楊志成 李 偉

(中國船舶重工集團公司第七一○研究所 宜昌 443003)

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基于巨磁阻抗效應的磁傳感器設計*

楊志成 李 偉

(中國船舶重工集團公司第七一○研究所 宜昌 443003)

為檢測環(huán)境中微弱磁場的變化,需使用靈敏度高的磁傳感器,非晶絲具有在交流激勵下阻抗變化率高的特點,非常適合用來做高靈敏度傳感器,根據(jù)這種特點,一種以鐵基非晶絲為敏感材料的新型磁傳感器被設計了,該傳感器采用差分式的探頭結構和同步檢波電路,抑制了共模干擾和不相關噪聲,取得了較好的試驗效果。通過測試,傳感器的工作區(qū)間為-1000nT～1500nT,靈敏度為216μV/nT,線性度為3.84%FS,有望用于微弱磁信號的檢測。

巨磁阻抗; 磁傳感器; 非晶絲; 同步檢波; 差分結構; 靈敏度

Class Number TP212

1 引言

1992年,Mohri教授等發(fā)現(xiàn)具有零或負磁致伸縮系數(shù)的CoFeSiB非晶絲通入高頻電流時非晶絲兩端的電壓隨外磁場變化而靈敏變化,該現(xiàn)象被稱為“巨磁阻抗效應(簡稱GMI)”[1],該現(xiàn)象隨即引起了各國學者注意,羅馬尼亞科學家提出了一種基于巨磁阻抗效應的玻璃包覆非晶絲陣列的生物傳感器原型[2],法國學者對GMI效應機理做了詳盡的分析[3～4],我國也對GMI效應傳感器進行了相應的研究[5～6],并取得了一定的進展。本文在前人的基礎上采用差分式探頭結構和同步檢波方式設計了一種新型磁傳感器,經(jīng)過實驗室測試,效果良好。

2 敏感元件工作原理

敏感元件如圖1所示,1、2表示非晶絲,3、4表示感應線圈,對于線圈匝數(shù)為N,線圈平均截面積為A的探頭,在1、2端通入激勵后,由法拉第電磁感應定律可知,3、4端產(chǎn)生的電壓大小為

(1)

其中B為磁芯的磁感應強度,B=μ0(H+M),μ0為磁芯常數(shù),M為磁芯的磁化強度。

圖1 敏感元件示意圖

在磁芯的長度方向上,磁場強度實際是由激勵電流產(chǎn)生的激勵磁場He和被測磁場Hd兩部分構成的,即H=He+Hd一般情況下,He不僅遠大于Hd,而且變化速度也比Hd快得多[7],所以存在式(2):

(2)

由式(2)可知,輸出電壓的數(shù)學表達式如式(3):

(3)

由式(3)和圖2可以清楚解釋巨磁阻抗效應傳感器的工作原理,在外部環(huán)境和激勵一定的條件下,可以認為dHe/dt為定值,又N、A、μ0為常數(shù),輸出電壓正比于dM/dH。為使傳感器反應靈敏,一般使其工作于中間段,中間段的dM/dH較大,此時若存在外部磁場變動,即H改變,則引起傳感器工作點的偏移,進而使dM/dH發(fā)生變化,最終引起傳感器電壓輸出的變化。

圖2 非晶絲磁化曲線示意圖

3 傳感器設計

傳感器整體主要包括探頭和信號調(diào)理電路兩個部分,信號調(diào)理電路包括檢波、放大及濾波環(huán)節(jié)。

3.1 傳感器探頭的設計

圖3 傳感器探頭示意圖

探頭的設計直接影響傳感器的性能,探頭的設計通常有三種方式,分別是:

1) 將激勵信號加在非晶絲的1、2端,同時在1、2端進行感應信號的提取;

2) 將激勵信號加在圖1中感應線圈的3、4端,同時在非晶絲1、2端進行感應信號的提取;

3) 將激勵信號加在圖1中非晶絲的1、2端,同時在非晶絲外部所繞制的感應線圈3、4端進行感應信號的提取。

第三種方式和前兩種方式相比,具有減少激勵電路對感應信號的干擾、非晶絲阻抗變化率大、引入的噪聲最小等優(yōu)點[8],這里選用第三種方法。感應線圈采用雙線并繞式,將線圈一端的兩個引線端子短接并接地,另外一端的兩個端子作為感應信號的輸出端,與單線環(huán)繞的感應線圈相比,雙線并繞方式3、4端輸出的差分信號極大程度的抑制了共模干擾,且信號幅值是單線環(huán)繞時輸出信號的兩倍。

