新型非晶磁芯巨磁阻抗效应弱电流传感器

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【摘 要】本文主要从巨磁阻抗效应的原理，传感器的工作原理，信号处理电路，以及传感器的基本构造等方面介绍了新型非晶磁芯巨磁阻抗效应弱电流传感器。除此之外，为了更好的阐述此类传感器，对传感器的信号处理电路的具体设计详细的做了阐述，还与其他类型传感器做了简单的比较，突出了新型非晶磁芯巨磁阻抗效应弱电流传感器的优势。为了提高这种弱传感器的灵敏度和线性度，对电路参数也做了优化。此种弱电流传感器是利用巨磁阻抗效应的原理制成的，是非接触式的传感器。非晶磁芯的性能优良，可以利用高频电流而不影响稳定性等等。希望笔者的论文可以给帮助相关人士理解此种弱电流传感器。

【关键词】巨磁阻抗效应；弱电流传感器；新型非晶磁芯；非接触式

中图分类号：C93文献标识码： A

弱电流传感器在很多领域中有比较普遍的运用，随着这些行业的不断进步，对传感器的准确度的要求也越来越高，比如在电机调速，绝缘在线检测等仪器中，对传感器的灵敏度，抗干扰能力，分辨力有了更高的要求。为了迎合需求，人们对某些新材料，常规能源又有了更多的探索。近年来，迎合市场的需求磁电方面的研究也逐渐火热起来，经过许多仁人志士的探索研究，在非晶，纳米晶材料等的基础上，人们发现了巨磁阻抗效应，这就为新型非晶磁芯巨磁阻抗效应弱电流传感器的研制奠定了基础。

1.巨磁阻抗效应原理的相关知识及其优点

外加磁场的改变可以显著影响软磁合金材料的交流阻抗的现象成为巨磁阻抗效应(giant magneto-impedance, GMI)。具体点说，巨磁阻抗效应就是高频电流引发的趋肤效应。这种现象是kmh等人在一次偶然的实验中发现的。经过多次的实验，发现巨磁阻抗效应在室温的条件下对弱磁场非常的灵敏，具有灵敏度高，线性高，无磁滞现象等优点。具备这样的优势，巨磁阻抗效应的应用有远大的前景，所以引起了各国的学者广泛关注，并积极做了诸多研究。

比如有学者做过比较，在室温的条件下做实验，得出巨磁阻抗效应对弱磁场的灵敏度比巨磁电阻对弱磁场的灵敏度多了一个数量级以及磁通门传感器效率更好的结论。除此之外，可得知，巨磁阻抗效应结构比较简单，工作效率好，温度稳定性也较高，有这很多传感器都无法超越的优越性。当下，由于很多新型复合材料都可见巨磁阻抗效应，所以对其的深入研究也正在进行中。

2.巨磁阻抗效应的基本特征和敏感原件制备

2.1巨磁阻抗效应的显著优势

和其他事物一样，巨磁阻抗效应也有物极必反的道理。在弱磁场的条件下，软磁材料在高频电流作用下，与阻抗磁场呈正相关关系，非线性误差比较小，弱磁场灵敏度较高。然而在高磁场的前提下，阻抗与磁场有着负相关的关系，也就是阻抗会随着磁场的增大而逐渐减小。除此之外，热处理感生磁各向异性场有利于加强此种效应。除此之外，与其他磁效应相比较，利用巨磁阻抗效应制成的传感器其装置简单，但是对速度和频率不敏感。而且这种效应广泛应用于制造磁记录磁头，磁盘检测器，和磁膜储存器的读出器等等，应用十分广泛。

2.2非晶磁芯的相关知识

非晶磁芯是非晶材料加工而来的磁性元件，根据材料的形状可以分为带材型磁芯和粉末性磁芯，笔者主要论述的是经过卷曲后的环形磁芯。非晶磁芯饱和磁密比较高，但是会随着频率升高，磁导率会急速下降，一般用于普通的频带。在实验室当中，经常使用非晶薄带制成敏感原件，具有低耗能，高精度，好灵敏度的特点。其中电流，温度都比较低，电阻率也较小。在具体制备过程当中，非晶薄带要等厚约5cm，沿着规定的方向截取长宽。然后再卷成环形的磁芯，再用脉冲电流退火，这样，敏感原件基本制备完毕。

