基于巨磁电阻效应的多功能测量仪

庄明伟，王小安，徐 图，黄 鹏，梁志强

（1.山东交通学院理学院，山东济南250023；2.厦门大学信息科学与技术学院电子工程系，福建厦门361005）

1 引 言

巨磁电阻效应是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较无外磁场作用时存在巨大变化的现象.法国物理学家阿尔伯特·费尔、德国物理学家彼得·格鲁伯格于1988年发现该效应而获得2007年度诺贝尔物理学奖.他们分别独立发现由铁磁金属与非磁金属组合，且相邻铁磁膜磁矩反耦合所构成的多层膜，在附加外磁场和不附加外磁场时其电阻变化率，室温下可达10%～20%，低温4.2K下则达到110%，远大于一般各向异性磁电阻的电阻变化率[1－2].巨磁电阻传感器主要应用于探测磁场、电流、位移、角速度等领域.该传感器具有体积小、灵敏度高、线性范围宽、温度稳定性好、成本低等优点，已开始应用于家用电器、汽车、自动控制、卫星定位、导航系统、精密测量技术以及物理实验[3－6]中.本文利用巨磁电阻传感器设计制作的多功能测量仪，可用于精确测量物体的转速和转角，直观地演示车辆对地磁场的扰动.

2 巨磁电阻效应测量仪器

2.1 巨磁电阻效应原理

巨磁电阻效应是一种量子力学效应，是在层状的磁性薄膜结构中观察得到的.这种结构由铁磁材料和非磁材料薄层交替叠合而成.当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料具有最小阻值.当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大，如图1所示，白色区域层为铁磁材料，黑色区域层为非磁材料.

图1 多层膜结构

2.2 仪器结构

AA002型巨磁电阻传感器的结构如图2所示.巨磁电阻传感器由4个相同的巨磁电阻组成.在零磁场情形下，4个电阻的阻值均为R，输出电压VO＋＝VO－，此时输出电压差值为零.在有外加磁场时，由于电阻R1和R3由高导磁率材料（坡莫合金层）覆盖屏蔽，其阻值对外界磁场无响应.而电阻R2和R4将变为R2＝R4＝R－ΔR，其中ΔR为外磁场磁感应强度为B时，单个巨磁电阻的阻值改变量，此时VO＋≠VO－.

图2 AA002－02巨磁电阻传感器

将AA002－02、仪表放大器、AD转换器（MAX191）以及单片机（AT89S52）等元件集成在1块PCB板上，实现传感器输出信号的自动处理，图3为多功能测量仪实物图.

图3 多功能测量仪

AA002－02输出的电压为

AD采集的电压为

其中，S为传感器的灵敏度，B为位于敏感轴处被测磁感应强度的大小，U为传感器的供电电压，A为仪表放大器的放大倍数.根据（1）式可知，在S与U一定的条件下，输出电压与B成正比.由于巨磁电阻传感器输出的电压在几十mV到几百mV之间变化，这不利于直接进行数据采集，所以需要将此微小信号进行放大处理，即有（2）式.为了适合不同的场所，可借助仪表放大器和数字电位器实现信号放大，实现增益的可编程.本仪器提供3种方式显示测量数据：

1）信号经放大和滤波后直接连示波器.

2）信号经滤波后将模拟信号通过AD芯片转换为数字量，数字信号传送至单片机.单片机控制串口通信，将采集的信号传送到PC机显示.PC机采用LabVIEW软件接收数据，实现相应的数据处理.另外，若在信号放大过程中增益过高，LabVIEW还能写数据至单片机，调整增益到合适的范围，实现可编程增益控制.

3）数据由单片机可直接通过LCD显示，但该功能只能显示频率较低的信号.若频率较高，应使用1）或2）方式显示.

3 巨磁电阻传感器在物理实验中的应用

3.1 转速测量

转动物体角速度大小的测量，可通过探测磁钢因转动而造成其磁感应强度相对于固定GMR传感器的改变.当磁钢固定于转动转盘的边缘而GMR传感器固定在转盘的旁边并与转动物体保持一定距离时，参考磁钢随转盘而转动，每当转盘转动1圈，就会使产生电压脉冲输出，图4给出角速度测量原理[6].

