基于GMI效應的高靈敏磁探測技術 *

魏雙成，鄧甲昊，楊雨迎

(1機電動態控制重點實驗室，北京 100081;2北京理工大學機電學院，北京 100081)

0 引言

1992年日本學者毛利教授在非晶絲中發現了GMI效應，以此制作的磁傳感器與霍爾效應、磁通門等傳統磁傳感器相比其靈敏度、尺寸和功耗等性能得到了顯著提升，具有更優異的綜合性能[1]。為了提高傳感器的磁場靈敏度、線性度和穩定性，GMI傳感器一般采用負反饋電路對輸出進行調節，負反饋回路和負反饋線圈會使得線路的結構變得復雜，而且使功耗增加，不利于傳感器的小型化，同時在尺寸微小的非晶絲上制作負反饋線圈和檢測線圈構成的雙繞組也比較困難。如果不加負反饋電路，傳感器難以滿足高靈敏度和線性度的要求。為解決這一問題，對非晶絲磁敏感元件結構優化設計，可有效消除高頻電流引入的磁場干擾，在無負反饋線圈的情況下能保證傳感器具有較高性能。

1 高靈敏近感磁場探測系統

1.1 非晶絲的GMI效應原理

鈷基非晶絲磁致伸縮系數為 －10－7，具有優良的機械性能和軟磁特性，適合于制作GMI傳感器。GMI效應原理如圖1所示，在非晶絲通入高頻交變電流iac時，其阻抗Z發生巨烈變化，會隨著非晶絲軸向外部磁場Hex模值的增加成比例降低，而在較低頻率電流作用下，阻抗Z基本不發生變化。非晶絲阻抗Z的變化會使其周圍磁場發生變化，從而在檢測線圈中產生感應電壓，通過測量感應電壓，可計算非晶絲軸向磁場的大小。傳感器通常采用雙繞組工作方式，一組線圈為感應電壓的檢測線圈，另一組為負反饋線圈，傳感器輸出端一部分信號通過負反饋電路加到反饋線圈上，反饋線圈中電流產生的磁場對被測磁場進行補償，消除脈沖電流對檢測線圈感應電壓的干擾，以提高傳感器的靈敏度、線性度和穩定性[2]。

圖1 非晶絲GMI效應示意圖

GMI效應的強弱通常用磁阻抗比率的大小表征，磁阻抗比率定義為:

其中:Z(H)表示非晶絲在磁場H下的阻抗，Z(Hmax)表示非晶絲在飽和磁場Hmax下的阻抗，磁阻抗比率越大，表明材料的GMI效應越明顯，非晶絲的阻抗Z可表示為:

選擇成分為(Co94Fe6)72.5Si12.5B15的非晶絲，其直徑為30 μm，長度為 3 mm，通過式(1)計算并比較1MHz、3MHz、5MHz和 7MHz四種頻率下的磁阻抗比率，在1MHz時具有最大磁阻抗比率，接近330%，GMI效應最強[5－6]，因此，選擇頻率接近 1MHz 的脈沖電流作為激勵源。

1.2 磁敏感元件結構設計

在非晶絲磁探測器中，探測器磁敏感元件是核心部件。為了解決上述負反饋線圈造成的制造困難和電路復雜以及功耗等問題，設計特殊結構的磁敏感元件，如圖2所示，這種結構可以消除非晶絲中脈沖電流產生的磁場對傳感器輸出的影響。

圖2 非晶絲磁敏感元件結構示意圖

導電層材質為非磁性的銅或鋁，用電鍍方法制作，檢測線圈直徑小于200 μm，繞制匝數為20，連接部連接非晶絲和導電層，形成脈沖電流回路，導電層和非晶絲在制作時保持同軸。非晶絲中流過脈沖電流I時，在環繞方向產生磁場H，該磁場會使得檢測線圈輸出感應電壓dH/dt，成為傳感器工作時引入的一個干擾因素。如果在流過脈沖電流的狀態下施加外部磁場Hex，非晶絲由于GMI效應，會在檢測線圈中產生感應電壓dM/dt，該電壓值和外部磁場成比例關系，是待測部分，而干擾因素dH/dt會影響傳感器的實際測量結果，降低輸出線性度和靈敏度。如圖2所示，由連接部形成的回路中，非晶絲和導電層流過的電流大小相同，而方向相反，在 A點的磁場幅值分別為 H1=μ0I/(2πr)和H2= －μ0I/(2πr)，其中，r為A點到非晶絲軸心的距離，μ0為真空中的磁導率，因為導電層和非晶絲是同軸心關系，H1與H2大小相等，方向相反，合成的結果為相互抵消，因此消除了脈沖電流對磁場測量的影響，傳感器僅對隨軸向外部磁場變化的dM/dt進行檢測。

