基于巨磁電阻效應(yīng)的多功能測量儀

莊明偉，王小安，徐 圖，黃 鵬，梁志強(qiáng)

（1.山東交通學(xué)院理學(xué)院，山東濟(jì)南250023；2.廈門大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院電子工程系，福建廈門361005）

1 引 言

巨磁電阻效應(yīng)是指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時較無外磁場作用時存在巨大變化的現(xiàn)象.法國物理學(xué)家阿爾伯特·費(fèi)爾、德國物理學(xué)家彼得·格魯伯格于1988年發(fā)現(xiàn)該效應(yīng)而獲得2007年度諾貝爾物理學(xué)獎.他們分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)由鐵磁金屬與非磁金屬組合，且相鄰鐵磁膜磁矩反耦合所構(gòu)成的多層膜，在附加外磁場和不附加外磁場時其電阻變化率，室溫下可達(dá)10%～20%，低溫4.2K下則達(dá)到110%，遠(yuǎn)大于一般各向異性磁電阻的電阻變化率[1－2].巨磁電阻傳感器主要應(yīng)用于探測磁場、電流、位移、角速度等領(lǐng)域.該傳感器具有體積小、靈敏度高、線性范圍寬、溫度穩(wěn)定性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已開始應(yīng)用于家用電器、汽車、自動控制、衛(wèi)星定位、導(dǎo)航系統(tǒng)、精密測量技術(shù)以及物理實驗[3－6]中.本文利用巨磁電阻傳感器設(shè)計制作的多功能測量儀，可用于精確測量物體的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，直觀地演示車輛對地磁場的擾動.

2 巨磁電阻效應(yīng)測量儀器

2.1 巨磁電阻效應(yīng)原理

巨磁電阻效應(yīng)是一種量子力學(xué)效應(yīng)，是在層狀的磁性薄膜結(jié)構(gòu)中觀察得到的.這種結(jié)構(gòu)由鐵磁材料和非磁材料薄層交替疊合而成.當(dāng)鐵磁層的磁矩相互平行時，載流子與自旋有關(guān)的散射最小，材料具有最小阻值.當(dāng)鐵磁層的磁矩為反平行時，與自旋有關(guān)的散射最強(qiáng)，材料的電阻最大，如圖1所示，白色區(qū)域?qū)訛殍F磁材料，黑色區(qū)域?qū)訛榉谴挪牧?

圖1 多層膜結(jié)構(gòu)

2.2 儀器結(jié)構(gòu)

AA002型巨磁電阻傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2所示.巨磁電阻傳感器由4個相同的巨磁電阻組成.在零磁場情形下，4個電阻的阻值均為R，輸出電壓VO＋＝VO－，此時輸出電壓差值為零.在有外加磁場時，由于電阻R1和R3由高導(dǎo)磁率材料（坡莫合金層）覆蓋屏蔽，其阻值對外界磁場無響應(yīng).而電阻R2和R4將變?yōu)镽2＝R4＝R－ΔR，其中ΔR為外磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度為B時，單個巨磁電阻的阻值改變量，此時VO＋≠VO－.

圖2 AA002－02巨磁電阻傳感器

將AA002－02、儀表放大器、AD轉(zhuǎn)換器（MAX191）以及單片機(jī)（AT89S52）等元件集成在1塊PCB板上，實現(xiàn)傳感器輸出信號的自動處理，圖3為多功能測量儀實物圖.

圖3 多功能測量儀

AA002－02輸出的電壓為

AD采集的電壓為

其中，S為傳感器的靈敏度，B為位于敏感軸處被測磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，U為傳感器的供電電壓，A為儀表放大器的放大倍數(shù).根據(jù)（1）式可知，在S與U一定的條件下，輸出電壓與B成正比.由于巨磁電阻傳感器輸出的電壓在幾十mV到幾百mV之間變化，這不利于直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，所以需要將此微小信號進(jìn)行放大處理，即有（2）式.為了適合不同的場所，可借助儀表放大器和數(shù)字電位器實現(xiàn)信號放大，實現(xiàn)增益的可編程.本儀器提供3種方式顯示測量數(shù)據(jù)：

1）信號經(jīng)放大和濾波后直接連示波器.

2）信號經(jīng)濾波后將模擬信號通過AD芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，數(shù)字信號傳送至單片機(jī).單片機(jī)控制串口通信，將采集的信號傳送到PC機(jī)顯示.PC機(jī)采用LabVIEW軟件接收數(shù)據(jù)，實現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理.另外，若在信號放大過程中增益過高，LabVIEW還能寫數(shù)據(jù)至單片機(jī)，調(diào)整增益到合適的范圍，實現(xiàn)可編程增益控制.

3）數(shù)據(jù)由單片機(jī)可直接通過LCD顯示，但該功能只能顯示頻率較低的信號.若頻率較高，應(yīng)使用1）或2）方式顯示.

3 巨磁電阻傳感器在物理實驗中的應(yīng)用

3.1 轉(zhuǎn)速測量

轉(zhuǎn)動物體角速度大小的測量，可通過探測磁鋼因轉(zhuǎn)動而造成其磁感應(yīng)強(qiáng)度相對于固定GMR傳感器的改變.當(dāng)磁鋼固定于轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤的邊緣而GMR傳感器固定在轉(zhuǎn)盤的旁邊并與轉(zhuǎn)動物體保持一定距離時，參考磁鋼隨轉(zhuǎn)盤而轉(zhuǎn)動，每當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動1圈，就會使產(chǎn)生電壓脈沖輸出，圖4給出角速度測量原理[6].

