非晶絲MI效應(yīng)磁場方位角測量系統(tǒng)

蔣 峰

（江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇無錫 214153）

非晶態(tài)合金的高磁導(dǎo)率很早就引起了科技工作者們的濃厚興趣，并開發(fā)出許多不同用途的磁傳感器，有的已經(jīng)投入了商品化生產(chǎn)［1-2］。例如1984年，用非晶態(tài)合金做磁芯的音頻磁讀頭便已在TDK、SONY等公司投產(chǎn)，年產(chǎn)量在300萬只以上。在這些器件中使用零磁致伸縮非晶態(tài)合金，是因?yàn)樗鼈兙哂袑?dǎo)磁率高，頻帶寬，耐磨，抗腐蝕等特點(diǎn)，但也只是用來做磁芯。

直到1992年日本科學(xué)家在非晶態(tài)合金中發(fā)現(xiàn)了磁阻抗MI（Magneto-impedance）效應(yīng)，它們的應(yīng)用發(fā)生了質(zhì)的變化［3］。此時(shí)，非晶態(tài)合金已作為線路元件。磁阻抗是指當(dāng)非晶材料上通以高頻（10 kHz以上）電流時(shí)，在磁場作用下，材料兩端的電壓會(huì)發(fā)生巨大的變化，即其阻抗發(fā)生了巨大變化，且這種變化與材料的長短無關(guān)。這種阻抗變化可高達(dá)10%～100%/Oe（AMR的磁靈敏度為0.1%/Oe，GMR為1%/Oe）。正因?yàn)樵摤F(xiàn)象非常靈敏，特別適合于對微弱磁場的檢測。1993年，MI效應(yīng)首次被提出用于發(fā)展新型靈敏、快響應(yīng)微傳感器。利用MI效應(yīng)制成的傳感器可用作計(jì)算機(jī)硬盤讀頭、汽車導(dǎo)航和用在電力配電網(wǎng)絡(luò)、生物磁場傳感、材料無損探傷等方面［4-6］。

本文設(shè)計(jì)并制作了基于CMOS IC電路的傳感器電路。通過電路產(chǎn)生的尖脈沖電流對非晶絲進(jìn)行激勵(lì)，以此產(chǎn)生MI效應(yīng)，從而達(dá)到檢測磁場的目的。結(jié)合LabVIEW虛擬儀器開發(fā)軟件，實(shí)現(xiàn)了地球磁場方位角的方便測量。

1 MI效應(yīng)

1.1 正弦電流激勵(lì)MI效應(yīng)

如圖1所示，當(dāng)非晶絲被高頻電流磁化，產(chǎn)生趨膚效應(yīng)，其阻抗隨外加平行于非晶絲軸向的磁場，而發(fā)生明顯變化。

圖1 實(shí)驗(yàn)原理圖

非晶絲阻抗以貝塞爾公式表示［7-8］：

其中a為直徑，ρ為電阻率，μ為有效磁導(dǎo)率，Rdc為直流電阻，ω（f）為激流電流角頻率（頻率）。

可見，非晶絲在磁化圈產(chǎn)生的軸向交變磁場激勵(lì)下，其有效磁導(dǎo)率對外加磁場十分敏感，從而使阻抗發(fā)生巨大變化。如圖1所示，這是由于鈷基非晶絲內(nèi)芯具有軸向分布的磁疇結(jié)構(gòu)而外芯具有圓周向磁疇分布，且呈右旋、左旋交替，鈷基非晶材料具有較小的應(yīng)力感生各向異性和小的飽和磁致伸縮系數(shù)，以及大的長徑比共同決定的。正是這些因素使得鈷基非晶絲材料具有高的交流有效磁導(dǎo)率，且易隨外磁場作用而變化。因此用鈷基非晶絲制成的磁場傳感器具有很高的磁靈敏度。

1.2 尖脈沖電流激勵(lì)MI效應(yīng)

將尖脈沖信號(hào)近似為一個(gè)周期為T，幅度為A，寬度為2tr（tr為上升沿時(shí)間）的三角波信號(hào)，并進(jìn)行傅立葉級數(shù)展開，可得：

