基于GMI效应的高灵敏磁探测技术 *

魏双成，邓甲昊，杨雨迎

(1机电动态控制重点实验室，北京 100081;2北京理工大学机电学院，北京 100081)

0 引言

1992年日本学者毛利教授在非晶丝中发现了GMI效应，以此制作的磁传感器与霍尔效应、磁通门等传统磁传感器相比其灵敏度、尺寸和功耗等性能得到了显著提升，具有更优异的综合性能[1]。为了提高传感器的磁场灵敏度、线性度和稳定性，GMI传感器一般采用负反馈电路对输出进行调节，负反馈回路和负反馈线圈会使得线路的结构变得复杂，而且使功耗增加，不利于传感器的小型化，同时在尺寸微小的非晶丝上制作负反馈线圈和检测线圈构成的双绕组也比较困难。如果不加负反馈电路，传感器难以满足高灵敏度和线性度的要求。为解决这一问题，对非晶丝磁敏感元件结构优化设计，可有效消除高频电流引入的磁场干扰，在无负反馈线圈的情况下能保证传感器具有较高性能。

1 高灵敏近感磁场探测系统

1.1 非晶丝的GMI效应原理

钴基非晶丝磁致伸缩系数为 －10－7，具有优良的机械性能和软磁特性，适合于制作GMI传感器。GMI效应原理如图1所示，在非晶丝通入高频交变电流iac时，其阻抗Z发生巨烈变化，会随着非晶丝轴向外部磁场Hex模值的增加成比例降低，而在较低频率电流作用下，阻抗Z基本不发生变化。非晶丝阻抗Z的变化会使其周围磁场发生变化，从而在检测线圈中产生感应电压，通过测量感应电压，可计算非晶丝轴向磁场的大小。传感器通常采用双绕组工作方式，一组线圈为感应电压的检测线圈，另一组为负反馈线圈，传感器输出端一部分信号通过负反馈电路加到反馈线圈上，反馈线圈中电流产生的磁场对被测磁场进行补偿，消除脉冲电流对检测线圈感应电压的干扰，以提高传感器的灵敏度、线性度和稳定性[2]。

图1 非晶丝GMI效应示意图

GMI效应的强弱通常用磁阻抗比率的大小表征，磁阻抗比率定义为:

其中:Z(H)表示非晶丝在磁场H下的阻抗，Z(Hmax)表示非晶丝在饱和磁场Hmax下的阻抗，磁阻抗比率越大，表明材料的GMI效应越明显，非晶丝的阻抗Z可表示为:

选择成分为(Co94Fe6)72.5Si12.5B15的非晶丝，其直径为30 μm，长度为 3 mm，通过式(1)计算并比较1MHz、3MHz、5MHz和 7MHz四种频率下的磁阻抗比率，在1MHz时具有最大磁阻抗比率，接近330%，GMI效应最强[5－6]，因此，选择频率接近 1MHz 的脉冲电流作为激励源。

1.2 磁敏感元件结构设计

在非晶丝磁探测器中，探测器磁敏感元件是核心部件。为了解决上述负反馈线圈造成的制造困难和电路复杂以及功耗等问题，设计特殊结构的磁敏感元件，如图2所示，这种结构可以消除非晶丝中脉冲电流产生的磁场对传感器输出的影响。

图2 非晶丝磁敏感元件结构示意图

导电层材质为非磁性的铜或铝，用电镀方法制作，检测线圈直径小于200 μm，绕制匝数为20，连接部连接非晶丝和导电层，形成脉冲电流回路，导电层和非晶丝在制作时保持同轴。非晶丝中流过脉冲电流I时，在环绕方向产生磁场H，该磁场会使得检测线圈输出感应电压dH/dt，成为传感器工作时引入的一个干扰因素。如果在流过脉冲电流的状态下施加外部磁场Hex，非晶丝由于GMI效应，会在检测线圈中产生感应电压dM/dt，该电压值和外部磁场成比例关系，是待测部分，而干扰因素dH/dt会影响传感器的实际测量结果，降低输出线性度和灵敏度。如图2所示，由连接部形成的回路中，非晶丝和导电层流过的电流大小相同，而方向相反，在 A点的磁场幅值分别为 H1=μ0I/(2πr)和H2= －μ0I/(2πr)，其中，r为A点到非晶丝轴心的距离，μ0为真空中的磁导率，因为导电层和非晶丝是同轴心关系，H1与H2大小相等，方向相反，合成的结果为相互抵消，因此消除了脉冲电流对磁场测量的影响，传感器仅对随轴向外部磁场变化的dM/dt进行检测。

