專利名稱：非晶絲巨磁測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非晶絲巨磁測量儀，屬于大專院校的電磁學(xué)、物理學(xué)等相關(guān)課程的實驗領(lǐng)域。
技術(shù)背景巨磁阻抗(Giant Magneto-impedance,簡稱GMI)效應(yīng)，是20世紀(jì)90年代發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象，是指材料的交流阻抗隨外加直流磁場的改變而發(fā)生劇烈變化的特性。巨磁阻抗一般定義為(Zh-Zci)/Zci，其中Ztl和Zh分別表示無外磁場和外加磁場下軟磁材料的交流阻杭，其比值的大小表示材料對磁場變化的敏感程度。1992年，日本Mohri教授等人首先在FeCoSiB非晶軟磁絲中觀察到在磁場下材料的AZ/Z。高達(dá)50%以上，靈敏度比金屬多層膜Fe/Cr或Co/Ag中的巨磁電阻(Giant Magnetic Resistance,簡稱GMR)高一個數(shù)量級。巨磁阻抗效應(yīng)具有快速響應(yīng)，溫度穩(wěn)定，無磁滯現(xiàn)象等特點(diǎn)，利用該效應(yīng)制作的磁傳感器，不但繼承了傳統(tǒng)磁傳感器的優(yōu)點(diǎn)，而且由于GMI磁阻抗變化率高，使它能探測微弱磁場，可廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、生物醫(yī)療、自動控制、安全生產(chǎn)等各行業(yè)，有著廣闊的應(yīng)用前
旦
o現(xiàn)有巨磁阻抗的研究，大多集中于科研単位的實驗室或是研究生階段的學(xué)生進(jìn)行研究，對巨磁阻抗現(xiàn)象的實驗研究，得動用恒流源、信號發(fā)生器等多種實驗器材，并進(jìn)行復(fù)雜的組合，不方便于普通學(xué)生對巨磁阻抗效應(yīng)的掌握。
發(fā)明內(nèi)容針對現(xiàn)有的實驗儀器的不足，本測量儀提出了一種將大電流恒流源、磁場線圈和高精度信號發(fā)生器、非晶絲巨磁阻抗傳感材料結(jié)合起來，并通過單片機(jī)進(jìn)行精確控制的非晶絲巨磁測量儀，可滿足高精度的實驗教學(xué)要求。同時通過對巨磁阻抗輸出隨磁感應(yīng)強(qiáng)度變化等的多種關(guān)系的測量，使學(xué)生能了解與掌握巨磁阻抗效應(yīng)的原理與應(yīng)用。測量儀能滿足大專院校的電磁學(xué)和物理等相關(guān)課程的教學(xué)實驗要求。本測量儀由非晶絲巨磁測量儀主機(jī)和外部可控磁場線圈、巨磁測量實驗平臺和非晶絲材料組成，非晶絲巨磁測量儀主機(jī)上設(shè)置有五位數(shù)顯頻率表、四位數(shù)顯的電流表和四位數(shù)顯的電壓表、測量切換開關(guān)、八個數(shù)控按鍵、功能選擇開關(guān)和兩個信號輸出端ロ，非晶絲巨磁測量儀主機(jī)內(nèi)設(shè)置有大電流恒流源和高精信號發(fā)生器及單片機(jī)和控制電路。本測量儀采用的單片機(jī)型號為AT89C52，它作為控制核心來實現(xiàn)對AD9850的控制，它具有編程簡便、接ロ簡單、小型化的特點(diǎn)。同時以單片機(jī)為控制核心，控制由運(yùn)算放大器和復(fù)合型大功率晶體管構(gòu)成的恒流源系統(tǒng)，測量儀中的恒流源在20 2000mA輸出電流時，輸出電流誤差小于1mA，控制精度較高。單片機(jī)經(jīng)過運(yùn)算形成相應(yīng)的數(shù)字輸出量，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器輸出相應(yīng)的控制信號，實現(xiàn)對頻率輸出和恒流源電流輸出的精確調(diào)節(jié)。數(shù)控方式是采用鍵盤輸入方式，去設(shè)置所需的頻率值或電流值，并由LED數(shù)碼方式顯示出來。