在有限項(xiàng)內(nèi)，增大（tr/T）和幅值A(chǔ)有利于提高各諧波分量的幅值，但(tr/T)的增大使各諧波幅值衰減比較快。若(tr/T)為一個(gè)較小的值，可保證在一個(gè)很寬的范圍內(nèi)，各諧波的幅值基本保持不變。尖脈沖電流可以產(chǎn)生類似于正弦交流電流的趨膚效應(yīng)，在高頻弱磁場下，勵(lì)磁電流的頻率越高，其MI效應(yīng)就越明顯。所以，利用含有豐富諧波分量的尖脈沖信號(hào)對非晶絲激勵(lì)將提高M(jìn)I效應(yīng)。

假設(shè)忽略諧波分量中的高頻部分，T=2tr，脈沖電流i()

t等效于具有頻率f=2πT的直流偏置余弦電流：

具有10 ns周期時(shí)間的脈沖電流相當(dāng)于100 MHz左右的直流偏置余弦交流電。因此，當(dāng)非晶絲被由多諧振蕩器產(chǎn)生的tr=5ns脈沖電流磁化時(shí)，可以得到超過100%/Oe的MI特性，這對設(shè)計(jì)靈敏的微型磁傳感器非常有用。同時(shí)該電路功耗非常低，這對制造大規(guī)模MI集成電路（MIIC）傳感器特別重要。此外還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)需要得到線性傳感器時(shí)，可以通過施加直流偏置磁場，調(diào)節(jié)非晶材料的工作點(diǎn)。

2 傳感器電路

2.1 工作原理

由CMOSIC構(gòu)造的利用尖脈沖MI效應(yīng)磁場傳感器如圖2所示。由于CMOSIC廣泛應(yīng)用于數(shù)字電路，因此傳感器電路采用CMOSIC使生產(chǎn)MIIC變?yōu)榭赡堋MOS多諧振蕩電路由兩個(gè)CMOS非門、電阻和電容組成，所用的元件少、線路簡單、調(diào)試方便。當(dāng)振蕩頻率低于1 MHz時(shí)，電路的功耗低于1 mW，且工作穩(wěn)定。利用多諧振蕩電路產(chǎn)生方波信號(hào)，再通過RC微分電路，將方波信號(hào)轉(zhuǎn)換成尖脈沖信號(hào)。尖脈沖寬度與時(shí)間常數(shù)τ1=RdCd有關(guān)，τ1越小，尖脈沖越尖，反之越寬。τ1必須遠(yuǎn)小于輸入方波的寬度，否則就失去了波形變換的作用。但τ1太小，脈沖幅度也會(huì)相應(yīng)的被削弱，這對非晶絲MI效應(yīng)和后續(xù)的檢波將產(chǎn)生不利的影響。所以，要在滿足脈沖寬度條件下，取合適的Cd和Rd值，來獲得最大脈沖幅度。圖2中非門Q3是將微分電路輸出波形整形并起隔離作用。

非晶絲在尖脈沖電流勵(lì)磁下產(chǎn)生脈沖電壓信號(hào)，該電壓峰值隨外加磁場的作用而變化，通過峰值檢波電路檢測出其峰值。峰值檢波器時(shí)間常數(shù)τ2設(shè)計(jì)時(shí)注意，τ2太大輸出信號(hào)幅值明顯降低，檢波效率變差，同時(shí)，對交變磁場檢測時(shí)，信號(hào)快變部分的丟失變得嚴(yán)重。τ2太小檢波前后的信號(hào)幅值的差異變小，信號(hào)中快變分量明顯變好，但輸出信號(hào)的平滑度變差。所以使用時(shí)根據(jù)輸入信號(hào)的頻率來調(diào)整R1、C1（R2、C2）。通過峰值檢波電路被轉(zhuǎn)換為直流電壓，并放大為傳感器兩路輸出電壓Ex、Ey（Ex、Ey分別為兩個(gè)垂直放置非晶絲軸向輸出電壓值）。

圖2 傳感器電路

2.2 閉環(huán)控制

正比于Eou（tEx、Ey）的反饋磁場Hf可以有效改進(jìn)磁場檢測：（1）實(shí)現(xiàn)線性檢測，消除磁滯；（2）響應(yīng)速度提高10倍以上；（3）提高溫度穩(wěn)定性。這些特點(diǎn)可通過圖3方框圖很好地解釋，其中F為磁、電轉(zhuǎn)換系數(shù)，A是電壓放大倍數(shù)，B是由Eout到Hf的反向傳遞函數(shù)。當(dāng)閉環(huán)增益|FAB|足夠大時(shí)，Eout表示為：