1.3 高灵敏度磁场探测器

非晶丝GMI效应有“沿效应”特征，即脉冲波形的上升沿和下降沿越陡，则非晶丝的GMI效应就越显强烈。这要求高频脉冲信号的幅值和频率稳定，且波形上升沿宽度尽量窄。为此设计了高频脉冲发生器，采用CMOS反相器组成多谐振荡器，其优点是电路结构简单易于调试，产生的信号波形稳定可靠，并能减小电路体积。图3所示为高频脉冲信号发生电路原理图，反相器和电阻电容组成多谐振荡器，占空比为50%，通过调节容阻匹配大小，能产生频率500 kHz至2 MHz的矩形方波，图中参数对应的脉冲频率为820 kHz。

图3 高频脉冲激励电路原理图

上拉电阻和电容组成的微分电路把矩形方波转换为尖脉冲信号。示波器实测尖脉冲波形如图4所示，图中的尖脉冲信号宽度为1.45 μs，信号上升沿宽度小于30 ns，在尖脉冲电流信号激励下，非晶丝具有强烈的GMI效应，磁传感器具有较高灵敏度。

图4 高频尖脉冲波形

非晶丝磁敏感元件经高频脉冲激励后，检测线圈在磁场作用下输出与被测磁场成比例的感应电压，该电压信号在毫伏量级，需要经过放大滤波去除噪声和杂波信号，再经过电平转化电路输出到单片机A/D模块，采样后的数字信号经过预定的判别算法进行目标特性的判定。高频脉冲发生器、磁敏感元件、信号预处理电路和单片机MSP430F449等组成磁场探测器，结构框图如图5所示，其中信号预处理电路包括放大、滤波和电平转换电路。探测器通过对磁场信号进行实时采集、存储处理和控制，可以实现对微小铁磁目标的探测。

图5 高灵敏磁场探测器结构框图

2 实验结果和分析

在实验室环境下进行传感器输出特性测试和探测器对微小磁性目标探测实验。在磁场屏蔽的条件下，用亥姆霍兹线圈产生平行于非晶丝轴向的直流磁场，调节电流大小使轴向磁场在 －1Oe至 +1Oe范围内连续变化，测量非晶丝传感器输出电压，根据所测实验数据绘出非晶丝磁传感器输出特性曲线，如图6所示，传感器具有良好的线性度，在线性范围内磁传感器的磁场灵敏度可达185 mV/Oe。

图6 磁传感器输出特性曲线

在实验室无磁场屏蔽环境下，用该探测器对微小铁磁目标进行探测实验。以Φ10mm×20mm的铁棒为目标，目标沿距离探测器500mm平行于磁敏感方向的直线上往复移动。在目标经过探测器时，探测器能够准确探测到信号，并输出探测结果。根据探测器采集的实测数据，得到如图7所示的磁性目标特性曲线，探测器的磁场分辨率达10nT。

图7中的每一个波形代表小铁棒经过探测器一次，因为小铁棒是在探测器旁往复运动，相邻的两次运动方向相反，在目标特性曲线中的波形也有所不同，波形1显示探测器周围的磁场幅值先下降至最低点后又迅速上升为最大值，过零点对应小铁棒距离探测器最近的位置，因为磁场为矢量，运动方向与探测器磁敏感方向相同，所以在距离探测器最近位置的两侧会呈现方向相反的两个波形峰值。在小铁棒远离探测器后，又返回靠近探测器时，磁场幅值先增大至最大值，过零后又减小至最小值，如图中的波形2。波形变化趋势所反映的磁场变化趋势与小铁棒运动方向相对应，这正符合磁场矢量的变化规律。波形1和2对应小铁棒往复运动中的两次相反方向的运动。

图7 磁性目标特性曲线

3 结论

由实验结果和分析，所设计的特殊结构磁敏感元件能有效解决无反馈电路传感器灵敏度低的问题，设计的高频脉冲发生器工作稳定可靠。磁探测器具有较高的灵敏度和较宽的线性量程，磁场灵敏度为185 mV/Oe，线性范围为±1Oe，磁探测器的磁场分辨率可达10 nT，能对微小铁磁物体进行准确探测，该探测器具有较好的抗干扰能力和工作稳定性，不仅适用于微小铁磁目标的探测，还适用于较远距离时一般铁磁目标的探测。

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