用巨磁電阻位移傳感器測(cè)量磁致伸縮系數(shù)研究

馬麗娜, 倪 敏, 鄭源明, 張 晴

(1. 上海師范大學(xué) 數(shù)理學(xué)院物理系, 上海 200234; 2. 上海復(fù)旦天欣科教儀器有限公司, 上海 200433)

用巨磁電阻位移傳感器測(cè)量磁致伸縮系數(shù)研究

馬麗娜1, 倪 敏1, 鄭源明2, 張 晴1

(1. 上海師范大學(xué) 數(shù)理學(xué)院物理系, 上海 200234; 2. 上海復(fù)旦天欣科教儀器有限公司, 上海 200433)

介紹采用巨磁電阻傳感器與配對(duì)小磁鋼設(shè)計(jì)組成新型位移傳感器,測(cè)量材料的磁致伸縮系數(shù),并對(duì)自旋閥巨磁電阻(NVEAA002-02)位移傳感器以及多層膜巨磁電阻( SS501A)位移傳感器的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析比較,得出用多層膜巨磁電阻(SS501A)位移傳感器測(cè)量磁致伸縮系數(shù)時(shí)靈敏度較高,結(jié)果較準(zhǔn)確,對(duì)磁致伸縮系數(shù)的傳統(tǒng)測(cè)量方法有明顯的改進(jìn)。

磁致伸縮; 巨磁電阻; 新型位移傳感器

測(cè)量材料的磁致伸縮系數(shù)是物理實(shí)驗(yàn)中一個(gè)重要內(nèi)容。由于磁致伸縮效應(yīng)引起的材料長(zhǎng)度變化極其微小,一般只有10-6～10-3數(shù)量級(jí)[1],因此需要一些特殊的測(cè)量方法。目前測(cè)量該系數(shù)的方法有應(yīng)變電阻測(cè)量法、邁克耳孫干涉測(cè)量法和光杠桿測(cè)量法等[2],這些方法都存在一些不足:應(yīng)變電阻測(cè)量法對(duì)電阻的應(yīng)變片與樣品的貼合程度要求很高,實(shí)驗(yàn)中不便更換樣品,操作不易[3];邁克耳孫干涉測(cè)量法對(duì)儀器的調(diào)節(jié)要求非常高,實(shí)驗(yàn)裝置比較“嬌嫩”,也比較笨重,調(diào)節(jié)步驟較繁瑣,且不能電量輸出[4];光杠桿測(cè)量法誤差來(lái)源較多,如望遠(yuǎn)鏡視差、非電量輸出、靈敏度較低[5]。為改進(jìn)上述不足,筆者設(shè)計(jì)了巨磁電阻與配對(duì)小磁鋼組成的新型位移傳感器,利用巨磁電阻體積小、靈敏度高、抗干擾好等優(yōu)點(diǎn)[6],結(jié)合機(jī)械杠桿放大裝置,對(duì)樣品的微小伸長(zhǎng)量進(jìn)行放大,以此提高實(shí)驗(yàn)測(cè)量的靈敏度,并使實(shí)驗(yàn)結(jié)果以電量輸出。實(shí)驗(yàn)中采用不同型號(hào)的巨磁電阻進(jìn)行測(cè)量,通過(guò)分析比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果,進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)裝置,選擇最佳的測(cè)量方案。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 磁致伸縮效應(yīng)

1.2 巨磁電阻效應(yīng)

2007年10月,法國(guó)科學(xué)家阿爾貝·費(fèi)爾和德國(guó)科學(xué)家彼得·格林貝格爾因獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng)共享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)這一殊榮[8]。所謂的巨磁電阻效應(yīng),是指磁性材料的電阻率在有外磁場(chǎng)作用時(shí)較之無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)存在巨大變化的現(xiàn)象[9]。如今,巨磁電阻效應(yīng)在磁傳感器方面有了廣泛的應(yīng)用,就其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理分為兩種類型:多層膜巨磁電阻與自旋閥巨磁電阻。巨磁電阻傳感器具有體積小、靈敏度高、穩(wěn)定好、壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn),非常適用于微小形變的測(cè)量[10]。

1.3 巨磁電阻位移傳感器原理

將巨磁電阻元件置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中,若在垂直于磁場(chǎng)方向的巨磁電阻元件中通以電流I,如果保持I不變,使其在梯度均勻的磁場(chǎng)中移動(dòng),則輸出的電勢(shì)差變化量為:

(1)