其中，Nf和lc分別代表反饋線圈的圈數(shù)和長度，Rf為反饋電阻。式（6），F(xiàn)中的非線性因素（包括磁滯和溫漂）被消除。

圖3 閉環(huán)傳感器原理圖

此外，傳感器的截止頻率fc表示為

其中，f0為F或前向通道增益的截止頻率，可見閉環(huán)傳感器的響應(yīng)速度得到明顯提高。

3 磁場方位角檢測

3.1 磁場方位角檢測原理

地磁場是指地球和近地空間之間存在的磁場，只存在地球周圍有限的區(qū)域內(nèi)。常用磁傾角、磁偏角、地磁場水平強(qiáng)度（地磁場的水平分量）這3個(gè)要素來描述地磁場的大小和方向。若地磁場的大小和方向用磁場強(qiáng)度He表示，單位為高斯，He可分為3個(gè)分量：水平強(qiáng)度Heh，是He在水平面上的投影；磁偏角λ，是Heh與正北方向的夾角；磁傾角δ，是He對水平面的傾角。地磁場強(qiáng)度一般為0.5～0.6高斯，地磁場的水平分量指向磁北極。

目前關(guān)于磁場方位角的檢測，國內(nèi)東南大學(xué)MEMS教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用Honeywell的HMC1022雙軸磁阻傳感器設(shè)計(jì)了一種小型電子羅盤，最大誤差小于1°。南京航空航天大學(xué)以Honeywell的HMC2003三軸混合磁阻傳感器和加速度計(jì)作為底仰角、橫滾角測量傳感器，構(gòu)建一種小型磁航向測量系統(tǒng)，適用于車輛、無人機(jī)等航向角測量要求［9-10］。國外，美國KVH公司采用磁通門技術(shù)生產(chǎn)的C-I00DE電子羅盤，達(dá)到精度為0.5°，分辨率為0.1°。

類似于電子羅盤原理，本磁場方位角的檢測，只需要考慮地磁場的水平分量Heh。令X軸和Y軸分別為雙軸MI傳感器的兩個(gè)敏感方向，其工作原理是測得地磁場的水平分量在其正交的兩測量軸的分量X和Y，假設(shè)X軸方向磁場分量為Hex，Y軸方向磁場分量為Hey，然后用公式α=arctan（Hey/Hex）算得方位角。本設(shè)計(jì)雙軸MI傳感器測量水平面內(nèi)兩個(gè)正交方向的磁場，為平面結(jié)構(gòu)，故它只能水平放置才能保證精確度。

3.2 LabVIEW程序設(shè)計(jì)

LabVIEW是NI公司代表性產(chǎn)品，作為虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)軟件，LabVIEW以其簡單直觀的圖形編程方式、數(shù)量較多的儀器驅(qū)動(dòng)程序、數(shù)據(jù)分析處理等功能，簡化了開發(fā)過程，縮短開發(fā)時(shí)間，易于調(diào)試［11-12］。

本測量系統(tǒng)基于LabVIEW虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，在PC上以圖形化的功能界面來代替常規(guī)的傳統(tǒng)儀器操作面板，通過連接外設(shè)，很方便地對測試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地進(jìn)行分析和處理。由于本系統(tǒng)要求能夠進(jìn)行在線實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集，故選用NI公司生產(chǎn)的PCI-6 024E多功能數(shù)據(jù)采集卡。基于PCI的總線技術(shù)具有模擬和數(shù)字輸入、輸出功能以及定時(shí)/計(jì)數(shù)功能，最高采樣率為200 ksample/s，采樣精度12位，完全滿足磁場方位角的信號(hào)采集需要。

程序設(shè)計(jì)包括前面板和程序框圖兩部分。前面板由參數(shù)設(shè)置和功能按鈕組成，后臺(tái)有相應(yīng)的程序模塊與之對應(yīng)。利用前面板的按鈕或控件選擇狀態(tài)，運(yùn)行程序后臺(tái)執(zhí)行其對應(yīng)的狀態(tài)。根據(jù)以上磁場方位角測量原理的分析，編寫圖4所示程序設(shè)計(jì)流程圖以及圖5所示程序框圖。