3新型非晶磁芯巨磁阻抗效应弱电流传感器的结构和工作原理

3.1新型非晶磁芯巨磁阻抗效应弱电流传感器的电路结构

此种传感器有由多谐振荡器，微分电路，非晶磁芯，峰值检波，以及低通滤波差分放大等部分组成的。是由MOS问电路构成的多谐振荡器产生高频方波信号，进过微分电路后产生脉冲电流信号，刺激非晶磁芯。让待测的电流穿过磁芯轴线，这样，环形磁场形成，同时也改变了磁芯阻抗，进而改变峰值电压。在通过峰值检波装置检测峰值的大小，在通过低通滤波与基准电压比较得出差值，输出电压。

3.2脉冲电流电路

脉冲电流通过刺激非晶磁芯，使得阻抗变化率有所改变。某种意义上说也就是提高传感器的灵敏度。原因是非晶磁芯的特性决定的。只有在高频电流的刺激下，非晶磁芯才可以出现巨磁阻抗效应，随着磁场增加，阻抗也急剧增加。通过傅立叶变换可以知道，非晶磁芯的频谱是周期脉冲序列，同时含有丰富的谐波信号，所以脉冲电流可以提高传感器的灵敏度。在具体使用过程中，使用非门芯片产生高频方波，经过微分电路又得到脉冲电流，脉冲电流中的负脉冲又通过飞门去除，仅剩下正向脉冲电流。为了使脉冲电流正常工作，应保证线路不同部位中的电阻的大小合理。比如反向器输入端的补偿电阻远远大于微分电路中的电阻，这样不仅仅可以避免振荡频率不稳定的缺点，还可以提高振荡频率的稳定性。

3.3新型非晶磁芯巨磁阻抗效应弱电流传感器的信号处理电路

传感器信号处理电路大概有五个部分组成，磁芯两端的脉冲电流差值较大，容易使得二极管的阈值电压和临界导通的非线性关系放大，为了避免这种现象，在线路中又设置了峰值检波电路。阈值电压变得很小时可以忽略不计，这时，可以采取滤波措施，减少不需要的散在信号，使得传感器的信噪比增加。检波电路测到的是磁芯两端的峰值电压，有一定的误差，也就是说同一时间段内，两者的初始值不一样，针对这个问题，才装置了差动放大电路，使得可以准确读出差值。在实际电路中，存在这样一片区域，就是磁芯阻抗值越来越慢，这个区域不利于电路的运行，所以为了绕过这片区域，我们就在磁芯附近增加了偏置磁场。如此一来，弱直流电流传感器就有了双重功效，既可以确定电流的去向，还可以被检测电流的大小，真是一举双得。

3.4工作电压对新型非晶磁芯巨磁阻抗效应弱电流的影响

新型非晶磁芯对工作的电压有一定的要求。要在规定的范围内，否则容易出现效率低下的现象，又或者直接造成不能运转的后果。新型非晶磁芯的芯片在此合理范围内工作效率较高，多谐振荡装置几乎都可以保证输出方波的稳定性。但在实际工作中，电压的大小很大程度上决定了方波的幅值，从而也直接影响到脉冲电流峰值的大小。这种现象也刚好印证了在一定条件下，输出的电压值的波动与脉冲电流峰值的大小有线性关系的原理。也由此可知，在相同阻抗变化率的条件下，输出电压的大小可以影响传感器的测量灵敏度，线性度，分辨力。所以保证工作电压在合理范围内是至关重要的。由上文可知，弱电流传感器的灵敏度与工作电压有线性关系，所以有稳定的直流工作电源，是提高电流传感器的精确度和灵敏度的重要基础。

4.结论

笔者提出了一种由非晶薄带为敏感原件的新型巨磁阻抗效应弱电流传感器。提出了传感器的电路设想。这种传感器有无可比拟的优越性，比如:线性强，灵敏度高，设备简单，成本减少等等特点，在相关领域中有较大的应用价值。近年来，不少国外的文章也曾论述过此类研究，但是与之相比，有一定的差距，但是随着多次的实验，磨合，总结，此次所设计的信号处理电路在各方面都有了显著的提高，比如在精确度和测量范围上等等。巨磁阻抗效应自身就具有温度稳定性好，灵敏度高的优势，所以在弱电流检测中应用前景广泛。但是外磁场对其有干扰作用，所以在制作过程中使用了外部磁场的屏蔽壳，提高了其工作效率。

【参考文献】

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