圖1 巨磁電阻位移傳感器原理圖

若磁鐵間隙內(nèi)中心截面處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零時(shí),巨磁電阻元件輸出的電勢(shì)差應(yīng)該為零。當(dāng)巨磁電阻元件偏離中心沿Z軸發(fā)生位移時(shí),由于磁感應(yīng)強(qiáng)度不再為零,巨磁電阻元件也就產(chǎn)生相應(yīng)的電勢(shì)差輸出。由此可以將電勢(shì)差為零時(shí)元件所處的位置作為位移參考零點(diǎn)。電勢(shì)差與位移量之間存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,當(dāng)位移量較小(<2mm)時(shí),這一對(duì)應(yīng)關(guān)系具有良好的線性[12]。

2 實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)及創(chuàng)新

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介

實(shí)驗(yàn)裝置主要由磁鐵及控制電源、機(jī)械杠桿放大裝置、巨磁電阻位移傳感器和千分螺桿等4部分組成。如圖2所示，實(shí)驗(yàn)中電磁鐵提供變化的磁場(chǎng),使得樣品發(fā)生磁致伸縮效應(yīng),樣品產(chǎn)生的長(zhǎng)度變化通過(guò)機(jī)械杠桿放大后引起巨磁電阻傳感器在小磁鋼磁場(chǎng)中的位置發(fā)生變化,此時(shí)傳感器用于輸出相應(yīng)的電壓值,千分螺桿則用于測(cè)量巨磁電阻傳感器的位移。

圖2 巨磁電阻位移傳感器實(shí)驗(yàn)裝置

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)的創(chuàng)新

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方法

3.1 用半導(dǎo)體位移傳感器測(cè)量材料的磁致伸縮系數(shù)

將圖2中的巨磁電阻位移傳感器換成型號(hào)為JH-2(量程10g)的半導(dǎo)體位移傳感器,該傳感器利用半導(dǎo)體微位移測(cè)力,也稱半導(dǎo)體力敏傳感器,同時(shí)可以測(cè)微位移,且內(nèi)有信號(hào)放大器放大輸出。用該傳感器測(cè)量樣品的磁致伸縮系數(shù),雖然靈敏度較高,但是實(shí)驗(yàn)中機(jī)械杠桿的末端直接與半導(dǎo)體位移傳感器接觸,彼此間的摩擦?xí)?duì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果,這種直接接觸式的測(cè)量方法不是最佳,但用該傳感器測(cè)量得到的磁致伸縮曲線是為筆者以下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供參考,以驗(yàn)證自己組裝的巨磁電阻位移傳感器測(cè)量微位移的準(zhǔn)確性。

3.2 用自旋閥及多層膜巨磁電阻位移傳感器測(cè)量材料的磁致伸縮系數(shù)

實(shí)驗(yàn)前對(duì)兩傳感器進(jìn)行定標(biāo),確定自旋閥及多層膜巨磁電阻傳感器的線性工作范圍,為之后傳感器的使用界定范圍,并計(jì)算傳感器的靈敏度;然后調(diào)節(jié)磁鐵電源,改變電源輸出,確定輸出電流I與電磁鐵場(chǎng)強(qiáng)B的關(guān)系;按圖2搭好實(shí)驗(yàn)裝置,調(diào)整巨磁電阻位移傳感器,使其處于小磁鋼中心軸處,旋動(dòng)微分頭,改變傳感器位置,從而改變傳感器的電壓輸出,確定微分頭讀數(shù)l與電壓輸出U的定標(biāo)關(guān)系;最后調(diào)節(jié)磁鐵電源,使樣品發(fā)生磁致伸縮效應(yīng),每隔0.5A記錄傳感器的輸出的電壓值U,結(jié)合之前的B-I和U-l關(guān)系,計(jì)算磁致伸縮系數(shù),繪制TbDyFe樣品的磁致伸縮系數(shù)λ與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系曲線。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

現(xiàn)將用半導(dǎo)體位移傳感器、自旋閥巨磁電阻位移傳感器和多層膜巨磁電阻位移傳感器測(cè)得的磁致伸縮系數(shù)描繪在同一坐標(biāo)軸中,如圖3所示。自旋閥巨磁電阻位移傳感器和多層膜巨磁電阻位移傳感器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1,從傳感器的線性工作范圍和靈敏度等方面進(jìn)行比較。

圖3 3種傳感器測(cè)量結(jié)果

巨磁電阻位移傳感器類別傳感器線性工作范圍/V傳感器靈敏度/(V·mT-1)U-l定標(biāo)關(guān)系自旋閥巨磁電阻位移傳感器0.004～0.064V0.0529V/mTU=0.174l+1.1103多層膜巨磁電阻位移傳感器0.1～0.27V0.0887V/mTU=0.474l-1.8744

