田武剛，胡佳飛，王 偉，潘孟春*，陳棣湘

(1．國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，長(zhǎng)沙410073;2．西北核技術(shù)研究所，西安710024)

基于各向異性磁電阻AMR(Anisotropic Magneto Resistance)效應(yīng)材料制成的磁阻式傳感器和基于巨磁阻GMR(Giant Magneto Resistance)效應(yīng)的弱磁場(chǎng)傳感器具有體積小、靈敏度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在地磁場(chǎng)探測(cè)、磁性編碼器、電子羅盤、汽車速度和位置檢測(cè)、微弱電流測(cè)量、電磁無(wú)損檢測(cè)等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1－4]。MR弱磁傳感器的性能受到低頻噪聲、靈敏度、非線性、飽和磁場(chǎng)和零偏等參數(shù)的影響，在弱磁場(chǎng)應(yīng)用中，MR傳感器的噪聲特性是一個(gè)至關(guān)緊要的參數(shù)，因?yàn)樗鼪Q定了傳感器的最小可探測(cè)能力，這其中1/f低頻噪聲決定了傳感器在低頻磁場(chǎng)應(yīng)用中的探測(cè)能力[5]。如果能夠減小MR磁傳感器的1/f噪聲，MR磁傳感器的最小可探測(cè)能力就可以達(dá)到目前磁通門傳感器的水平，甚至達(dá)到光泵磁力儀的水平，那么MR磁傳感器將在地磁成像、武器探測(cè)、醫(yī)療、資源探測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用[1－2]。對(duì)MR磁傳感器低頻噪聲進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)MR傳感器低頻噪聲測(cè)量結(jié)果分析其噪聲特性是減小MR磁傳感器1/f噪聲的基礎(chǔ)。目前采用把低頻測(cè)量磁場(chǎng)調(diào)制到高頻的方法減小MR的1/f噪聲[5－7]，而1/f噪聲的測(cè)量結(jié)果為調(diào)制頻率的確定提供了依據(jù)。另外，MR弱磁傳感器的靈敏度與其探測(cè)能力緊密相關(guān)，非線性主要影響傳感器的測(cè)量精度。因此，測(cè)量MR弱磁傳感器低頻噪聲、靈敏度、非線性等特性具有重要意義。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)磁阻傳感器特性測(cè)試開展了一些有益的研究。Jonker等設(shè)計(jì)了一套基于PC的低歐姆值(≤100 Ω)磁阻傳感器噪聲自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)[8]，該系統(tǒng)采用了鎖相放大器和頻譜分析儀，體積比較龐大且成本很高。Nathan等采用筆記本計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡和動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀設(shè)計(jì)了一套磁阻傳感器低頻噪聲測(cè)量系統(tǒng)[9]，相比文獻(xiàn)[8]中的系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，但是動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀的價(jià)格較高。彭斌等建立巨磁阻效應(yīng)計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)[9]，對(duì)自旋閥和磁性隧道結(jié)材料的巨磁電阻效應(yīng)進(jìn)行了測(cè)試，該系統(tǒng)具有方便、快速的優(yōu)點(diǎn)，但是不能測(cè)量傳感器的低頻噪聲。李建偉等利用惠斯通電橋、兩極放大電路和頻譜分析儀設(shè)計(jì)開發(fā)了磁性薄膜低頻噪聲測(cè)量系統(tǒng)[11]，該系統(tǒng)低頻噪聲測(cè)量精度主要取決于頻譜分析儀，因此為了獲得較高的測(cè)量精度需要選擇高檔次的頻譜分析儀。

本文設(shè)計(jì)了一套MR弱磁傳感器特性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)硬件上采用了24 bit數(shù)據(jù)采集卡和PC機(jī)，軟件采用了 NationalInstrument公司的LabVIEW，通過(guò)功率譜分析實(shí)現(xiàn)噪聲的測(cè)量，通過(guò)測(cè)試傳感器輸入輸出特性曲線，計(jì)算得到其靈敏度和非線性等參數(shù)。測(cè)量精度主要由低噪聲放大器和數(shù)據(jù)采集卡的性能決定，整個(gè)系統(tǒng)成本較低。利用該系統(tǒng)對(duì)商業(yè)化的GMR磁傳感器AA002在1 Hz～10 kHz的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行了噪聲測(cè)量，并且測(cè)量了傳感器的靈敏度和非線性。

1 測(cè)試系統(tǒng)