1.3 高靈敏度磁場探測器

非晶絲GMI效應有“沿效應”特征，即脈沖波形的上升沿和下降沿越陡，則非晶絲的GMI效應就越顯強烈。這要求高頻脈沖信號的幅值和頻率穩定，且波形上升沿寬度盡量窄。為此設計了高頻脈沖發生器，采用CMOS反相器組成多諧振蕩器，其優點是電路結構簡單易于調試，產生的信號波形穩定可靠，并能減小電路體積。圖3所示為高頻脈沖信號發生電路原理圖，反相器和電阻電容組成多諧振蕩器，占空比為50%，通過調節容阻匹配大小，能產生頻率500 kHz至2 MHz的矩形方波，圖中參數對應的脈沖頻率為820 kHz。

圖3 高頻脈沖激勵電路原理圖

上拉電阻和電容組成的微分電路把矩形方波轉換為尖脈沖信號。示波器實測尖脈沖波形如圖4所示，圖中的尖脈沖信號寬度為1.45 μs，信號上升沿寬度小于30 ns，在尖脈沖電流信號激勵下，非晶絲具有強烈的GMI效應，磁傳感器具有較高靈敏度。

圖4 高頻尖脈沖波形

非晶絲磁敏感元件經高頻脈沖激勵后，檢測線圈在磁場作用下輸出與被測磁場成比例的感應電壓，該電壓信號在毫伏量級，需要經過放大濾波去除噪聲和雜波信號，再經過電平轉化電路輸出到單片機A/D模塊，采樣后的數字信號經過預定的判別算法進行目標特性的判定。高頻脈沖發生器、磁敏感元件、信號預處理電路和單片機MSP430F449等組成磁場探測器，結構框圖如圖5所示，其中信號預處理電路包括放大、濾波和電平轉換電路。探測器通過對磁場信號進行實時采集、存儲處理和控制，可以實現對微小鐵磁目標的探測。

圖5 高靈敏磁場探測器結構框圖

2 實驗結果和分析

在實驗室環境下進行傳感器輸出特性測試和探測器對微小磁性目標探測實驗。在磁場屏蔽的條件下，用亥姆霍茲線圈產生平行于非晶絲軸向的直流磁場，調節電流大小使軸向磁場在 －1Oe至 +1Oe范圍內連續變化，測量非晶絲傳感器輸出電壓，根據所測實驗數據繪出非晶絲磁傳感器輸出特性曲線，如圖6所示，傳感器具有良好的線性度，在線性范圍內磁傳感器的磁場靈敏度可達185 mV/Oe。

圖6 磁傳感器輸出特性曲線

在實驗室無磁場屏蔽環境下，用該探測器對微小鐵磁目標進行探測實驗。以Φ10mm×20mm的鐵棒為目標，目標沿距離探測器500mm平行于磁敏感方向的直線上往復移動。在目標經過探測器時，探測器能夠準確探測到信號，并輸出探測結果。根據探測器采集的實測數據，得到如圖7所示的磁性目標特性曲線，探測器的磁場分辨率達10nT。

圖7中的每一個波形代表小鐵棒經過探測器一次，因為小鐵棒是在探測器旁往復運動，相鄰的兩次運動方向相反，在目標特性曲線中的波形也有所不同，波形1顯示探測器周圍的磁場幅值先下降至最低點后又迅速上升為最大值，過零點對應小鐵棒距離探測器最近的位置，因為磁場為矢量，運動方向與探測器磁敏感方向相同，所以在距離探測器最近位置的兩側會呈現方向相反的兩個波形峰值。在小鐵棒遠離探測器后，又返回靠近探測器時，磁場幅值先增大至最大值，過零后又減小至最小值，如圖中的波形2。波形變化趨勢所反映的磁場變化趨勢與小鐵棒運動方向相對應，這正符合磁場矢量的變化規律。波形1和2對應小鐵棒往復運動中的兩次相反方向的運動。

圖7 磁性目標特性曲線

3 結論

由實驗結果和分析，所設計的特殊結構磁敏感元件能有效解決無反饋電路傳感器靈敏度低的問題，設計的高頻脈沖發生器工作穩定可靠。磁探測器具有較高的靈敏度和較寬的線性量程，磁場靈敏度為185 mV/Oe，線性范圍為±1Oe，磁探測器的磁場分辨率可達10 nT，能對微小鐵磁物體進行準確探測，該探測器具有較好的抗干擾能力和工作穩定性，不僅適用于微小鐵磁目標的探測，還適用于較遠距離時一般鐵磁目標的探測。

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