本測量儀主機(jī)內(nèi)具有了高精信號發(fā)生器，它主要采用了美國ATI公司的直接數(shù)字頻率(DDS)合成芯片AD9850。與早期的直接式頻率合成技術(shù)和鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)相比較，其產(chǎn)生的信號具有波形穩(wěn)定好、頻率分辨率高、頻率切換速度快等特點(diǎn)，井能實現(xiàn)編程控制。本測量儀在工作頻率為125MHz的情況下，通過頻率控制，可輸出頻率分辨率為
0.IHz的波形，且輸出頻率范圍是IHz 40MHz。AD9850有40位控制字，32位用于頻率控制，5位用于相位控制，I位用于電源休眠控制，2位用于選擇工作方式。本測量儀具有兩個可控磁場線圈，置于測量儀主機(jī)上部，磁場線圈為空心結(jié)構(gòu)，通入線圈的磁場電流由測量儀主機(jī)內(nèi)單片機(jī)所控制的大電流恒流源提供。主機(jī)內(nèi)恒流源所采用的運(yùn)放芯片為LF353，LF353是ー種帶內(nèi)部微調(diào)輸入偏差電壓技術(shù)(BI—FET II technology)的高速運(yùn)放，它輸入阻抗高，并具有極高的轉(zhuǎn)換率。同時為達(dá)到大電流 輸出，在恒流源的輸出端采用了大功率的NPN型達(dá)林頓復(fù)合管電路。測量儀采用獨(dú)立式鍵盤，即單片機(jī)的i/o ロ直接與按鍵相連。八個按鍵的設(shè)置為兩個菜單選擇鍵MENU，兩個選擇鍵SEL，向上變化鍵ADD，向下變化鍵INC，數(shù)值增加鍵UP和數(shù)值減小鍵DOWN。通過按鍵可對所需的頻率信號和電流大小進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。測量儀的非晶絲材料置于巨磁測量實驗平臺上，井置于磁場線圈的軸線上。

圖I是非晶絲巨磁測量儀，圖I中I是磁場線圈，2是巨磁測量實驗平臺，3是非晶絲材料，4是五位數(shù)顯頻率表，5是測量切換開關(guān)，6是八個數(shù)控按鍵，7是四位數(shù)顯電流表，8是功能選擇開關(guān)，9是四位數(shù)顯電壓表，10是非晶絲信號的輸出端ロ，11是取值電阻信號的輸出端ロ。圖2是信號發(fā)生電路圖。圖3是恒流源電路圖圖4是非晶絲信號放大電路圖
具體實施方式
在巨磁阻抗測量實驗中，磁導(dǎo)率實際上是頻率的函數(shù)，當(dāng)頻率升高時，趨膚效應(yīng)增強(qiáng)，這有利于磁阻抗效應(yīng)，但另一方面，頻率升高會使有效磁導(dǎo)率下降，這使有效磁導(dǎo)率受外磁場的影響減小，這又不利于磁阻抗效應(yīng)。這導(dǎo)致在不同頻率下出現(xiàn)各種不同的GMI效應(yīng)，即阻抗在各種不同頻率下隨外磁場增大而改變的形式有所不同。在實驗中，磁阻抗比為其中細(xì)和
Ug(O)分別表示在外加磁場為H時和為零時非晶絲兩端的電壓測量值，Ue(H)和Uk(O)分別為取樣電阻R兩端在外加磁場為H時和為零時的電壓測量值。在實驗中，可通過連續(xù)改變頻率，測量記錄非晶絲材料與取樣電阻的兩端電壓，研究％與f的函數(shù)關(guān)系及Ue與f的函數(shù)關(guān)系，并畫出UG-f和UR-f圖像，并可計算出不同頻率下阻抗Z的大小，畫出Z-f曲線，頻率的變化范圍為IMHz到40MHz。并分別在外磁場為零與外磁場較大情況下測量。同樣，可進(jìn)ー步研究在不同的頻率下的變化規(guī)律，選取幾個固定頻率，通過改變磁場線圈中的電流，得到連續(xù)變化的磁場強(qiáng)度，測量記錄非晶絲材料與取樣電阻兩端電壓，根據(jù)GMI的定義計算，并畫出不同頻率下的GMI -B函數(shù)關(guān)系圖像。測量儀上設(shè)置有兩個信號輸出端ロ，通過兩個信號輸出端ロ，將信號輸給示波器，能得到更好和更直觀的實驗結(jié)果。本測量儀在采用的非晶絲GMI磁傳感器的敏感材料時，可采用典型的鈷基非晶絲 薄帯，同時也可采用鐵基非晶絲、納米非晶絲等。采用非晶絲材料作為磁場傳感器的敏感材料，與傳統(tǒng)的晶態(tài)磁性材料相比，具有優(yōu)異的電磁性能，具有體積小、性能指標(biāo)高的特點(diǎn)。在實驗中應(yīng)注意非晶絲材料應(yīng)輕拿輕放，在測量和換取時應(yīng)避免彎折、拉伸等機(jī)械形變。
