基于巨磁阻抗效应的磁传感器设计*

杨志成 李 伟

(中国船舶重工集团公司第七一○研究所 宜昌 443003)



基于巨磁阻抗效应的磁传感器设计*

杨志成 李 伟

(中国船舶重工集团公司第七一○研究所 宜昌 443003)

为检测环境中微弱磁场的变化,需使用灵敏度高的磁传感器,非晶丝具有在交流激励下阻抗变化率高的特点,非常适合用来做高灵敏度传感器,根据这种特点,一种以铁基非晶丝为敏感材料的新型磁传感器被设计了,该传感器采用差分式的探头结构和同步检波电路,抑制了共模干扰和不相关噪声,取得了较好的试验效果。通过测试,传感器的工作区间为-1000nT～1500nT,灵敏度为216μV/nT,线性度为3.84%FS,有望用于微弱磁信号的检测。

巨磁阻抗; 磁传感器; 非晶丝; 同步检波; 差分结构; 灵敏度

Class Number TP212

1 引言

1992年,Mohri教授等发现具有零或负磁致伸缩系数的CoFeSiB非晶丝通入高频电流时非晶丝两端的电压随外磁场变化而灵敏变化,该现象被称为“巨磁阻抗效应(简称GMI)”[1],该现象随即引起了各国学者注意,罗马尼亚科学家提出了一种基于巨磁阻抗效应的玻璃包覆非晶丝阵列的生物传感器原型[2],法国学者对GMI效应机理做了详尽的分析[3～4],我国也对GMI效应传感器进行了相应的研究[5～6],并取得了一定的进展。本文在前人的基础上采用差分式探头结构和同步检波方式设计了一种新型磁传感器,经过实验室测试,效果良好。

2 敏感元件工作原理

敏感元件如图1所示,1、2表示非晶丝,3、4表示感应线圈,对于线圈匝数为N,线圈平均截面积为A的探头,在1、2端通入激励后,由法拉第电磁感应定律可知,3、4端产生的电压大小为

(1)

其中B为磁芯的磁感应强度,B=μ0(H+M),μ0为磁芯常数,M为磁芯的磁化强度。

图1 敏感元件示意图

在磁芯的长度方向上,磁场强度实际是由激励电流产生的激励磁场He和被测磁场Hd两部分构成的,即H=He+Hd一般情况下,He不仅远大于Hd,而且变化速度也比Hd快得多[7],所以存在式(2):

(2)

由式(2)可知,输出电压的数学表达式如式(3):

(3)

由式(3)和图2可以清楚解释巨磁阻抗效应传感器的工作原理,在外部环境和激励一定的条件下,可以认为dHe/dt为定值,又N、A、μ0为常数,输出电压正比于dM/dH。为使传感器反应灵敏,一般使其工作于中间段,中间段的dM/dH较大,此时若存在外部磁场变动,即H改变,则引起传感器工作点的偏移,进而使dM/dH发生变化,最终引起传感器电压输出的变化。

图2 非晶丝磁化曲线示意图

3 传感器设计

传感器整体主要包括探头和信号调理电路两个部分,信号调理电路包括检波、放大及滤波环节。

3.1 传感器探头的设计

图3 传感器探头示意图

探头的设计直接影响传感器的性能,探头的设计通常有三种方式,分别是:

1) 将激励信号加在非晶丝的1、2端,同时在1、2端进行感应信号的提取;

2) 将激励信号加在图1中感应线圈的3、4端,同时在非晶丝1、2端进行感应信号的提取;

3) 将激励信号加在图1中非晶丝的1、2端,同时在非晶丝外部所绕制的感应线圈3、4端进行感应信号的提取。

第三种方式和前两种方式相比,具有减少激励电路对感应信号的干扰、非晶丝阻抗变化率大、引入的噪声最小等优点[8],这里选用第三种方法。感应线圈采用双线并绕式,将线圈一端的两个引线端子短接并接地,另外一端的两个端子作为感应信号的输出端,与单线环绕的感应线圈相比,双线并绕方式3、4端输出的差分信号极大程度的抑制了共模干扰,且信号幅值是单线环绕时输出信号的两倍。

