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1、基于GMI效应的高斯计的实现摘 要：针对以非晶丝作为敏感元器件研制的磁敏传感器具有高灵敏度，快速响应等特点。利用非晶丝的GMI效应，通过弱磁场感应电路、放大和提取电路、AD转换和终端显示电路，将弱磁场转化为直观可视的数据显示，并最终产品化为一种新型高斯计。实验结果说明，这种新型高斯计的灵敏度为18mVzT，最小分辨率为100nT，非线性误差为076FS，它在测量地磁方面有很好的应用前景。关 键 词：非晶丝；巨磁阻抗效应；弱磁场；高斯计Im plementation of gauss m eter based onGiant magneto-impedance effectsGAO Peng-j
2、ian，TENG Gongqing(School of Applied Sciences，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100192，China)Abstract： For the amorphous wire as sensitive components，magnetic sensors have been developedwith high sensitivity，fast response and SO on，The paper presentes the way to conve weak
3、 magnetic fieldsinto visual data display in terms of circuit induction，circuit magnification and selection，AD conversionand the terminal display circuit by using giant magnetoimpedance effect Oil amorphous wireA newtypeof microgauss meter is developed based on above studyThe result indicates that th
4、e microgauss meterhas the sensitivity of 1 8 mVpT，the minimum resolution to 1 00nT，and nonlinearity errors ranging from0。76 FSThe microgauss meter has certain practical values and promising prospects in the area ofweak magnetic measurementsKey words： amorphous wires；giant magnetoimpedance effect；wea
5、k magnetic fields；gauss meter0 引言1992年，Mohri 等人存具有零或负磁致伸缩系数的钴基软磁非晶丝中发现，当直接对其进行高频交流磁化时，其阻抗随外加磁场变化而变化，且非常灵敏，因此将其称为巨磁阻抗(Giant Magnetoimpedance，简称GMI)效应。GMI传感器与磁通门传感器、磁阻传感器比拟，具有高灵敏度、微型尺寸和快速响应等优点。用GMI材料制作的传感器可用于宇航T程、军事探贝0、地质勘探、医疗诊断、交通控制和机械工业等磁场测量，因此，GMI效应一经发现便受到各国学者的特别关注，并开展了广泛的研究工作 。本文利用非晶丝的GMI效应，通过弱磁场感
6、应电路、放大和提取电路、AD转换和终端显示电路，将弱磁场转化为直观可视的数据显示，并最终产品化为一种新型高斯计。1 高斯计的电路设计高斯计主要由敏感元件、跟随器、信号峰值采样电路、放大电路、单片机AD转换电路和LCD液晶显示电路等局部组成，图1为高斯计主要组成电路示意图。根本工作过程是首先由鼓励电路产生频率1MHz、电压5 V的方波信号，信号经过敏感元器件后产生感生电压，感生电压将随着外加磁场的变化而变化，跟随器再将变化的信号放大，放大的信号进入峰值采样电路以模拟信号的形式输出，模拟信号经AD转换后以数字信号形式输出，输出的信号经过软件处理后最终由LCD显示出来。主要实验设备有HP33120信
7、号发生器、泰克MS104示波器、H420直流电源、亥姆霍兹线圈、数控绕线机和点焊机等。11 敏感元器件图2是敏感探头的制作示意图，它的具体制作方法如下：用数控绕线机将漆包线均匀的绕在非晶丝上，然后将非晶丝的两端焊接在电路板上。漆包线的两端经过点焊机处理后，也焊在电路板上，如图2所示。图3为漆包线匝数与输出信号的关系，从图中可以看出，输出信号随着外加磁场的增大而逐渐增大到峰值，在到达峰值之后，输出信号随外磁场的增加而减小 。12 鼓励信号电路图4为741506芯片组成的鼓励信号电路示意图。如下图，反相器74L6芯片的输出端是OC开路，需要加一个上拉电阻才能使得芯片处在工作状态。输出的信号通过电阻