图4 角速度测量原理

同理在电机轴线上固定1片小磁钢，小磁钢因转动而造成其磁感应强度方向相对于固定GMR传感器的改变.由于巨磁电阻传感器只能测量其敏感轴方向的磁场，因电机的转动在敏感轴方向将产生与电机转速相同频率的信号，则可测量到被测磁感应强度的大小为

其中，Bs为处于敏感轴方向的被测磁感应强度，B为小磁钢的磁感应强度，B0为电磁铁提供的偏置磁场的磁感应强度，θ为小磁钢磁感应强度与敏感轴向的夹角.电机转动时，由于B和B0的值固定，电机转动的频率与θ变化的频率相同.将低通滤波器输出信号与示波器相连接，当小磁钢与电机一起转动时，输出信号将沿cosθ曲线变化，得到如图5所示的波形.通过示波器测量得该波形的周期为15ms，从而可得出该电机的转速为4 000rad／min.图6为巨磁电阻传感器经放大后的模拟信号通过AD转换为数字信号，由单片机传送到PC机中显示的波形图.同理，对于物体的转角也可进行测量.

图5 示波器显示输出信号大小

图6 PC显示AD采集信号大小

3.2 车辆检测

地球是个大磁体，其表面的磁感应强度的大小约为3×10－5～6×10－5T，磁场指向北方.图7说明了一铁磁性物体对地磁场的扰动，造成铁磁性物体周围地磁场的磁感应强度的大小发生变化.利用GMR传感器即可测量此磁感应强度的变化量.

图7 在均匀磁场中铁磁物体引起的磁场畸变

关于铁磁物体的磁扰动，如1辆汽车可看作多个双极性磁铁组成的模型.因双极性磁铁具有北－南的极化方向，这将引起地磁场的扰动.这些扰动在汽车发动机和车轮处尤其明显，但也取决于在车辆内部、车顶或者后备箱有无其他铁磁物质.总之，这将会综合地引起对地磁场磁力线的扭曲畸变，这种扭曲也被称作车辆的硬铁影响或者干扰[7].由于各种不同的车辆在外界都有其自身特征的磁场分布，故通过GMR（弱场）传感器可探测各种车辆的磁场分布进而确定该车辆的型号.GMR传感器不仅可探测静止车辆的状况进而用在交通灯的交通控制和停车场处停车位置监控，而且也可探测移动车辆的运动情况.具体来说，放置在高速公路边的GMR传感器可以计算和区别通过传感器的车辆.若在一距离内放置2个GMR传感器，还可用于探测通过车辆的速度和车辆的长度等信息.

将测量仪器放置在距离BRT专用道路30cm处，可进行BRT公交车辆实地测量.图8为山东省济南市BRT 1号线公交车驶过仪器时显示的对地磁场的干扰曲线图.X轴为时间轴，Y轴为AD采集的电压值.由（1）式和（2）式可知，此曲线图直接反应了巨磁电阻传感器敏感轴处被测磁感应强度的变化.

图8 BRT 1号线公交车对地磁场的干扰曲线图

4 结 论

本文提出基于巨磁电阻传感器测量转速和演示车辆对地磁场的扰动方案，并成功研制了测量仪器.巨磁电阻传感器由于其体积小、灵敏度高、抗干扰能力强、成本低廉等优点，适宜在物理实验中运用，且能提高实验测量精度.将巨磁电阻传感器、仪表放大器、AD转换器以及单片机等元件集成在一块PCB板上，实现信号的放大、数据采集和数据传输.同时还能根据不同的测量环境提供不同的偏置磁场，扩大仪器的测量范围.这不仅可精确测量物体的转速、转角，还能演示车辆对地磁场的扰动.该测量仪提供PC机、示波器和液晶屏3种不同方式显示实验数据，示波器显示精度最高，液晶屏显示精度最低.

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

[2] 周勋，梁冰清，唐云俊，等.磁电阻效应的研究进展[J].物理实验，2000，20（9）：13－14.

[3] 邹红玉.巨磁电阻传感器在物理实验中的应用[J].大学物理，2009，28（5）：38－42.

[4] 康伟芳.基于巨磁电阻位移传感器的固体热胀系数测量[J].传感器与微系统，2009，28（6）：107－109.

[5] 张朝民，张欣，陆申龙，等.巨磁电阻效应实验仪的研制与应用[J].物理实验，2009，29（6）：15－19.

[6] 肖又专，王林忠，库万军，等.巨磁电阻传感器的应用[J].磁性材料及器件，2002，32（2）：40－44，49.

[7] 苏东海，王亮，马寿峰.基于地磁感应的车辆检测方法的研究[J].交通与计算机，2007，25（3）：9－13.