3.2 传感器同步检波

传感器的输出直接接到检波电路进行检波,常用的检波电路有同步检波和二极管峰值检波[9～10],和二极管峰值检波电路相比,同步检波电路可以很大程度抑制不相关噪声,消除二极管导通压降对传感器性能的影响。二极管检波时,检波电路参数的选择对检波效果影响很大,采用同步检波可以消除检波电路参数造成的影响。

本文采用的同步检波电路结构如图4所示,检波开关所需同步信号来源于方波发生电路,通过控制微分电路2的时间常数可以控制检波时间。方波发生电路经过微分电路1变为脉冲信号,然后将微分后的脉冲信号加到探头的非晶丝两端,选用脉冲激励的原因在于脉冲信号持续时间短,不致使非晶丝工作于饱和区而造成灵敏度降低,经过微分过的脉冲信号加到图1所示的1,2端,然后将3、4端差分感应电压接到检波开关的输入端。

图4 传感器同步检波主要结构示意图

3.3 放大及滤波电路

检波开关的输出电压接到仪表放大器的输入端进行放大,如图3所示,仪表放大器选用AD620,参考电压由分压电路和由放大器SGM358构成的电压跟随器构成,不需要额外的参考电压芯片,仪表放大器输出接到滤波电路,对输出信号进行平滑,滤波器选用由SGM358构成的二阶巴特沃斯滤波器。

图5 放大及滤波电路示意图

4 传感器测试

将试验装置置于自制螺线管中间的均匀区内,螺线管线圈常数为2020nT/mA,通过调节标准恒流源电流控制磁场大小,为减少地磁场带来的干扰,将传感器置于屏蔽筒内,传感器输出电压与外加磁场的关系如图6所示,传感器输出电压随外磁场近似成“S”型变化,其中“S”中间段斜率较高、线性度好,适合作为传感器的工作区间。

图6 传感器输出特性图

图7 传感器线性区工作曲线特性

传感器线性区工作特性如图7所示,拟合曲线的数学表达式为

y=216×x+199228

(4)

传感器工作范围:-1000nT～1500nT;

5 结语

本文以非晶丝为敏感材料,通过采用差分检波、同步检波等方式设计了一种新型磁传感器,该传感器的主要特点是灵敏度极高,有望应用于弱磁探测领域,但该传感器的应用还存在一定问题,传感器的工作范围太窄,需通过反馈等方式扩展传感器的工作范围,传感器存在零点电压,需要添加调零电路。

[1] MOHRI. K, KAHZAWA, T. KAWASHIMAK. Magneto-inducti-ve effect(MI effect) in amorphous wires[J]. IEEE Transaction on Magnetics,1992,28(5):3150-3152.

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参考文献著录规则

一.总要求

为了帮助向本刊投稿的作者按规范著录参考文献,现将常见类型文献的著录格式作如下要求。

本刊要求双语参考文献,所有的中文参考文献均需附英文译文,示例如下:

示例1:

[1] 焦李成,杜海峰,等．免疫优化计算、学习与识别[M].北京:科学出版社,2006． JIAO Licheng, DU Haifeng, et al Immune optimization calculation 、Learning and Recognition [M]. Beijing: Science Pres,2006．

[2] 李诗灵,陈宁,赵学彧．基于粒子群算法的城市轨道交通接运公交规划[J]．武汉理工大学学报(交通工程与科学版)2010,34(4)780-783． LI Shiling, CHEN Ning, ZHAO Xueyu． Planning of Feder Bus to the Urban Rail Transit Based on Particle Swarm Optimization[J]． Journal of Wuhan University of Technology(Transportation Science & Enginering),2010,34(4):780-783．

参考文献中的责任者采用姓前名后的著录形式。欧美著者的名可缩写,姓大写,姓和缩写的名之间不可用“.”隔开,而是用空格。如用中译名,可以只著录其姓。如原文中作者为“P．S．昂温”则在本刊要求中应写成“昂温 P S”,Albert Einstein Seny应写成EINSTEIN A S。

