CoFeSiB非晶絲弱磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x的研制

邵思奇，孫亞娟，張樹玲，高 貴

（1.天津工業(yè)大學(xué)，天津 300387；2.寧夏大學(xué)，寧夏 銀川 750021）

CoFeSiB非晶絲弱磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x的研制

邵思奇1，孫亞娟1，張樹玲2，高 貴1

（1.天津工業(yè)大學(xué)，天津 300387；2.寧夏大學(xué)，寧夏 銀川 750021）

設(shè)計(jì)了以Co基非晶絲為敏感元件的傳感器探頭，多諧振蕩勵(lì)磁電路，信號(hào)處理電路，單片機(jī)顯示電路，且對(duì)該磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x進(jìn)行了標(biāo)定。

CoFeSiB非晶絲；巨磁阻抗效應(yīng)；弱磁場(chǎng)傳測(cè)量?jī)x

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，磁場(chǎng)檢測(cè)儀已經(jīng)被廣泛用于醫(yī)學(xué)、工業(yè)等領(lǐng)域，且對(duì)磁場(chǎng)檢測(cè)儀的要求也越來(lái)越高。而目前市場(chǎng)上的磁場(chǎng)檢測(cè)儀多是以霍爾效應(yīng)原理為基礎(chǔ)，存在測(cè)量誤差大、量程有限、靈敏度較低以及探頭易損傷等弱點(diǎn)。

Co基非晶絲具有高磁導(dǎo)率、磁滯損耗和矯頑力小、近零磁致伸縮系數(shù)、特殊磁疇結(jié)構(gòu)、較好的幾何對(duì)稱性等特點(diǎn)，因此，Co基非晶絲適合應(yīng)用于高性能的磁敏傳感器，具有響應(yīng)速度快和靈敏度高等特點(diǎn)［1-4］。

1 非晶絲簡(jiǎn)介

1.1 Co68Fe4.5Si15B12.5非晶絲的特性

設(shè)計(jì)所選非晶絲的名義成分為Co68Fe4.5Si15B12.5（原子百分比），采用熔體抽拉法制備，其直徑約為45 μm，如圖1所示。淬態(tài)的矯頑力Hc=42 A/m，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs=0.61 T，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br=0.002 1 T，居里溫度TC=385℃，初始晶化溫度Tx=538℃。

圖1 Co68Fe4.5Si15B12.5非晶絲的掃描電鏡圖

1.2 非晶絲的GMI效應(yīng)

GMI抗效應(yīng)是指材料在高頻交流電下表現(xiàn)出的交流阻抗對(duì)某個(gè)方向的外磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化相當(dāng)敏感的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)非晶絲周圍通有較大頻率的交變電流，且保持其磁致伸縮系數(shù)接近零的情況下，就會(huì)產(chǎn)生較為明顯的GMI效應(yīng)，其本質(zhì)原理可以應(yīng)用電動(dòng)力學(xué)做如下解釋，即:在射頻電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，由于趨膚效應(yīng)，導(dǎo)體內(nèi)部分布的電流強(qiáng)度并不均勻，大部分電流將集中在導(dǎo)體外側(cè)表面。由趨膚深度的公式可以推導(dǎo)出導(dǎo)體中電流密度從外表面到內(nèi)部的變化情況［2］。

其中ρ為材料磁導(dǎo)率，ω為射頻電流的角頻率，μ為導(dǎo)體的電阻率。

當(dāng)外界磁場(chǎng)或磁導(dǎo)率發(fā)生變化時(shí)，Co基非晶絲的阻抗會(huì)隨之發(fā)生有規(guī)律的變化。而磁導(dǎo)率的變化則會(huì)引起非晶絲的巨磁阻抗效應(yīng)的增大。我們用磁電阻抗的變化率來(lái)反映巨磁阻抗效應(yīng)的變化的強(qiáng)弱。

其中Z（Hex）為當(dāng)外界磁場(chǎng)為He時(shí)Co基非晶絲的電阻抗。Z（0）為無(wú)外界磁場(chǎng)是Co基非晶絲的固有電阻抗。