1．1 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

對(duì)于MR弱磁傳感器的低頻噪聲、靈敏度和非線性等特性的測(cè)量，設(shè)計(jì)一套可靠、重復(fù)性好、精確的測(cè)量方法和系統(tǒng)是非常必要的。測(cè)量MR弱磁傳感器特性存在一些固有的困難:①所有的電子元件都存在1/f噪聲，且頻率越小1/f噪聲越大;②測(cè)量環(huán)境的磁噪聲，如地磁場(chǎng)的隨機(jī)波動(dòng)、電磁設(shè)備產(chǎn)生的磁干擾等，將影響到測(cè)量精度;③MR弱磁傳感器的噪聲與施加的磁場(chǎng)有關(guān)[7]，且測(cè)量傳感器靈敏度和非線性時(shí)需要對(duì)外加激勵(lì)磁場(chǎng)進(jìn)行精確控制。

為精確測(cè)量MR弱磁傳感器的噪聲，要求測(cè)試系統(tǒng)中檢測(cè)電路的噪聲盡量小。MR弱磁傳感器的噪聲平方根譜密度在10 kHz附近時(shí)約為因此要求測(cè)量電路本底噪聲要小于6 nV。傳感器在1 G(Gauss)磁場(chǎng)時(shí)輸出為幾mV，綜合考慮AD的分辨能力，電路總放大倍數(shù)設(shè)計(jì)為100～1 000可調(diào)。同時(shí)，為了保證放大電路的穩(wěn)定性，需要使用高穩(wěn)定性電源供電。

為了減小噪聲信號(hào)譜分析的誤差，需要采用多次平均值法或者互相關(guān)法對(duì)采集的噪聲信號(hào)進(jìn)行處理。此外，為了分析MR弱磁傳感器的穩(wěn)定性，需要較長(zhǎng)時(shí)間(幾個(gè)小時(shí))的重復(fù)性測(cè)量。采用自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，則可以使長(zhǎng)時(shí)間的重復(fù)性測(cè)量自動(dòng)完成。

測(cè)試系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)要求概括起來(lái)如下:

①測(cè)試系統(tǒng)放置MR傳感器位置的磁場(chǎng)必須穩(wěn)定，且無(wú)干擾磁場(chǎng);

②MR傳感器激勵(lì)磁場(chǎng)可以精確調(diào)節(jié);

③測(cè)試系統(tǒng)具有高度自動(dòng)化，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的重復(fù)性測(cè)量;

④測(cè)試系統(tǒng)放大電路本底噪聲要低，放大倍數(shù)可調(diào);

⑤數(shù)據(jù)自動(dòng)處理和存儲(chǔ)，測(cè)量結(jié)果的圖形化顯示。

1．2 測(cè)試系統(tǒng)組成

圖1給出了MR弱磁傳感器特性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的原理框圖。測(cè)試系統(tǒng)以MR弱磁傳感器構(gòu)成惠斯登電橋，通過(guò)低噪聲放大器把傳感器信號(hào)放大后輸出到數(shù)據(jù)采集卡，采集數(shù)據(jù)送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理和分析。由于傳感器信號(hào)非常小，因此測(cè)量的關(guān)鍵是盡量減小外界環(huán)境和測(cè)量電路本身對(duì)MR傳感器輸出信號(hào)的影響。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)原理框圖

傳感器測(cè)試電路的設(shè)計(jì):為了降低溫漂和接觸噪聲的影響，MR磁傳感器組成惠斯登電橋進(jìn)行測(cè)試，電橋采用低噪聲高穩(wěn)定性電池供電，供電電壓為6 V，如圖2所示。

圖2 傳感器測(cè)試電路

低噪聲放大電路設(shè)計(jì):因?yàn)榉糯蟊稊?shù)在100倍～1 000倍，需要采用兩級(jí)放大。這就要求第1級(jí)放大電路的噪聲值要尤其低，因?yàn)槿绻?級(jí)放大電路的噪聲值過(guò)高，則放大器噪聲經(jīng)過(guò)二級(jí)放大器的放大會(huì)嚴(yán)重影響到待測(cè)信號(hào)的精度。根據(jù)實(shí)際需要第1級(jí)采用低噪聲晶體管設(shè)計(jì)了差分輸入放大電路，輸入噪聲小于6 nV。信號(hào)采用兩路放大，然后送至數(shù)據(jù)采集卡。這樣可以檢測(cè)信號(hào)的傳輸是否正確，同時(shí)還可以通過(guò)互相關(guān)運(yùn)算排除信號(hào)傳送電路中產(chǎn)生的不相干噪聲。