3.2 傳感器同步檢波

傳感器的輸出直接接到檢波電路進行檢波,常用的檢波電路有同步檢波和二極管峰值檢波[9～10],和二極管峰值檢波電路相比,同步檢波電路可以很大程度抑制不相關噪聲,消除二極管導通壓降對傳感器性能的影響。二極管檢波時,檢波電路參數(shù)的選擇對檢波效果影響很大,采用同步檢波可以消除檢波電路參數(shù)造成的影響。

本文采用的同步檢波電路結構如圖4所示,檢波開關所需同步信號來源于方波發(fā)生電路,通過控制微分電路2的時間常數(shù)可以控制檢波時間。方波發(fā)生電路經(jīng)過微分電路1變?yōu)槊}沖信號,然后將微分后的脈沖信號加到探頭的非晶絲兩端,選用脈沖激勵的原因在于脈沖信號持續(xù)時間短,不致使非晶絲工作于飽和區(qū)而造成靈敏度降低,經(jīng)過微分過的脈沖信號加到圖1所示的1,2端,然后將3、4端差分感應電壓接到檢波開關的輸入端。

圖4 傳感器同步檢波主要結構示意圖

3.3 放大及濾波電路

檢波開關的輸出電壓接到儀表放大器的輸入端進行放大,如圖3所示,儀表放大器選用AD620,參考電壓由分壓電路和由放大器SGM358構成的電壓跟隨器構成,不需要額外的參考電壓芯片,儀表放大器輸出接到濾波電路,對輸出信號進行平滑,濾波器選用由SGM358構成的二階巴特沃斯濾波器。

圖5 放大及濾波電路示意圖

4 傳感器測試

將試驗裝置置于自制螺線管中間的均勻區(qū)內(nèi),螺線管線圈常數(shù)為2020nT/mA,通過調(diào)節(jié)標準恒流源電流控制磁場大小,為減少地磁場帶來的干擾,將傳感器置于屏蔽筒內(nèi),傳感器輸出電壓與外加磁場的關系如圖6所示,傳感器輸出電壓隨外磁場近似成“S”型變化,其中“S”中間段斜率較高、線性度好,適合作為傳感器的工作區(qū)間。

圖6 傳感器輸出特性圖

圖7 傳感器線性區(qū)工作曲線特性

傳感器線性區(qū)工作特性如圖7所示,擬合曲線的數(shù)學表達式為

y=216×x+199228

(4)

傳感器工作范圍:-1000nT～1500nT;

5 結語

本文以非晶絲為敏感材料,通過采用差分檢波、同步檢波等方式設計了一種新型磁傳感器,該傳感器的主要特點是靈敏度極高,有望應用于弱磁探測領域,但該傳感器的應用還存在一定問題,傳感器的工作范圍太窄,需通過反饋等方式擴展傳感器的工作范圍,傳感器存在零點電壓,需要添加調(diào)零電路。

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參考文獻著錄規(guī)則

一.總要求

為了幫助向本刊投稿的作者按規(guī)范著錄參考文獻,現(xiàn)將常見類型文獻的著錄格式作如下要求。

本刊要求雙語參考文獻,所有的中文參考文獻均需附英文譯文,示例如下:

示例1:

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參考文獻中的責任者采用姓前名后的著錄形式。歐美著者的名可縮寫,姓大寫,姓和縮寫的名之間不可用“.”隔開,而是用空格。如用中譯名,可以只著錄其姓。如原文中作者為“P．S．昂溫”則在本刊要求中應寫成“昂溫 P S”,Albert Einstein Seny應寫成EINSTEIN A S。