圖4 系統(tǒng)流程圖

圖5 程序框圖

3.3 LabVIEW測量結(jié)果

將傳感器固定在一個(gè)水平放置的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)面上，轉(zhuǎn)臺(tái)主軸上裝有精密圓光柵，通過數(shù)字顯示裝置讀出角度值，分度精度可達(dá)±1"。數(shù)據(jù)采集卡裝于臺(tái)式PC機(jī)主板上。測量時(shí)，手動(dòng)或自動(dòng)方式旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，帶動(dòng)磁場傳感器一起旋轉(zhuǎn)。傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，改變了磁場與傳感器的夾角，從而實(shí)現(xiàn)了磁場方位測量。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的前面板如圖6所示，采樣頻率設(shè)為6 000 Hz，圖6（a）、圖6（b）、圖6（c）分別為磁場與傳感器的夾角在第一、三、四象限情況下的顯示結(jié)果。

圖6 方位角顯示

本測量系統(tǒng)功能仍比較單一，編寫并不很復(fù)雜。實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)用戶需求，可以集成更多的傳感器，通過增添界面按鈕和控件，使系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)顯示物體三維姿態(tài)和定位等功能。利用Lab?VIEW軟件可以很方便地實(shí)現(xiàn)以上設(shè)想。

4 結(jié)束語

將MI傳感器測量到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集卡采集到計(jì)算機(jī)，再通過LabVIEW軟件進(jìn)行編程，向用戶提供操作界面和顯示界面，實(shí)現(xiàn)磁場方位角數(shù)據(jù)采集、傳遞、處理和顯示。結(jié)果表明，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、界面良好、易于操作、測量準(zhǔn)確，可以滿足磁場方位角檢測的需要。

［1］鮑丙豪，蔣峰.單非晶絲磁芯雙繞組新型磁傳感器理論與實(shí)驗(yàn)研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，19（4）：1001-1004.

［2］郭博，劉詩斌，楊尚林，等.用于低功耗微型磁通門的Co77Fe2.5Mn1.4Mo2.1Si13B4非晶薄膜研究［J］.功能材料，2013，44（18）：2719-2723.

［3］Mohri K，Kohzawa T，Kawashima K，et al.Magneto-inductive Ef?fect（MI effect）in Amorphous Wires［J］.IEEE Trans Magn，1992，28（5）：3150-3152.

［4］Kudo T，Tsuji N，Asada T，et al.Development of a Small and Wide-range Three-phase Current Sensor Using an MI Element［J］.IEEE Trans Magn，2006，43：3062-3064.

［5］Honkura Y.Development of Amorphous Wire Type MI Sensor for Automobile Use［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materi?als，2002，249：375-381.

［6］蔣峰.非晶帶巨磁阻抗效應(yīng)磁場測量儀［J］.功能材料與器件學(xué)報(bào)，2014，20（5）：164-169.

［7］Panina L V，Mohri K.Magneto-Impedance Effect in Amorphous Wires［J］.Appl Phys Lett，1994，65：1189-1191.

［8］Mohri K，Bushida K，Noda M，et al.Magneto-Impedance Element［J］.IEEE Trans Magn，1995，31：2455-2460.

［9］李怡達(dá)，張中平，秦明，等.基于磁阻傳感器與微處理器的二維磁電子羅盤的設(shè)計(jì)［J］.功能材料與器件學(xué)報(bào)，2008，14（2）：557-560.

［10］楊新勇，黃圣國.磁航向測量系統(tǒng)誤差修正方法研究［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2004，25（4）：466-469.

［11］林靜，林振宇，鄭福仁.LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計(jì)入門到精通［M］.北京：人民郵電出版社，2010.

［12］張華，鄭賓，武曉棟.基于LabVIEW的溫度測試系統(tǒng)［J］.電子器件，2013，36（2）：243-246.

蔣 峰（1981-），男，漢族，江蘇鹽城人，碩士，現(xiàn)為江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系講師，主要從事傳感器以及檢測技術(shù)研究，jf_415@126.com。