權(quán)利要求1.一種非晶絲巨磁測量儀，其特征是由非晶絲巨磁測量儀主機(jī)和外部可控磁場線圈(I)、巨磁測量實驗平臺(2)和非晶絲材料(3)組成，非晶絲巨磁測量儀主機(jī)上設(shè)置有五位數(shù)顯頻率表(4)、四位數(shù)顯的電流表(7)和四位數(shù)顯的電壓表(9)、測量切換開關(guān)(5)、八個數(shù)控按鍵(6)、功能選擇開關(guān)(8)和兩個信號輸出端口(10、11)，非晶絲巨磁測量儀主機(jī)內(nèi)設(shè)置有大電流恒流源和高精信號發(fā)生器及單片機(jī)和控制電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非晶絲巨磁測量儀，其特征是非晶絲材料(3)置于巨磁測量實驗平臺上(2)，并置于磁場線圈的軸線上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非晶絲巨磁測量儀，其特征是具有兩個可控磁場線圈(1)，置于測量儀主機(jī)上部，磁場線圈為空心結(jié)構(gòu)，通入線圈的磁場電流由測量儀主機(jī)內(nèi)單片機(jī)所控制的大電流恒流源提供。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非晶絲巨磁測量儀，其特征是非晶絲巨磁測量儀主機(jī)內(nèi)所采用的單片機(jī)型號為AT89C52。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非晶絲巨磁測量儀，其特征是非晶絲巨磁測量儀主機(jī)內(nèi)高精信號發(fā)生器采用了直接數(shù)字頻率合成芯片AD9850。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非晶絲巨磁測量儀，其特征是非晶絲巨磁測量儀主機(jī)內(nèi)大電流恒流源所采用的運(yùn)放芯片為LF353，其輸出端采用大功率NPN型達(dá)林頓復(fù)合管電路。
專利摘要本實用新型涉及一種非晶絲巨磁測量儀，由非晶絲巨磁測量儀主機(jī)和外部可控磁場線圈、巨磁測量實驗平臺和非晶絲材料組成，非晶絲巨磁測量儀主機(jī)上設(shè)置有五位數(shù)顯頻率表、四位數(shù)顯的電流表和四位數(shù)顯的電壓表、功能選擇開關(guān)、測量切換開關(guān)、八個數(shù)控按鍵和兩個信號輸出端口，非晶絲巨磁測量儀主機(jī)內(nèi)設(shè)置有大電流恒流源和高精信號發(fā)生器及單片機(jī)和控制電路。測量儀通過對非晶絲的巨磁阻抗的測量，使學(xué)生能更好的理解和掌握材料的GMI效應(yīng)的規(guī)律和特點(diǎn)，深入理解磁疇、磁化、趨膚效應(yīng)、阻抗等物理意義。本測量儀結(jié)構(gòu)合理，操作方便，教學(xué)效果好，適合于大專院校的電磁學(xué)、物理學(xué)、電子學(xué)等課程的教學(xué)實驗。
文檔編號G01R33/09GK202534240SQ20122020679
公開日2012年11月14日 申請日期2012年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月9日
發(fā)明者盧常芳, 孫萍, 汪建, 趙良, 高志華 申請人:四川農(nóng)業(yè)大學(xué), 汪建