閘室為分離式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，順?biāo)鞣较蛑鞑坶l室長(zhǎng)8 m，底板高程1 004 m；灘地閘室長(zhǎng)8 m，底板高程1 005 m。閘門為可升降的鋼壩閘門。主槽攔河閘為1孔，閘板總長(zhǎng)40 m，擋水高度3.0 m；左岸灘地?cái)r河閘為3孔，閘板總長(zhǎng)120 m，單扇閘板寬度40 m，擋水高度2.0 m；右岸灘地?cái)r河閘為3孔，閘板總長(zhǎng)120 m，單扇閘板寬度40 m，擋水高度2.0 m；攔河閘由設(shè)在左岸的液壓控制室控制啟閉。攔河閘閘墩為鋼筋混凝土箱式結(jié)構(gòu)，根據(jù)超高計(jì)算，閘墩頂高程1 008.2 m。下游連接段，包括消力池、海漫以及兩岸翼墻和護(hù)坡。引導(dǎo)出閘水流均勻擴(kuò)散，下游連接段總長(zhǎng)18 m。

在該磁場(chǎng)儀的設(shè)計(jì)過(guò)程中，只需直徑為45 μm，1～2 cm長(zhǎng)的非晶絲，通以毫安級(jí)的高頻交流電，就可獲得10%～100%/Oe的高靈敏度。設(shè)計(jì)過(guò)程中該磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x通過(guò)自制的線圈對(duì)其進(jìn)行勵(lì)磁，使GMI效應(yīng)可以被合理的應(yīng)用于磁場(chǎng)的測(cè)量［3］。

2 傳感器探頭設(shè)計(jì)原理

2.1 探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x的探頭用的是自制的雙繞組合式探頭結(jié)構(gòu)，包括Co基非晶絲和雙繞線圈兩個(gè)部分。雙繞組合線圈由直徑為0.035 mm的漆包線纏繞而成，每只線圈長(zhǎng)度約為1 cm，每?jī)芍唤M合成一個(gè)雙繞線圈。采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)，巧妙的避免了測(cè)量過(guò)程中環(huán)境溫度和電流熱效應(yīng)對(duì)磁場(chǎng)儀測(cè)量精度的影響。將Co基非晶絲置入其中，構(gòu)成雙繞組合式探頭。

2.2 探頭工作原理

傳感器探頭末端與多諧振蕩電路相連接，一旦該電路輸出的高頻信號(hào)對(duì)Co基非晶絲產(chǎn)生勵(lì)磁作用Co基非晶絲就會(huì)使線圈的阻抗發(fā)生變化，阻抗的變化會(huì)影響多諧振蕩電路的周期，最終根據(jù)多諧振蕩電路周期的變化來(lái)對(duì)磁場(chǎng)的變化進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定過(guò)程中發(fā)現(xiàn)線圈的匝數(shù)會(huì)對(duì)多諧振蕩電路的周期和電壓產(chǎn)生一定影響，這些影響均會(huì)在標(biāo)定的過(guò)程中得到處理［5］。

3 電路設(shè)計(jì)

3.1 多諧振蕩電路

為實(shí)現(xiàn)對(duì)敏感元件Co基非晶絲的勵(lì)磁，搭建了如圖2所示的多諧振蕩電路，按照該電路的工作原理可將電路的工作周期分為兩個(gè)部分，前一周期三極管Q1導(dǎo)通而三極管Q2截止，所以線圈L1中的電流增加到達(dá)到最大，線圈L2中的電流減為零，下一周期，三極管Q2導(dǎo)通而三極管Q1截止，變化與前一周期相反，周而復(fù)始在線圈中產(chǎn)生交變的電流，此時(shí)若外界磁場(chǎng)變化，由于Co基非晶絲的GMI效應(yīng)，其交流阻抗對(duì)外磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化相當(dāng)敏感，線圈會(huì)影響多諧振蕩電路工作周期，進(jìn)而完成對(duì)非晶絲的勵(lì)磁［6］。儀器試驗(yàn)階段可以清晰的在示波器上觀察到的多諧振蕩電路的周期發(fā)生了規(guī)律性的變化。