圖4 角速度測量原理

同理在電機(jī)軸線上固定1片小磁鋼，小磁鋼因轉(zhuǎn)動而造成其磁感應(yīng)強(qiáng)度方向相對于固定GMR傳感器的改變.由于巨磁電阻傳感器只能測量其敏感軸方向的磁場，因電機(jī)的轉(zhuǎn)動在敏感軸方向?qū)a(chǎn)生與電機(jī)轉(zhuǎn)速相同頻率的信號，則可測量到被測磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為

其中，Bs為處于敏感軸方向的被測磁感應(yīng)強(qiáng)度，B為小磁鋼的磁感應(yīng)強(qiáng)度，B0為電磁鐵提供的偏置磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度，θ為小磁鋼磁感應(yīng)強(qiáng)度與敏感軸向的夾角.電機(jī)轉(zhuǎn)動時，由于B和B0的值固定，電機(jī)轉(zhuǎn)動的頻率與θ變化的頻率相同.將低通濾波器輸出信號與示波器相連接，當(dāng)小磁鋼與電機(jī)一起轉(zhuǎn)動時，輸出信號將沿cosθ曲線變化，得到如圖5所示的波形.通過示波器測量得該波形的周期為15ms，從而可得出該電機(jī)的轉(zhuǎn)速為4 000rad／min.圖6為巨磁電阻傳感器經(jīng)放大后的模擬信號通過AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由單片機(jī)傳送到PC機(jī)中顯示的波形圖.同理，對于物體的轉(zhuǎn)角也可進(jìn)行測量.

圖5 示波器顯示輸出信號大小

圖6 PC顯示AD采集信號大小

3.2 車輛檢測

地球是個大磁體，其表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小約為3×10－5～6×10－5T，磁場指向北方.圖7說明了一鐵磁性物體對地磁場的擾動，造成鐵磁性物體周圍地磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小發(fā)生變化.利用GMR傳感器即可測量此磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化量.

圖7 在均勻磁場中鐵磁物體引起的磁場畸變

關(guān)于鐵磁物體的磁擾動，如1輛汽車可看作多個雙極性磁鐵組成的模型.因雙極性磁鐵具有北－南的極化方向，這將引起地磁場的擾動.這些擾動在汽車發(fā)動機(jī)和車輪處尤其明顯，但也取決于在車輛內(nèi)部、車頂或者后備箱有無其他鐵磁物質(zhì).總之，這將會綜合地引起對地磁場磁力線的扭曲畸變，這種扭曲也被稱作車輛的硬鐵影響或者干擾[7].由于各種不同的車輛在外界都有其自身特征的磁場分布，故通過GMR（弱場）傳感器可探測各種車輛的磁場分布進(jìn)而確定該車輛的型號.GMR傳感器不僅可探測靜止車輛的狀況進(jìn)而用在交通燈的交通控制和停車場處停車位置監(jiān)控，而且也可探測移動車輛的運(yùn)動情況.具體來說，放置在高速公路邊的GMR傳感器可以計算和區(qū)別通過傳感器的車輛.若在一距離內(nèi)放置2個GMR傳感器，還可用于探測通過車輛的速度和車輛的長度等信息.

將測量儀器放置在距離BRT專用道路30cm處，可進(jìn)行BRT公交車輛實地測量.圖8為山東省濟(jì)南市BRT 1號線公交車駛過儀器時顯示的對地磁場的干擾曲線圖.X軸為時間軸，Y軸為AD采集的電壓值.由（1）式和（2）式可知，此曲線圖直接反應(yīng)了巨磁電阻傳感器敏感軸處被測磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化.

圖8 BRT 1號線公交車對地磁場的干擾曲線圖

4 結(jié) 論

本文提出基于巨磁電阻傳感器測量轉(zhuǎn)速和演示車輛對地磁場的擾動方案，并成功研制了測量儀器.巨磁電阻傳感器由于其體積小、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，適宜在物理實驗中運(yùn)用，且能提高實驗測量精度.將巨磁電阻傳感器、儀表放大器、AD轉(zhuǎn)換器以及單片機(jī)等元件集成在一塊PCB板上，實現(xiàn)信號的放大、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸.同時還能根據(jù)不同的測量環(huán)境提供不同的偏置磁場，擴(kuò)大儀器的測量范圍.這不僅可精確測量物體的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角，還能演示車輛對地磁場的擾動.該測量儀提供PC機(jī)、示波器和液晶屏3種不同方式顯示實驗數(shù)據(jù)，示波器顯示精度最高，液晶屏顯示精度最低.

[1] Baibich M N，Broto J M，F(xiàn)ert A，et al.Giant Magnetoresistance of（001）Fe／（001）Cr Magnetic Superlattice[J].Phys.Rev.Lett.，1988，61（21）：2472－2474.

[2] 周勛，梁冰清，唐云俊，等.磁電阻效應(yīng)的研究進(jìn)展[J].物理實驗，2000，20（9）：13－14.

[3] 鄒紅玉.巨磁電阻傳感器在物理實驗中的應(yīng)用[J].大學(xué)物理，2009，28（5）：38－42.

[4] 康偉芳.基于巨磁電阻位移傳感器的固體熱脹系數(shù)測量[J].傳感器與微系統(tǒng)，2009，28（6）：107－109.

[5] 張朝民，張欣，陸申龍，等.巨磁電阻效應(yīng)實驗儀的研制與應(yīng)用[J].物理實驗，2009，29（6）：15－19.

[6] 肖又專，王林忠，庫萬軍，等.巨磁電阻傳感器的應(yīng)用[J].磁性材料及器件，2002，32（2）：40－44，49.

[7] 蘇東海，王亮，馬壽峰.基于地磁感應(yīng)的車輛檢測方法的研究[J].交通與計算機(jī)，2007，25（3）：9－13.