周初凱, 鄭金菊, 金林楓, 楊 光， 王紅洲, 趙 靜

(浙江師范大學(xué) 信息電子技術(shù)研究所， 浙江 金華 321004)

0 引 言

早在1935年,巨磁阻抗(GMI)效應(yīng)[1]就被俄羅斯人Harrison發(fā)現(xiàn)，但由于當(dāng)時(shí)的材料和應(yīng)用領(lǐng)域的限制，并沒(méi)有引起廣泛的關(guān)注。1994年,日本名古屋大學(xué)的Mohri K教授等人[2]采用旋轉(zhuǎn)水中紡絲法[3]，噴制成直徑為125 μm的近零、負(fù)磁致伸縮系數(shù)非晶絲，在該材料上觀察到了GMI效應(yīng)并進(jìn)行應(yīng)用研究，這一現(xiàn)象才受到人們的特別重視。GMI效應(yīng)具有靈敏度高、反應(yīng)快、利于微型化等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、生物醫(yī)療、自動(dòng)控制、安全生產(chǎn)、國(guó)防等各行業(yè)的磁場(chǎng)、位移、扭矩、計(jì)數(shù)、測(cè)速、無(wú)損探傷等方面[4]的檢測(cè)。

1 寬線性GMI效應(yīng)非晶薄帶

對(duì)于非晶薄帶的制作本文采用的是單輥快淬法[5]，所制備的非晶合金薄帶[6]成分是Fe76Si7.6B9.5P5C1.9，用該方法制備成寬為0．38 mm，厚為25 μm的合金薄帶；然后再對(duì)該樣品在540 ℃空氣中進(jìn)行退火[7]處理，退火后的樣品分別放入用0.08mm的漆包線繞制而成的空心線圈(匝數(shù)為100匝，長(zhǎng)度為10.1 mm，內(nèi)徑為0.56 mm)中，用HP4294A阻抗儀[8]縱向驅(qū)動(dòng)的方式測(cè)量薄帶的阻抗，驅(qū)動(dòng)頻率為470 kHz，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 470 ℃溫度退火樣品的GMI比曲線

由圖1可知，所制備的樣品具有寬線性區(qū)間，在-800～+800 A/m的區(qū)間有較好的線性度。

2 GMI磁傳感器電路的設(shè)計(jì)

傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)框圖

2．1 傳感器敏感元件的制作

傳感器敏感元件是整個(gè)電路的核心，主要由電感線圈、直流偏置線圈以及非晶合金薄帶組成，其示意圖如圖3所示。采用直徑為0．08 mm的漆包線雙股并排繞制成直徑為2 mm、長(zhǎng)度為15 mm的2個(gè)線圈，分別為電感線圈和直流偏置線圈。

圖3 電感線圈與偏置線圈的制作與Fe基非晶帶的放置方法

2．2 主體電路的制作

如圖4所示，對(duì)于主體電路的設(shè)計(jì)主要分為四部分：1)交流信號(hào)發(fā)生電路，因?yàn)樵?70 kHz的驅(qū)動(dòng)頻率下，F(xiàn)eSiBPC非晶薄帶有著良好的線性區(qū)間, 所以，信號(hào)發(fā)生電路的頻率也設(shè)置為470 kHz，如圖4所示。采用多諧振蕩電路[9]作為激勵(lì)信號(hào)發(fā)生電路,輸出頻率設(shè)為470 kHz的穩(wěn)定方波, 其高電平為5.2 V,低電平為0.33 V。2)電感線圈與直流偏置電路,如圖4所示 ，其中線圈“2”為電感線圈, 兩端直接與470 kHz交流激勵(lì)信號(hào)相連, 另外一個(gè)線圈“3”為偏置線圈,其兩端加直流電壓,產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度為Hex=460 A/m的直流偏置磁場(chǎng)。內(nèi)置FeSiBPC非晶帶“1”，Hex為沿著Fe基非晶帶方向并穿過(guò)該薄帶的磁場(chǎng)強(qiáng)度。3)檢波電路, 本文設(shè)計(jì)的檢波電路是采用二極管包絡(luò)檢波電路, 選用正向?qū)妷旱?、耐高頻的肖特基二極管,與電容、電阻組成峰值檢波電路, 最后得到輸出直流電壓。4)調(diào)零放大電路,利用集成運(yùn)放[10]構(gòu)成差分放大電路,通過(guò)調(diào)節(jié)運(yùn)放同相端的電位器RV1,使得在外加磁場(chǎng)為0時(shí)，偏置磁場(chǎng)Hex=460 A/m時(shí)輸出電壓為0 V。這樣不但可以從輸出電壓的大小判斷磁場(chǎng)的大小, 而且可以從電壓輸出的正負(fù)來(lái)判斷磁場(chǎng)的方向。