圖2 多諧振蕩電路

3.2 儀表放大器電路

由于多諧振蕩器中產(chǎn)生的多諧振蕩信號(hào)周期較高，幅值較小，無(wú)法直接輸入單片機(jī)中進(jìn)行信號(hào)的讀取和處理，所以在此之前先將信號(hào)輸入搭建好的儀表放電器之中進(jìn)行兩級(jí)放大。該部分的核心運(yùn)放為OPA685高性能運(yùn)放芯片，該運(yùn)算放大器芯片的轉(zhuǎn)換速率達(dá)到了1 700 V/ms至1 200 V/ ms，完全可以滿足對(duì)于多諧振蕩電路輸出的高頻率小信號(hào)進(jìn)行放大的要求。該放大器電路圖如圖3所示。

圖3 多級(jí)放大電路

其中A1，A2共同構(gòu)成第一級(jí)運(yùn)算放大電路，A3單獨(dú)構(gòu)成第二級(jí)運(yùn)算放大電路。其中電阻的配比決定了放大電流的放大倍數(shù)。設(shè)計(jì)時(shí)，R1=R2，R3= R4由儀表放大器的輸入輸出關(guān)系可知［7-8］

由于放大過(guò)程中信號(hào)會(huì)有一定的失真，同時(shí)會(huì)引入少量雜波，所以在實(shí)際儀器電路中還設(shè)計(jì)了濾波整形電路。

3.3 STC12C5A60S2處理器電路

該磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x在選取MCU時(shí)，主要考慮了兩方面因素。一方面，該MCU應(yīng)該具備讀取高頻信號(hào)的能力，以便可以探測(cè)出從儀表放大器放大電路中輸出的高頻周期信號(hào)。另一方面，該MCU應(yīng)該具備高速的運(yùn)算性能，在實(shí)施標(biāo)定時(shí)能快速的將周期信號(hào)的周期變化轉(zhuǎn)化為被測(cè)量區(qū)域時(shí)時(shí)的磁場(chǎng)大小并通過(guò)數(shù)碼管進(jìn)行顯示。綜合上述要求，選取STC12C5A60S2芯片作為該磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x的核心處理器芯片。將該信號(hào)輸入到其P3.4的外部中斷管腳，在STC12C5A60S2的程序編寫的過(guò)程當(dāng)中，利用中斷方式，測(cè)量信號(hào)的周期，由于周期的大小隨外界磁場(chǎng)的大小變化而變化，所以容易建立磁場(chǎng)大小與信號(hào)周期之間的函數(shù)關(guān)系，再將函數(shù)中運(yùn)算的結(jié)果輸送至數(shù)碼管顯示模塊，進(jìn)行磁場(chǎng)大小的時(shí)時(shí)顯示。

3.4 數(shù)碼管顯示模塊

動(dòng)態(tài)數(shù)碼管顯示:顯示模塊選擇了動(dòng)態(tài)數(shù)碼管顯示，采用兩片74HC573鎖存芯片作為數(shù)碼管的段選和位選信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示，從一定角度講，大大降低了顯示模塊的功耗。

4 傳感器標(biāo)定

硬件電路部分設(shè)計(jì)完畢以后，采用亥姆霍茲線圈為基本的標(biāo)定工具，將磁場(chǎng)儀的雙繞組合線圈置于亥姆霍茲線圈的中心位置。此時(shí)應(yīng)特別注意線圈方向與地磁場(chǎng)方向之間的夾角，盡量避免地磁場(chǎng)對(duì)標(biāo)定所產(chǎn)生的影響。將亥姆霍茲線圈接入穩(wěn)壓電源時(shí)亥姆霍茲線圈產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)。在標(biāo)定過(guò)程中，不斷的改變通入亥姆霍茲線圈的電流大小，同時(shí)記錄信號(hào)的頻率，最終得到磁場(chǎng)和頻率之間的關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 傳感器校準(zhǔn)曲線

實(shí)際的磁場(chǎng)大小與多諧振蕩電路頻率的最佳直線擬合方程為:

其中H磁場(chǎng)為當(dāng)時(shí)實(shí)際的磁場(chǎng)大小，f頻率為單片機(jī)讀取的實(shí)時(shí)多諧振蕩電路的頻率。在編程過(guò)程中建立標(biāo)定子函數(shù)，將該擬合函數(shù)錄入其中，方便程序執(zhí)行時(shí)對(duì)其進(jìn)行調(diào)用。

