基于巨磁阻抗效应的新型微磁近感探测技术

2009年　第4期仪表技术与传感器I nstru ment Technique and Sens or 2009　No 14　基金项目:国家自然科学基金资助项目(60874100);航天科技创新基金项目(CAST200834);总装预研基金项目(9140A01010109BQ0116)收稿日期:2008-01-18　收稿日期:2009-04-12基于巨磁阻抗效应的新型微磁近感探测技术孙　骥,邓甲昊,高　珍,宋　崧(北京理工大学宇航科学技术学院,北京　100081) 摘要:在分析FeCoSi B 材料的非晶丝物理特性和巨磁阻抗效应的基础上,通过对现有磁传感器电路具体形式和算法的改进,设计了基于非晶丝巨磁阻抗效应和谐振桥路的新型微磁传感器探测电路,保证了系统的高灵敏度、快速响应及低功耗等特性。

同时,基于巨磁阻抗理论,提出了用非晶丝微磁传感器取代普通磁性元件,并采用DSP +CP LD 进行数据处理的方法,确保电路的实时性,为今后微磁近感技术在电子探测和定位方面的改善与提高提供了技术支撑。

关键词:G M I 效应;磁传感器;非晶丝;铁磁目标探测中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2009)04-0093-04Novel M i cro 2magnetis m D etecti on Ba sed on Gran tM agneto 2i m pedance Effect of Am orphous W i re and Resonan t C i rcu itS UN J i,DE NG J ia 2hao,G AO Zhen,S ONG Song(School of Aerospace Sc i ence and Eng i n eer i n g,Be iji n g I n stitute of Technology,Be iji n g 100081,Ch i n a)Abstract:A novel sens or (detecti on technol ogy )with detecti on and signal p r ocessing circuit of m icr o 2magnetic physical fields was p r oposed .The app r oach was based on the physical characteristics of FeCoSi B a mor phous wires,the theory of giant magnet o 2i m 2pedance effect and res onant circuit .By the i m p r ove ment of for m s and algorith m s of used magnetic sens or,the circuit ensured the characteristics of high sensitivity,high detecti on p recisi on,fast res ponse and s mall power consu mp ti on .For the integrati on of deci 2si on rules and taking CP LD as core chi p,the signal p r ocessing circuit which not only i m p r oved the identificati on ability of p seudo ferr omagnetic objects and ensured the real 2ri m e res ponse vel ocity of syste m s is the f oundati on of the p r oposed sens or (detecti on technol ogy )in m ilitary and civil service .Key words:grant magnet o 2i m pedance;magnetic sens ors;a mor phous wires;target detecti on 0　引言目前,大多数磁传感器的探测机理多是以磁膜探测、霍尔效应、巨磁阻效应以及金属涡流效应等为主。

文中提出了一种新的思路,以非晶丝作为磁敏感元件,基于巨磁阻抗效应设计出新型的微磁传感器。

为了做到精确地跟踪和识别目标,在对目标进行离线的目标特性规则分析的前提下,采用DSP 和CP LD 为核心的信号处理电路,通过电路的设计与参量优化,消除噪声和虚假信号的干扰,保证传感器灵敏度和实时性。

设计的微磁传感器的灵敏度很高,通过探测被测地区地磁场受目标磁场影响而产生的变化从而识别目标。

C O -基非晶丝的巨磁阻抗效应和多谐振荡桥路的构建,使微磁传感器具有高稳定性、强抗干扰能力以及快速响应的特性。

对于10-4～10-2T 范围的磁场具有很高的分辨率,从而保证了识别目标的准确率,为微磁近感技术的发展提供了技术保障。

1　非晶丝的磁特性非晶丝是一种新型磁性材料,该磁性材料的显著特点在于:在没有高频交变电流或脉冲激励的前提下,它不会显示出任何的磁特性,因此该材料用于传感器,可抵御各种有源和无源干扰。

利用非晶丝的巨磁阻抗效应则可显著提高探测的灵敏度和定距精度。

非晶丝的体积很小,故可大大减小传感器体积,有利于传感器的微小型化。

所选非晶丝的成分为Fe 2Co 2Si 2B,其直径为80μm,淬态非晶丝的矫顽力H c =5A /m,电阻率为110μΩ/c m,饱和磁感应强度B s =017T,饱和磁致伸缩系数λs =-01065ppm (1ppm =10-6),剩余磁感应强度B r =014T,居里温度T C =240℃,晶化温度。

淬态非晶丝进行退火处理以后,其磁特性和温度特性都会比较稳定。

2　非晶丝巨磁阻抗效应理论研究巨磁阻抗效应是指材料的交流阻抗随外加直流场的改变而快速响应,见图1。

图1　非晶丝巨磁阻抗效应通过试验,当非晶丝的磁致伸缩系数接近零且交流频率大于10kHz 时,巨磁阻抗效应非常明显。

G M I 效应与在外磁场作用下软磁导体的交流(AC )阻抗的变化密切相关,可以在经典　94　I nstru ment Technique and Sens orAp r 12009　电动力学的理论框架下处理[1-2]。

