基于LabVIEW的GMI效應多參數測量系統

彭景

（中國地質大學（武漢）自動化學院，湖北武漢430074）

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基于LabVIEW的GMI效應多參數測量系統

彭景

（中國地質大學（武漢）自動化學院，湖北武漢430074）

摘要：采用自動平衡電橋法，測量產生巨磁阻抗效應時軟磁材料的阻抗和幅角值。利用直流電源、亥姆霍茲線圈、阻抗分析儀等儀器搭建一套巨磁阻抗多參數測量系統，并采用虛擬儀器技術對測量系統進行編程控制。通過對商用Vitrovac6025帶材進行測量實驗，發現材料在不同頻率下均表現出很強的巨磁阻抗效應；并且材料的巨磁阻抗效應隨頻率的增大先增大再減小，在5 MHz達到最大160%；同時，發現材料的幅角也隨磁場變化表現出與阻抗類似的變化規律。實驗結果表明該測量系統具有較高的準確性與高效性。

關鍵詞：巨磁阻抗效應；LabVIEW；多參數；自平衡電橋法；幅角值

0　引言

1992年，日本名古屋大學Mohri教授等[1-2]在CoFeSiB軟磁非晶絲中發現了巨磁阻抗效應（giant magneto-impedance，GMI），其阻抗變化率ΔZ/Z在幾Oe磁場作用下可達50%，比金屬多層膜Fe/Cu或Co/Ag在低溫且高磁場強度下觀察到的巨磁電阻效應高一個數量級。由于巨磁阻抗效應具有靈敏度高、反應快和穩定性好等特點，所以其在傳感器技術和磁記錄技術中具有較大的應用潛能[3]。

郭成銳等[4]利用NI公司的PXI-1000B構建測試系統機箱，通過波形發生器產生信號，完成了在不同頻率下對非晶絲阻抗特性的研究。楊介信等[5]利用隔離變換器、高頻信號發生器、可變電源等器件設計了一套GMI效應的測量系統，在測量的穩定性和靈敏度方面取得了較好的效果。但是目前的GMI測量系統測量范圍過于狹窄，測量參數的種類過于單一，而且測量系統的自動化程度不高。

為了解材料的巨磁阻抗特性，本文設計了一套在不同外部條件下，能夠對材料的各項參數進行測量的系統。該系統的設計能夠極大地提升研究效率，減少測量時間，為GMI效應的研究提供方便快捷的研究平臺。

1　GMI測量原理及硬件組成

1.1GMI測量原理

當軟磁材料通過一個小的交流電時，其交流阻抗隨外界磁場的變化而變化[6]。巨磁阻抗變化率ZGMI可以定義為

式中：Z（0），Z（H）——外磁場為0和H下材料的阻抗值；

V（0），V（H）——外磁場為0和H下材料兩端的電壓幅值[7]。

由此，便能通過阻抗分析儀來測量材料的阻抗和幅角，阻抗、幅角均為無量綱參數。

圖1　高頻時阻抗分析儀的自動平衡電橋電路

1.2測量系統設計

傳統的GMI測量是測量材料的阻抗隨外加磁場的變化，為了能夠更準確地確定GMI傳感器的靜態工作點[8]，需全面了解產生巨磁阻抗效應時，材料其他參數的變化規律，因此該測量系統必須能夠對材料的多種參數進行測量。

圖2為GMI多參數測量系統的原理框圖，主要由電流源、亥姆霍茲線圈、阻抗分析儀3部分構成。通過電流源控制亥姆霍茲線圈產生磁場，材料放置方向與磁場方向一致。阻抗分析儀給材料提供激勵電流并記錄材料的阻抗和幅角值。在進行GMI測量時，GMI材料固定在夾具上，夾具中兩根探針壓在GMI材料上用作電極，兩針間的距離可隨意調整以適應不同長度的材料。整個夾具以及材料放置于亥姆霍茲線圈中心，所以阻抗分析儀需要通過測試線延伸到外面與夾具進行連接。

圖2中亥姆霍茲線圈用于產生均勻的直流磁場，線圈中心勻強磁場區的磁感應強度可用下式計算：

圖2　GMI多參數測量系統原理圖

當線圈半徑R、線圈匝數N確定后，就可以通過控制電流I來達到控制磁場的目的。

圖3是測得亥姆霍茲線圈中心磁場與電流關系的曲線圖，可以看出磁場與電流有較好的線性度。

圖3　亥姆霍茲線圈實測B-I曲線

電源部分采用YL2410直流穩流電源，電流輸出范圍-5～5 A，步進分辨率1 mA。為了減小外界環境對測量的影響，將測量材料放置于磁屏蔽桶中，磁屏蔽桶能產生一個幾乎零磁空間，方便對磁性材料進行測量[9]。設計的磁屏蔽桶采用內外層為鋁層、中間層為高導磁坡莫合金的結構，屏蔽腔內剩磁＜1nT。