參考文獻的責任者之間用“,”分隔。不超過3個時,全部照錄。超過3個時,只著錄前3個責任者,其后加“,等”,外文用“,et al”,“et al”不必用斜體。

示例2:馬克思,恩格斯．示例2:YELLAND R L, JONES S C, EASTON K S, et al．

二.圖書和期刊的著錄格式

◆ 普通圖書(原著): [序號]著者．書名[M]．版本(第1版不著錄)．出版地:出版者,出版年:引文頁碼． [3]余敏．出版集團研究[M]．北京:中國書籍出版社,2001:179-193． [4]中國社會科學院語言研究所詞典編輯室．現(xiàn)代漢語詞典[M]．修訂本．北京:商務印書館,1996:258-260． [5]CRAWFPRD GORMAN M． Future libries: dreams, madnes, &reality[M]． Chicago: America Library Asociation,1995．

◆ 普通圖書(譯著): [序號]著者．書名[M]．譯者,譯．版本．出版地:出版者,出版年:引文頁碼． [6]AGRAWAL G P． 非線性光纖光學[M]．胡國絳,黃超,譯．天津:天津大學出版社,1992:179-193． [7]霍斯尼 R K． 谷物科學與工藝學原理[M]．李慶龍,譯．2版．北京:中國食品出版社,1989:15-20．

◆ 期刊(有卷) [序號]著者.題名[J]．刊名,出版年份,卷(期)引文頁碼． [8]蔣超,張沛,張永軍,等．基于SRLG不相關的共享通路保護算法[J]．光通信技術,2007,31(7):4-6． [9]DIANOV E M, BUFETOV I A, BUBNOV M M, et al． Thre-cascaded 1407nm Raman laserbased on phosphorusdoped silica fiver[J]． OPTICS LETTERS,2000,26(6):402-404．

◆ 期刊(無卷) [序號]著者.題名[J]．刊名,出版年份(期):引文頁碼． [10]周可,馮丹,王芳,等．網(wǎng)絡磁盤陣列流水調(diào)度研究[J]．計算機學報,2005(3):319-325． [11]VLATK V, MARTIN B P． Basic of quantum compwtation[J]． Proces in Quantum Electronics,1998(22):1-39．

三.電子文獻的著錄格式

◆ 電子文獻: [序號]主要責任者．題名:其他題名信息[文獻類型標志/文獻載體標志]．出版地:出版者,出版年(更新或修改日期)[引用日期]．獲取和訪問路徑． [12]Online Computer Library Center, Inc． History of OCLC[EB/OL]．[2000-01-08]．htp://www．oclc．org． [11]蕭鈺．出版業(yè)信息化邁入快車道[EB/OL]．(2001-12-19)[2002-04-15]．htp:∥www．creader．com/news/200112190019．htm．

四.學位論文與論文集的著錄格式

◆ 學位論文: [序號]著者．題名[D]．出版地:出版者,出版年:引文頁碼． [13]孫玉文．漢語變調(diào)構詞研究[D]．北京:北京大學文學院,2000．

◆ 論文集: [序號]著者．題名[C]//著者．專題名:其他題名．出版地:出版者,出版年:引文頁碼． [14]白書龍．植物開花研究[C]//李承森．植物科學進展．北京:高等教育出版社,1998:146-163． [15]AZIEM M M A, ISMAIEL H M． Quantitative and qualitative Evaluations of Image Enhancement Techniques[C]//Procedings of the 46th IEEE International Midwest Symposium on Circuits and Systems,2003:664-669．

Design of Magnetic Sensor Based on Giant Magneto Impedance Effect

YANG Zhicheng LI Wei

(The 710 Research Institute of CSIC, Yichang 443003)

The magnetic sensor with high sensitivity would be needed when the small change of the weak magnetic field is detected, the amorphous wire has a high change rate of the impedance under the high frequency exchange excitation, which is very suitable to be used as high sensitivity sensor, according to this characteristic, a kind of amorphous wire as sensitive material of a new type magnetic sensor is designed, the differential probe structure and synchronous detection circuit are adopted in this sensor, uncorrelated noise and common mode interference are suppressed, a good test result is obtained through the test, according to the test, the working range of the sensor is -1000nT～1500nT, the sensitivity is 216 V/nT and the linearity is 3.84% FS, which is expected to be used in the detection of weak magnetic signal.

giant magneto impedance, magnetic sensor, amorphous wire, synchronous detection, differential structure, sensitivity

2015年4月13日,

2015年5月31日

楊志成,男,碩士研究生,研究方向:地磁傳感器與微弱信號處理。李偉,男,高級工程師,研究方向:地磁傳感器與磁定位算法。

TP212

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.10.048