其原理为:当射频电流流过导体时,在导体的横截面上其电流分布并不均匀,由于趋肤效应,电流主要集中在导体表面[3]。

电流密度从表面到内部的变化,可以用趋肤深度表示: δ=2ρ/(ωμ)式中:ω为射频电流的角频率;ρ为导体的电阻率;μ为材料的磁导率。

随着外磁场或频率的变化,磁导率变化,丝的阻抗随这些参数的变化而变化。

相应的,任何使磁导率发生较大变化的现象均会导致G M I 效应的增大。

通常用磁电阻抗变化率来反映阻抗效应的强弱。

磁电阻抗变化率为M IR =[Z (H ex )-Z (0)]/Z (0)(1)式中:Z (H ex )为外加磁场为H ex 时材料的电阻抗;Z (0)表示未加外磁场H ex 时材料的电阻抗。

2.1　基于高频电流的巨磁阻抗效应在磁场中,磁性材料的交流复阻抗为Z =R (ω,μeff (ω,H ex ))+j X (ω,μeff (ω,H ex ))(2)式中:μeff 为材料的有效磁导率;H ex为外加磁场。

当非晶丝材料通入交变电流时,由Max well 电磁理论[4]可以推出非晶丝两端的电阻抗为Z =R dc kaJ 0(ka )2J 1(ka )(3)式中:k =(1-j )/δ;R dc 为丝的阻值;a 为丝半径;J 0、J 1分别为零价、一阶第一类贝塞耳函数。

非晶丝的阻抗可以用如下的数学模型表示:Z =12R dckaJ 0(ka )/J 1(ka )R dc +j ωL (弱趋肤效应)(a22ρ)R dc (1+j )ωμ　(强趋肤效应)(4)式中:μ为圆周向微分磁导率;L 为非晶丝长度。

式(4)包含了强趋肤效应和不考虑趋肤效应的情况。

可见阻抗Z 随着励磁电流频率和微分磁导率的变化而变化。

通常的情况,考虑强趋肤效应,非晶丝的阻抗为Z =(a22ρ)R dc (1+j )ωμ(5)相应的,可以导出巨磁阻抗率为5|Z (H ex )|H ex |Z (0)|=12μ(0)μ(H ex )5μH ex(6)式中:μ(0)为零场磁导率;Z (0)为零场阻抗。

2.2　基于脉冲电流的巨磁阻抗效应为了降低整个系统的功耗,采用基于脉冲信号的巨磁阻抗效应原理,在保证对弱磁探测灵敏度的基础上,尽可能的降低系统的能耗[5]。

采用重叠直流的信号激励方法,直流信号幅值为I p ,上升时间为t τ,对应的交流部分信号幅值为I p /2,频率为1/(nt τ),即:i p (t )=I p2(1+sin2πtnt τ)(7)当对非晶丝加上轴向外场H ex ,可以通过能量最小化计算磁化方向M s 和圆周方向的平衡夹角θ,计算:E =12H k μM s sin 2(θ-θk )-μM s H ex sin θ-μM s H Φcos θ(8)式中:H k 为材料的各向异性场;θk 为易磁化方向与圆周方向Φ的夹角;E 为能量。

考虑H Φ(t )=H 0cos (2πft ),由能量最小化可以估计θ(t )的大小和圆周磁化M Φ(t )=M s cos (θ(t ))。

H 0为环境磁场初始值。

5M Φ(t )/5t 所得到的数值,再由其傅里叶系数可以估算μΦ的平均值:μΦ=μ0c (-n +im )(9)式中:c =12πfH 0,m =2T∫T05M Φ(t )tcos (2πft )d t ;n =2T∫T5M Φ(t )5tsin (2πft )d t .3　非晶丝探测器电路实现在整个探测系统中,电路主要分两个部分,即目标探测电路和目标信号处理电路,设计的重点放在目标探测电路部分,着力于提高微磁近感探测器的探测精度和灵敏度,并保证系统稳定性。

在目标探测电路中,采用巨磁阻抗效应与多谐振荡桥相结合的探测电路形式,这样不仅可以保证检波电压输出的准确性,同时还能扩大非晶丝微磁近感系统的探测范围。

3.1　探测电路探测电路框图如图2所示,单磁芯双绕组多谐桥路的两个输出电压和非晶丝激励电路的输出电压经RC 低通滤波电路滤除高频成分,再输入放大器进行差动放大。

经有源低通滤波电路处理,将多谐信号的基波和次谐波分量滤除,最终得到反映目标信息的检波电压信号。

图2　探测电路框图图2采用了负反馈的控制方法,将经滤波器后得到的电压信号进行V /I 转换,使其输出成为随外磁场变化的电流信号,遂在反馈线圈中产生与H ex 反向的磁场H f .则非晶丝除了受到多谐振荡桥路产生的交变磁场外,还受到H ex -H f 的磁场作用,即反馈磁场消弱了非晶丝的外磁场。