數(shù)據(jù)采集卡:需要對(duì)兩路放大信號(hào)同時(shí)進(jìn)行采集，噪聲信號(hào)測(cè)量的頻率范圍為1 Hz～10 kHz，而且采樣精度要高。最終選擇了NI的PCI－4461數(shù)據(jù)采集卡，其采樣位數(shù)為24 bit，可以對(duì)兩路信號(hào)同步采集，最大采樣率為204．8 ksample/s，還有兩路模擬輸出，可用于控制恒流電源輸出電流實(shí)現(xiàn)激勵(lì)磁場(chǎng)的控制。采集得到的數(shù)據(jù)可以傳送到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行處理。

為了減小外界環(huán)境對(duì)測(cè)量的影響，需要把傳感器測(cè)試電路放進(jìn)磁屏蔽桶中。磁屏蔽桶能提供一個(gè)近零磁場(chǎng)環(huán)境，方便對(duì)磁傳感器進(jìn)行測(cè)量。設(shè)計(jì)的磁屏蔽桶采用內(nèi)外層為鋁層、中間五層為高磁導(dǎo)率坡莫合金的結(jié)構(gòu)。屏蔽桶內(nèi)剩磁小于1 nT。如果磁屏蔽桶被磁化，屏蔽性能達(dá)不到使用要求時(shí)，要對(duì)屏蔽桶進(jìn)行消磁處理。此外，在磁屏蔽桶內(nèi)設(shè)計(jì)了一對(duì)亥姆霍茲線圈，用于產(chǎn)生MR磁傳感器的測(cè)量磁場(chǎng)，線圈的系數(shù)為135 nT/mA，由高穩(wěn)定的恒流電源提供激勵(lì)電流。

1．3 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1．3．1 噪聲測(cè)量方法

MR磁傳感器噪聲信號(hào)可以視為一種隨機(jī)平穩(wěn)信號(hào)，隨機(jī)信號(hào)不存在通常意義下的傅立葉積分變換，但是可以用觀測(cè)到的一定數(shù)量的樣本數(shù)據(jù)估計(jì)其功率譜。隨機(jī)平穩(wěn)信號(hào)xn的功率譜定義為

其中，rx(m)為xn的自相關(guān)函數(shù)，Px(ω)在物理意義上說(shuō)明了信號(hào)xn的頻率成分，以及xn的功率隨頻率的分布。

在噪聲信號(hào)功率譜分析中，為了提高噪聲測(cè)量的精度，采取了兩種方法:一是多次取平均值法得到頻域曲線;二是采用互相關(guān)法后再得到頻域曲線，即計(jì)算兩路輸出信號(hào)的互功率譜。信號(hào)xn和yn的功率譜定義為

其中，rxy(m)為xn和yn的互相關(guān)函數(shù)。

采用多次平均值法的好處是直接明了，但是需要多次計(jì)算，處理時(shí)間較長(zhǎng);采用互功率譜法的好處是能消除信號(hào)在傳輸過(guò)程中的不相干因素。因此，在本系統(tǒng)中，將這兩種方法結(jié)合在一起，以提高系統(tǒng)測(cè)量精度。

1．3．2 軟件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)測(cè)量原理和系統(tǒng)硬件組建，測(cè)試系統(tǒng)軟件的流程圖如圖3所示。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)軟件流程圖

測(cè)試系統(tǒng)軟件可在如 Matlab、VC++、VB、LabVIEW等眾多軟件環(huán)境中開發(fā)。其中，LabVIEW是一個(gè)可實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件進(jìn)行控制，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的強(qiáng)有力的軟件開發(fā)環(huán)境[12]。本文在LabVIEW的軟件環(huán)境中開發(fā)了測(cè)試系統(tǒng)軟件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)磁阻型弱磁傳感器低頻噪聲的自動(dòng)化測(cè)量。

2 MR磁傳感器測(cè)試實(shí)驗(yàn)

2．1 實(shí)驗(yàn)所用傳感器

實(shí)驗(yàn)所用的MR傳感器為美國(guó)NVE公司商業(yè)化的GMR磁傳感器AA002[13]。如圖4所示，它內(nèi)部含有4個(gè)GMR電阻(R1、R2、R3、R4)構(gòu)成了一個(gè)全電橋，有一對(duì)磁力線聚集器用于放大被測(cè)磁場(chǎng)，全橋中的兩個(gè)電阻(R1和R2)被磁力線聚集器所屏蔽。

圖4 GMR磁傳感器AA002內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2．2 測(cè)試系統(tǒng)本身低頻噪聲測(cè)量

