)磁場(chǎng)保持10 s，測(cè)量參數(shù)選擇“R-X”，測(cè)量數(shù)據(jù)8次平均，運(yùn)行程序，實(shí)時(shí)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)曲線。程序運(yùn)行結(jié)束時(shí)，自動(dòng)保存數(shù)據(jù)到如圖7（b）所示的Excel文件，并進(jìn)行快速數(shù)據(jù)處理，即時(shí)給出GMI特性曲線，虛擬儀器前面板及測(cè)得的30°夾角的結(jié)果如圖9所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)試系統(tǒng)能很好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步采集，并清晰反映試樣GMI隨頻率和外磁場(chǎng)變化特性，便于測(cè)量者或客戶對(duì)材料GMI特性及時(shí)作出判斷；經(jīng)連續(xù)試驗(yàn)，該測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，自動(dòng)化程度高，可以大量節(jié)省人工時(shí)間；實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示的GMI特性曲線與相同夾角、采用手動(dòng)方式直接測(cè)量的結(jié)果［14］有很好的一致性，表明測(cè)量系統(tǒng)適用于一般軟磁材料GMI效應(yīng)的測(cè)量和分析。

圖9 測(cè)量系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 語

該測(cè)量系統(tǒng)通過對(duì)直流穩(wěn)壓電源和精密阻抗分析儀同步控制，實(shí)現(xiàn)多頻率、階梯變化磁場(chǎng)下的GMI效應(yīng)自動(dòng)測(cè)量和數(shù)據(jù)處理，適用于一般軟磁材料GMI效應(yīng)的測(cè)量。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、自動(dòng)化程度高，能大大提高測(cè)試效率，節(jié)省后續(xù)數(shù)據(jù)分析處理時(shí)間，提高大型精密儀器使用效益。穩(wěn)壓電源控制、精密阻抗分析儀控制、數(shù)據(jù)采集與處理等程序模塊都可以獨(dú)立使用，能為具有同類儀器的高?；蚱髽I(yè)GMI效應(yīng)自動(dòng)測(cè)量以及利用可編程穩(wěn)壓電源進(jìn)行溫度場(chǎng)控制下的巨磁阻、介電材料溫度特性等的自動(dòng)測(cè)量提供借鑒。