8、R7控制其电流，使非晶丝的GMI效应到达比拟理想的效果。电路中电阻R7与芯片串联起来，这样既到达了省电的目的，又实现了对信号控制能力的要求。反向器的输出方波信号以并联的形式输入到非晶丝，这样的设计方案有利于增强电路对电流承载能力以及非晶丝GMI效应的实现。13 信号的提取电路图5为信号的提取电路示意图。信号的提取电路实际上包含跟随器和峰值采集信号电路两部分 。跟随器中的电容c2和C5取值为01 F，它们主要起的是交流耦合作用。三极管Q9013的压降在21 V左右，它的作用是放大输入电流信号。经过跟随器后，前端电路和后端电路即可到达阻抗匹配。在整个信号的采样电路中，电路的设计有两个特点。第一个特
9、点是开关二极管IN4148的采用。与传统的采样电路设计相比，本电路使用了两个二极管。而传统的采集电路只用一个二极管，位置和二极管D1的位置一样，而且所采的是稳压二极管。如果采用传统的信号采样电路，只有大于二极管电压值的信号才能通过，这必将造成信号的损失。本电路在设计方面增加了一个二极管D2，它和电源与电阻R8组成了一个回路，因此在二极管D2的上方就形成了一个对地07 V的电压。又因为电阻R4与二极管的电压是等势的，电阻R4对地的电压也为07 V，结果使电阻R4与Dl之间形成了一个07 V电压差，因此输入二极管D1的信号就被抬高了07 V电压。从理论而言，跟随器输出的信号将毫无损耗的通过二极管D
10、l。图5 信号的提取电路电路的第二个特点是在电容C6上并联了一个电阻R6。由于脉冲信号的周期是200ns，所选取的电容c6与电阻R6的阻值的乘积要大于10I，其中电容单位为pF，电阻的单位为n。电阻R6在整个峰值采样电路中所起的作用是放电，正是电阻R6的这种放电作用才使得整个电路信号的灵敏度比拟高。具体原因是，如果电容c6不并联一个电阻就直接接后面电路中的运算放大器，由于运算放大器的内阻很高，当外加磁场强度增加时，电容起的是充电作用，电容两端的电压不断增加；但当外加磁场强度减小时，电容就要放电，但电流无法通过运算放大器放电，这就使得电容的电压在下降的过程中是非常的缓慢，因而会影响高斯计的灵敏度
11、。14 运算放大器图6为高斯计的负反应放大电路，它采用的运算放大器是LM358。LM358芯片采用单电源供电，它的供电电压是5 V。如下图，滑动变阻器W1与电阻R2形成电阻负反应电路。这种负反应方式可以通过调节滑动变阻器W1与电阻R2的比值来决定电压的放大倍数。滑动变阻器W1的最大阻值为50 kQ，因此该电路中电压的最大放大倍数为25倍。实验测得经过峰值采样电路的电压信号的变化范围在05 V到2 V之间，根据实际需要，只要放大一倍即可满足设计要求。2 GMI高斯计的实现 信号经过AVR单片机的数字处理(即模数转换)，再经过C语言编程，将电压信号转换成磁场信号的输出，并用液晶显示出数字，高斯计采
12、用的液晶是1602(限于篇幅，编程与数据处理局部将不在本文论述)。图7是GMI高斯计的示意图。21 高斯计性能测试对高斯计输出特性进行测试：具体内容是把高斯计放入亥姆霍兹线圈内，通过改变亥姆霍兹线圈输入电流的大小来改变磁场大小，室温下利用KEITHLEY 2001数字表测量传感器输出电压，磁场范围在06Oe内的测试结果如图8所示。 对高斯计的温度稳定性进行测试：具体内容是将高斯计置于恒温恒湿箱中测试传感器的温度特性。结果显示高斯计的输出电压随着环境温度的变化而发生一定变化，变化幅度小于6 mVoC，这种变化与非晶丝材和电子元件的温度特性有关，高斯计输出随温度变化曲线如图9所示。22 测试结果分
13、析对高斯计的性能进行了测试，结果说明，该高斯计不仅在零点附近具有较好的线性，而且在一060e06Oe内，输出电压与外磁场保持良好的线性关系。结果显示高斯计的非线性误差小于076FS，工作频率范围为0600 Hz，温度变化率小于6 mVC。就实用角度来说，本文所设计的GMI微磁高斯计主要用于测量微弱磁场，需要有较高的精度和灵敏度，故设计的高斯计符合实际要求。在研制高斯计的过程中也积累了一些经验与思路方法，这些可以为相关的研究提供一些参考。3 结论利用非晶丝的巨磁阻抗效应，研制了一种新型高斯计，并对传感器的输出特性、频率特性和温度稳定性进行了测量。试验检测结果为：高斯计的灵敏度为18mVpT，最小分辨率为100nT，非线性误差为076FS，输出结果无磁滞。本文的研究为阶段性的结果，虽具有一定的使用价值，但尚有许多工作有待进一步地研究，比方，改良探头制作工艺，同时增加补偿电路以调整增益，利用ARM 嵌入式系统软件编程及数据库等技术，亦可制作二维方位传感器(电子指南针)等。