2　GMI測量系統軟件設計

GMI測量系統設計的程序流程如下：1）初始化，主要檢查計算機與測量儀器間的通信是否正常，并將所有控件恢復到默認狀態。2）設置測量系統基本參數值，包括阻抗分析儀的參數設置、GMI效應測量頻點的設置、測量磁場范圍以及該范圍內測量點數的設置等。3）對材料的參數值進行測量，首先按上一步中設置的磁場范圍和該范圍內測量點數控制產生一個磁場，然后在該磁場下對GMI材料按設置的頻點進行阻抗掃頻測量，計算機接收測量數據后進行數據處理并且在顯示圖中繪制曲線。重復以上測量步驟，直到最后一個磁場下阻抗測量完畢，最后保存所有測量數據，結束程序運行。

測量系統由LabVIEW語言[10]編程控制，整個軟件系統包括系統設置、GMI測量、保存曲線、記錄查詢4個部分。系統設置模塊對測量環境參數進行初始化設置，保存曲線模塊對最終的曲線圖進行保存操作，記錄查詢模塊可以通過樣片編號直接查找到相應的測量數據和圖形。

GMI測量模塊為軟件的核心部分，該部分不同于傳統的單頻率單參數測量，而是采用并行處理進行測量，在不同的外部條件下同時測量材料兩組不同的參數值，構建出各參數值隨外磁場變化的曲線圖。依次對8個不同頻率下的參數進行循環測量，根據采樣次數，同一頻率下的參數值測量N次，進行均方差處理，剔除大于3倍均方差的測量值，余下的值求平均值即為最終參數的測量值。參數1、參數2通過并行處理同時測量，將得到的值分別與磁場值進行捆綁處理，為能實時動態顯示兩條曲線，在for循環里創建移位寄存器，將捆綁后得到的簇與移位寄存器創建數組，得到的參數1和磁場構成的數組即為參數1曲線，同理，參數2和磁場構成的數組即為參數2曲線。將兩數組進行創建簇數組操作，就能在XY圖里動態地觀察到兩個參數隨磁場值變化的趨勢。

圖4為編寫的GMI多參數測量系統運行界面。通過切換不同功能按鈕，可以對程序進行參數設置、GMI測量、保存曲線和查詢記錄操作。測量開始后，系統能夠實時動態地顯示參數1、參數2隨磁場的變化趨勢，不同頻率下的圖像都可以選擇觀察。

3　測量結果分析

圖4　GMI測量系統的運行界面

利用研制的測量系統對長15.4mm、寬4.1mm的商用Vitrovac6025帶材[11]進行測量實驗。圖5是材料的阻抗和幅角在頻率40 MHz激勵電流下隨磁場變化的曲線圖，由圖可見，在40 MHz頻率下材料的巨磁阻抗效應高達50%。同時，可以看出該測量系統能夠對材料兩個不同參數的變化情況進行同時測量。該測量結果同時也初步表明幅角隨外磁場也表現出與阻抗類似的規律性。圖6是材料在不同頻率下的GMI效應大小的曲線圖，從圖中可以看出材料的GMI效應隨著激勵電流頻率的增加有一個先增大后減小的過程。其中在5 MHz頻率處材料的GMI效應達到了最大值約為160%。測量系統在不同頻率下都能測得比較準確的GMI曲線。本實驗結果與Kurlyandskaya G V等[12]對Vitrovac6025帶材的磁性能和巨磁阻抗效應的研究結果比較發現，雙方結果具有高度的一致性，驗證了所設計的系統不僅能對阻抗、幅角進行測量，而且測量準確度高。

4　結束語

本文通過對GMI測量原理進行分析，選取測量范圍廣、測量準確度高的自動平衡電橋法作為測量原理。搭建硬件系統，利用LabVIEW軟件編寫GMI測量程序，構建一整套的GMI多參數測量系統。通過對軟磁材料樣品的測量結果分析，發現材料阻抗隨磁場的變化曲線與Kurlyandskaya G V等的實驗結果大致相同，論證了該系統的準確性。同時，測量結果發現幅角隨磁場的變化也表現出與阻抗類似的規律性，為后續的研究提供了初步的實驗基礎。

圖5　測量系統在40MHz測得的曲線圖

圖6　材料在不同頻率下的GMI曲線圖

參考文獻

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（編輯：莫婕）

LabVIEW-based GMI effect multi-parameter measurement system

PENG Jing
（School of Automation，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

Abstract:Automatic bridge balance was used to measure the impedance and argument of soft magnetic materials when Giant Magneto-Impedance（GMI）effect was generated. A GMI measurement system was formed by DC power supply，Helmholtz coils，an impedance analyzer and other instruments and programmed by virtual instrument technology. According to the tests on commercial ribbons Vitrovac6025，found that the magnetic materials exhibited high GMI effects，which first increased and then decreased with the frequency and reached the maximum （160%）at 5 MHz. The arguments of these materials were seen varying with the magnetic field at the same pace as the impedance. The experimental results have proved the accuracy and efficiency of the system.

Keywords:giant magneto-impedance；LabVIEW；multi-parameter；automatic bridge balance method；argument

作者簡介：彭景（1990-），男，湖北天門市人，碩士研究生，專業方向為磁傳感器的模擬與研制。

收稿日期：2015-05-29；收到修改稿日期：2015-07-02

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.02.020

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（2016）02-0088-04