對(duì)研制的測(cè)試系統(tǒng)本身的低頻噪聲進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量條件為:溫度27℃;兩路低噪聲放大器的輸出同時(shí)連接到公共地上;低噪聲放大器的放大倍數(shù)設(shè)為500。按照前面的互相關(guān)法進(jìn)行噪聲測(cè)量，測(cè)試系統(tǒng)低頻噪聲平方根譜曲線如下圖所示，當(dāng)頻率大于5 kHz時(shí)系統(tǒng)的噪聲平方根譜密度小于滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 測(cè)試系統(tǒng)低頻噪聲平方根譜曲線

2．3 傳感器低頻噪聲特性測(cè)量

在傳感器低頻噪聲測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量條件為:溫度27℃，亥姆霍茲線圈的電流為零，傳感器放置于磁屏蔽桶內(nèi)，這時(shí)磁傳感器的激勵(lì)磁場(chǎng)近似為零，低噪聲放大器的放大倍數(shù)設(shè)為500。測(cè)量了GMR磁傳感器AA002的低頻噪聲，噪聲特性曲線如圖6所示。

圖6 GMR磁傳感器AA002低頻噪聲平方根譜曲線

從圖6可以看出MR磁傳感器的低頻噪聲隨著頻率的增加而顯著減小，近似成比例關(guān)系。對(duì)于NVE的AA002在1 Hz時(shí)噪聲平方根譜密度為幾千，而在10 kHz時(shí)平方根譜密度約為。而廠商芯片資料中給出低頻噪聲的測(cè)量結(jié)果為[13]:9 V電池供電、溫度27℃情況下，10 kHz時(shí)平方根譜密度約為18 V電池供電、溫度27℃情況下，10 kHz時(shí)平方根譜密度約為。根據(jù)類推，可以得出:6 V電池供電、溫度27℃情況下，10 kHz時(shí)平方根譜密度應(yīng)略小于，因此可以本文的測(cè)量與傳感器資料中給出的指標(biāo)基本一致。

2．4 傳感器輸入輸出特性測(cè)試

輸入輸出特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)對(duì)于磁傳感器研究來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)非常重要的內(nèi)容，從中可以獲得多項(xiàng)傳感器性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，如靈敏度、非線性、磁滯特性等。輸入輸出特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)在前面設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)中進(jìn)行，將被測(cè)磁傳感器放置在磁屏蔽桶內(nèi)的一對(duì)亥姆霍茲線圈的中心位置，通過(guò)改變亥姆霍茲線圈中的電流控制激勵(lì)磁場(chǎng)的大小和方向，并且測(cè)量傳感器的輸出，將傳感器輸出和激勵(lì)磁場(chǎng)繪制成曲線就是傳感器輸入輸出特性曲線。實(shí)驗(yàn)時(shí)AA002傳感器電橋采用6 V電池供電，磁場(chǎng)按照“0→25 G→0→－25 G→0”的規(guī)律進(jìn)行激勵(lì)，激勵(lì)磁場(chǎng)的間隔為0．01 G。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量結(jié)果，做出AA002的輸入輸出特性曲線如圖7所示。

圖7 GMR磁傳感器AA002的輸入輸出特性曲線

從圖7可以看出在激勵(lì)磁場(chǎng)為±20 G時(shí)，傳感器分別進(jìn)入正向和反向飽和，傳感器的線性工作區(qū)域?yàn)椤?5 G，可以計(jì)算出傳感器在線性工作區(qū)域的靈敏度為3．35 mV/(G·V－1)，非線性約為 2．1%。另外磁傳感器還存在著較大的磁滯。廠商芯片資料中給出測(cè)量結(jié)果為[13]:在1．5 G ～10．5 G 的范圍內(nèi)傳感器的靈敏度為3．0 mV/(G·V－1)～4．2 mV/(G·V－1)，傳感器的非線性為2%，磁滯最大為4%?？梢?，本文的測(cè)量與傳感器資料中給出的指標(biāo)基本一致。

3 結(jié)論

磁阻型弱磁傳感器特性測(cè)試系統(tǒng)可以方便、快速的測(cè)量傳感器低頻噪聲、靈敏度、非線性等特性，測(cè)量精度高，穩(wěn)定性好，可以實(shí)現(xiàn)MR弱磁傳感器1 Hz～10 kHz頻率范圍內(nèi)的噪聲測(cè)量，此外該系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了弱磁傳感器的靈敏度曲線自動(dòng)測(cè)量和傳感器飽和特性分析等功能。本系統(tǒng)對(duì)于研究分析MR弱磁傳感器的噪聲特性提供了一種有效的檢測(cè)手段。

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