圖4 脈沖波驅(qū)動(dòng)的GMI磁傳感器電路原理圖

3 GMI磁傳感器性能測(cè)試

該傳感器中敏感元件的直流偏置磁場(chǎng)為320 A/m，將電路中的敏感元件放置在亥姆霍茲線圈的中心處，然后通過(guò)調(diào)節(jié)直流電壓源的輸出電流的大小來(lái)控制亥姆霍茲線圈中產(chǎn)生的穩(wěn)定磁場(chǎng)的大小。在測(cè)量裝置中進(jìn)行反復(fù)測(cè)量，然后對(duì)所測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。當(dāng)外加磁場(chǎng)為0時(shí)，脈沖波信號(hào)幅值為5 V，頻率為470 kHz，檢波電路輸出為直流電壓，其大小為1．544 V，調(diào)零放大電路輸出為0．067 V。

圖5為傳感器的重復(fù)性數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果，A,B兩曲線是外加磁場(chǎng)從-2 325．51 A/m增大到2 325．51 A/m時(shí)，傳感器輸出電壓變化時(shí)的情況，有數(shù)據(jù)分析計(jì)算可以得到傳感器的重復(fù)性最大誤差為0．94 %。

圖6為遲滯性數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果，其中A曲線是外磁場(chǎng)從-2 325．51A/m增大到2 325．51A/m所測(cè)的數(shù)據(jù)，而B(niǎo)曲線則是外磁場(chǎng)為2 325．51～-2 325．51 A/m所測(cè)得數(shù)據(jù)，由公式(1)計(jì)算可得GMI傳感器遲滯性數(shù)據(jù)的最大偏差為0．96 %，可見(jiàn)該GMI磁敏傳感器基本上無(wú)遲滯。

圖5 GMI傳感器的重復(fù)性數(shù)據(jù)分析圖

圖6 GMI傳感器的遲滯性數(shù)據(jù)分析圖

(1)

通過(guò)對(duì)圖5中A曲線變化情況分析，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)外磁場(chǎng)從-279．06 A/m增大到279．06 A/m時(shí)，輸出線性度最好，且靈敏度最高。如圖7所示，D曲線為上述磁場(chǎng)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合結(jié)果，由計(jì)算可知，線性最大偏差為1．48 %，靈敏度為12．65 mV/A·m-1。

圖7 GMI傳感器的線性度與靈敏度數(shù)據(jù)分析圖

4 結(jié) 論

本文針對(duì)具有GMI效應(yīng)的Fe76Si7.6B9.5P5C1.9合金薄帶在磁傳感器中的應(yīng)用，研究了退火溫度對(duì)Fe76Si7.6B9.5P5C1.9合金薄帶的GMI效應(yīng)的影響，可知540℃空氣中退火后Fe基非晶薄帶GMI材料具有寬線性、高靈敏度。用Fe基非晶薄帶作為敏感元件設(shè)計(jì)制作了GMI磁傳感器并對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：傳感器線性度好且靈敏度高，線性最大偏差為1．48 %，靈敏度為12．65 mV/A·m-1。

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