5 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)儀的市場(chǎng)化應(yīng)用，設(shè)計(jì)磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x電源模塊時(shí)采用開關(guān)電源作為該儀器的總電源，外部可直接加220 V的交流市電，經(jīng)開關(guān)電源處理后輸出5 V，1A的電流。特別注意，在電路設(shè)計(jì)過(guò)程的儀表放大器電路的搭建過(guò)程中所應(yīng)用的高速運(yùn)放OPA685芯片需要正負(fù)5 V的雙電源供電才可以正常的工作，所以為該儀表放大器模塊進(jìn)行供電之前還需經(jīng)過(guò)升壓模塊，先將電源的電壓升高到10 V，在利用分壓模塊將升高的電壓分為正5 V和負(fù)5 V同時(shí)為OPA685高速運(yùn)放芯片提供電源。由于所有電路設(shè)計(jì)均采用低功耗器件，所以測(cè)量?jī)x的整體耗電很低，符合國(guó)家對(duì)于儀器儀表節(jié)能功耗標(biāo)準(zhǔn)的要求。

6 結(jié) 論

基于新型Co68Fe4.5Si15B12.5非晶絲的GMI效應(yīng)，以Co非晶絲為傳感器的敏感元件設(shè)計(jì)了磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x的探頭，配以多諧振蕩電路和STC12C5A60S2芯片作為該磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x的核心處理器芯片，制作高靈敏度、高線性度的弱磁場(chǎng)檢測(cè)儀，該磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x器可應(yīng)用于地磁場(chǎng)測(cè)量、目標(biāo)探測(cè)與追蹤和生物磁性測(cè)量等領(lǐng)域。

［1］ 鮑丙豪.單磁芯雙繞組非晶絲新型磁場(chǎng)傳感器的研究［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2001，22（2）:168-171.

［2］ YANWEI J，JIANCHE NG F，SANSHE NG W.A sensitive magnetic field sensor utilizing the giant magnetoimpedanceeffectinfield-annealedCo-based amorphous ribbons［J］.Sensor Letters，2010，8（2）: 314-319.

［3］ RHEEM Y W，KIM C G.Current sensor application ofasymmetric giant magneto impedance in amorphous materials［J］.Sensors and Actuators A，2003:106，19-21.

［4］ 魏雙成，鄧甲昊，楊雨迎.基于GMI效應(yīng)的高靈敏磁探測(cè)技術(shù)［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2013（5）:149-158.

［5］ 蔣峰.基于非晶態(tài)GMI效應(yīng)新型弱磁場(chǎng)傳感器［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2012（1）:1-7.

［6］ 蔣顏瑋，房建成，黃學(xué)功，等.巨磁阻抗傳感器敏感材料的選擇［J］.功能材料，2009（1）:1-6.

［7］ 孫驥，鄧甲昊，高珍，等.基于巨磁阻抗效應(yīng)的新型微磁近感探測(cè)技術(shù)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2009（4）: 93-96.

［8］ 劉立英.平行共軸雙線圈的空間磁場(chǎng)研究［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2013（5）:68-69.

Design of Weak Magnetic Field Measuring Instrument with CoFeSiB-based Amorphous Wire

SHAO Si-qi1，SUN Ya-juan1，ZHANG Shu-ling2，GAO Gui1
（1.Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387；2.Ningxia University，Ningxia Yinchuan 750021）

In this paper，weak magnetic field measuring instrument was developed，based on the giant magnetoimpedance effect（GMI）of new materials Co68Fe4.5Si15B12.5amorphous wire.Co-based amorphous wire sensor probe for sensitive components，multi-harmonic oscillation excitation circuit，the signal processing circuit，and microcontroller display circuit was designed，and the magnetic field measurement instrument was calibrated. This new sensor can be used in different field，such as the textile，military and research.

CoFeSiB-based amorphous wire；GMI effect；weak magnetic sensor

TP212

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.01.001

1007-2934（2015）01-0001-04

2014-10-12

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（201210058004）