比較可知:自旋閥巨磁電阻位移傳感器:U=0.174l+1.110 3,相關(guān)系數(shù)r=0.998 6,每1 mm位移量對(duì)應(yīng)174 mV的電壓輸出;多層膜巨磁電阻位移傳感器:U=0.474l-1.874 4,相關(guān)系數(shù)r=0.999 7,每1 mm位移量對(duì)應(yīng)474 mV電壓輸出。多層膜巨磁電阻位移傳感器每1 mm位移量對(duì)應(yīng)輸出電壓最大,裝置的靈敏度最高,測(cè)量的結(jié)果更準(zhǔn)確。自旋閥巨磁電阻位移傳感器靈敏度略遜于多層膜巨磁電阻傳感器,但其線性范圍比多層膜巨磁電阻大,所以兩種傳感器可根據(jù)實(shí)際需要正確選擇應(yīng)用。靈敏度較高、線性范圍不大的多層膜巨磁電阻傳感器適用于微小量的測(cè)量,如測(cè)量磁致伸縮系數(shù);線性范圍較大而靈敏度略遜的自旋閥巨磁電阻傳感器則比較適合用于磁場(chǎng)變化范圍較大的實(shí)驗(yàn)中。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)用不同型號(hào)類型的巨磁電阻設(shè)計(jì)新型位移傳感器,對(duì)磁致伸縮系數(shù)的傳統(tǒng)測(cè)量方法進(jìn)行優(yōu)化,分析比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出：多層膜巨磁電阻位移傳感器測(cè)量磁致伸縮系數(shù)的靈敏度優(yōu)于自旋閥巨磁電阻位移傳感器,但是多層膜巨磁電阻的線性范圍不及自旋閥巨磁電阻。因此要根據(jù)實(shí)際需要對(duì)兩種類型的巨磁電阻進(jìn)行適當(dāng)選擇。巨磁電阻元件在檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域有廣泛的用途,因?yàn)橛镁薮烹娮栉灰苽鞲衅鞑粌H可以測(cè)量材料的磁致伸縮系數(shù),還可用于測(cè)量其他的微小位移量,如測(cè)量金屬線膨脹系數(shù)或金屬材料的楊氏模量等。

References)

[1] 曹惠賢. 普通物理實(shí)驗(yàn)[M].北京:北京師范大學(xué)出版社,2007:285.

[2] 張永炬, 林朝斌. 磁致伸縮系數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法的比較[J]. 臺(tái)州學(xué)院學(xué)報(bào),2003,25(3):49-51.

[3] 曹惠賢. 磁致伸縮系數(shù)的測(cè)量[J].物理實(shí)驗(yàn),2003,23(2):37-38.

[4] 張小俊. 用邁克耳孫干涉儀測(cè)量磁致伸縮系數(shù)[J].大學(xué)物理,1994,13(1):31.

[5] 呂新夫, 高翔, 周惠君, 等. 用兩種可行的光學(xué)方法測(cè)量磁致伸縮系數(shù)[C]// 第六屆全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)論文集 (下冊(cè)),2010:497-499.

[6] 周曉明. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].廣州:華南理工大學(xué)出版社,2012:202.

[7] 李蓉. 基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教程[M].北京:北京師范大學(xué)出版社,2007:298.

[8] 賴武彥. 自旋極化的電流[J]. 物理, 2007,36(12):897-903.

[9] 張志勇,王雪文,翟春雪,等. 現(xiàn)代傳感器原理及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2014:159-160.

[10] 王俊杰,曹麗. 傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2011:165-166.

[11] 胡向東,劉京城,余成波,等. 傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009:99.

[12] 朱軍良. 物理測(cè)量技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社，2012:200.

Research on measurement of magnetostrictive coefficient with GMR displacement sensors

Ma Lina1, Ni Min1, Zheng Yuanming2, Zhang Qing1

(1. Department of Physics,Shanghai Normal University, Shanghai 200234, China;2. Shanghai FudanTianxin Scientific & Educational Instruments Co.,Ltd, Shanghai 200433, China)

This article introduces the new displacement sensor which is designed with GMR sensors and a pair of small magnets about measuring a material’s magnetostrictive coefficient,then compares the sensitivity of two different sensors( GMR spin-valve(NVEAA002-02)displacement sensor and GMR multilayer(SS501A)displacement sensor).The research finds that the sensitivity of GMR multilayer displacement sensor measuring magnetostrictive coefficient is the best,which has some improvements to the traditional test methods for measuring the magnetostriction coefficient.

magnetostrictive; giant magnetoresistance(GMR); new displacement sensor

2014- 11- 07 修改日期：2015- 01- 08

馬麗娜(1992—)，女，浙江金華，上海師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院碩士研究生

E-mail：marina20110715@163.com

倪敏(1960—)女，上海，學(xué)士，副教授，主要從事物理教育和物理實(shí)驗(yàn)研究.

O4-34

A

1002-4956(2015)6- 0061- 03