参考文献的责任者之间用“,”分隔。不超过3个时,全部照录。超过3个时,只著录前3个责任者,其后加“,等”,外文用“,et al”,“et al”不必用斜体。

示例2:马克思,恩格斯．示例2:YELLAND R L, JONES S C, EASTON K S, et al．

二.图书和期刊的著录格式

◆ 普通图书(原著): [序号]著者．书名[M]．版本(第1版不著录)．出版地:出版者,出版年:引文页码． [3]余敏．出版集团研究[M]．北京:中国书籍出版社,2001:179-193． [4]中国社会科学院语言研究所词典编辑室．现代汉语词典[M]．修订本．北京:商务印书馆,1996:258-260． [5]CRAWFPRD GORMAN M． Future libries: dreams, madnes, &reality[M]． Chicago: America Library Asociation,1995．

◆ 普通图书(译著): [序号]著者．书名[M]．译者,译．版本．出版地:出版者,出版年:引文页码． [6]AGRAWAL G P． 非线性光纤光学[M]．胡国绛,黄超,译．天津:天津大学出版社,1992:179-193． [7]霍斯尼 R K． 谷物科学与工艺学原理[M]．李庆龙,译．2版．北京:中国食品出版社,1989:15-20．

◆ 期刊(有卷) [序号]著者.题名[J]．刊名,出版年份,卷(期)引文页码． [8]蒋超,张沛,张永军,等．基于SRLG不相关的共享通路保护算法[J]．光通信技术,2007,31(7):4-6． [9]DIANOV E M, BUFETOV I A, BUBNOV M M, et al． Thre-cascaded 1407nm Raman laserbased on phosphorusdoped silica fiver[J]． OPTICS LETTERS,2000,26(6):402-404．

◆ 期刊(无卷) [序号]著者.题名[J]．刊名,出版年份(期):引文页码． [10]周可,冯丹,王芳,等．网络磁盘阵列流水调度研究[J]．计算机学报,2005(3):319-325． [11]VLATK V, MARTIN B P． Basic of quantum compwtation[J]． Proces in Quantum Electronics,1998(22):1-39．

三.电子文献的著录格式

◆ 电子文献: [序号]主要责任者．题名:其他题名信息[文献类型标志/文献载体标志]．出版地:出版者,出版年(更新或修改日期)[引用日期]．获取和访问路径． [12]Online Computer Library Center, Inc． History of OCLC[EB/OL]．[2000-01-08]．htp://www．oclc．org． [11]萧钰．出版业信息化迈入快车道[EB/OL]．(2001-12-19)[2002-04-15]．htp:∥www．creader．com/news/200112190019．htm．

四.学位论文与论文集的著录格式

◆ 学位论文: [序号]著者．题名[D]．出版地:出版者,出版年:引文页码． [13]孙玉文．汉语变调构词研究[D]．北京:北京大学文学院,2000．

◆ 论文集: [序号]著者．题名[C]//著者．专题名:其他题名．出版地:出版者,出版年:引文页码． [14]白书龙．植物开花研究[C]//李承森．植物科学进展．北京:高等教育出版社,1998:146-163． [15]AZIEM M M A, ISMAIEL H M． Quantitative and qualitative Evaluations of Image Enhancement Techniques[C]//Procedings of the 46th IEEE International Midwest Symposium on Circuits and Systems,2003:664-669．

Design of Magnetic Sensor Based on Giant Magneto Impedance Effect

YANG Zhicheng LI Wei

(The 710 Research Institute of CSIC, Yichang 443003)

The magnetic sensor with high sensitivity would be needed when the small change of the weak magnetic field is detected, the amorphous wire has a high change rate of the impedance under the high frequency exchange excitation, which is very suitable to be used as high sensitivity sensor, according to this characteristic, a kind of amorphous wire as sensitive material of a new type magnetic sensor is designed, the differential probe structure and synchronous detection circuit are adopted in this sensor, uncorrelated noise and common mode interference are suppressed, a good test result is obtained through the test, according to the test, the working range of the sensor is -1000nT～1500nT, the sensitivity is 216 V/nT and the linearity is 3.84% FS, which is expected to be used in the detection of weak magnetic signal.

giant magneto impedance, magnetic sensor, amorphous wire, synchronous detection, differential structure, sensitivity

2015年4月13日,

2015年5月31日

杨志成,男,硕士研究生,研究方向:地磁传感器与微弱信号处理。李伟,男,高级工程师,研究方向:地磁传感器与磁定位算法。

TP212

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.10.048