（材料加工工程专业论文）非晶合金磁性传感器测试分析系统研究.pdf

摘要 摘要 非晶磁性合金材料是一类非常有应用前景的敏感材料，它特有的敏感机理使 得制作性能优良的传感器成为可能，将信号检出与调理也是传感器设计中尤为关 键的一环。如果依靠传统的仪表，只能对传感器敏感材料及其信号调理电路的设 计可行性进行定性地考察，并不能及时、全面、深入地进行量化分析，基于虚拟 仪器的电子测试技术则可以实时、快捷地完成上述任务，虚拟测试技术已经成为 了现代测试技术的发展方向。本文针对传统测量设备硬件成本高、构造复杂、重 用性差和功能单一等方面的问题，提出测试平台的模块化设计原则和通用性要求 ( 范围广、速度快、成本低) 以及具有一定先进性要求，针对非晶磁性合金传感 器的性能测试初步制作了一套虚拟测试系统。 论文从非晶合金磁性材料的敏感机理入手，分析了其应用在传感器上的物理 基础，并提出了相应的信号检出方案；介绍了初步自行开发的测试系统，包括： 具备调制( 激励) 与解调( 检波) 功能的磁感传感器信号检出与调理模块：以 i c l 8 0 3 8 精密函数发生器为核心器件的任意波形发生器；采用p h i l i p s 公司最新 的p 8 9 v 5 1 r d 2 单片机为微处理器进行数据采集与处理的数据采集器；以及自行 设计数字电路键盘的便携式液晶控制器等。论文采用汇编语言初步编写了主要用 于t l c 2 5 4 3 的模数转换控制、串行通讯、u s b 通讯控制的单片机软件和基本的 数据修正程序，以及在便携板上控制液晶屏和键盘的相关软件。论文介绍了采用 c + + b u i l d e r 编写的上位机接口软件及其应用。 系统经过调试后运转情况良好。经过进一步的分析、精心设计方案和细心选 择元器件，系统的性能已有了较大的提高，并能实现一定的测试任务。本论文所 开发的系统已初步具备智能仪器和虚拟测试仪器的特色，但在上述设计思想的指 导下仍具有很大升级空间。 关键词：非晶合金；磁性传感器；测试系统；虚拟仪器 华南理上大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea m o r p h o u sm a g n e t i ca l l o yi sak i n d o fm a t e r i a lw i t ht h ep r o s p e r o u s a p p l i c a t i o n s ，m a n yu n i q u es e n s i t i v em e c h a n i s m so ft h ea m o r p h o u sm a g n e t i ca l l o y s o f f e rt h ep r e m i s e ss u i t a b l ef o rf a b r i c a t i n gt h es e n s o rw i t he x c e l l e n tp e r f o r m a n c e o n e o ft h ek e yl i n k sd u r i n gd e v e l o p m e n to ft h ea m o r p h o u sm a g n e t i ca l l o ys e n s o ri sd e s i g n o ft h ec i r c u i tf o rt h es i g n a ld e t e c t i o na n dc o n d i t i o n i n g t ou s et h ec o n v e n t i o n a l i n s t r u m e n t sf o re v a l u a t i n gt h ep e r f o r m a n c eo fas e n s o ra n di t ss i g n a ld e t e c t i o na n d c o n d i t i o n i n g ，i to n l yc a ne v a l u a t et h e i rq u a l i t a t i v ep e r f o r m a n c ea n dc a nn o tt i m e l y a n dr o u n d l yp r o c e e dt oam u l t i f u n c t i o n a ln u m e r i c a la n a l y s i s h o w e v e r ，t h ee l e c t r o n i c m e a s u r e m e n t sb a s e do nt h ev i r t u a ld e v i c e sc a ns o l v et h ea b o v et a s k sf a s ta n di nr e a l t i m e ，w h i c hb e c o m e st h ef e v e r i s hr e s e a r c hf i e l do fm o d e r nm e a s u r i n ga n dt e s t i n g t e c h n i q u e s c o n s i d e r i n gas e r i a l s o fp r o b l e m so fh i g h c o s t ，v e r yc o m p l i c a t e d c o n s t r u c t i o na n ds i m p l ef u n c t i o nf o rt h ec o n v e n t i o n a li n s t r u m e n t s t h et h e s i sp u t s f o r w a r dt h em o d u l a r i z e dd e s i g np r i n c i p l e ，t h eu n i v e r s a l i t yr e q u i r e m e n t s ( i nw i d e r a n g eo fa p p l i c a t i o n s ，a th i g hs p e e da n do fl o wc o s t ) a n dt h ea d v a n c e dr e q u i r e m e n tf o r t h et e s t s y s t e m ，a n dp r e l i m i n a r i l yd e v e l o p e dav i r t u a lt e s ts y s t e mb a s e do nt h e p e r f o r m a n c e t e s t i n gr e q u i r e m e n t so ft h ea m o r p h o u sm a g n e t i ca l l o ys e n s o r i ti sb a s e do nt h eu n i q u es e n s i t i v em e c h a n i s m so ft h ea m o r p h o u sm a g n e t i ca l l o y s t h a tt h et h e s i sp u tf o r w a r dac o r r e s p o n d i n gp r o j e c tt ot h es i g n a ld e t e c t i o na n d c o n d i t i o n i n ga n d t h ed a t a a c q u i s i t i o nt e c h n i q u e sb ya n a l y z i n g t h e i rc o m m o n c h a r a c t e r i s t i c s i nt h et h e s i s ，p r e l i m i n a r i l ys e l f d e v e l o p e dh a r d w a r em o d u l e sa r e i n t r o d u c e di n c l u d i n gt h eu n i v e r s a ls i g n a ld e t e c t i o na n dc o n d i t i o n i n gm o d u l ew i t ht h e m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nf u n c t i o n sf o ram a g n e t i ci n d u c t i o ns e n s o r ；t h er a n d o m w a v e f o r mg e n e r a t o rw i t hai c l 8 0 3 8p r e c i s ef u n c t i o ng e n e r a t o ra sak e r n e ld e v i c e t h es i g n a ls o u r c ef o rt h et e s t i n gs y s t e m ；t h ed a t aa c q u i s i t i o nu n i tf o ra m p l i f i c a t i o n ， c o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n go ft h es i g n a lb yam i c r o p r o c e s s o rm a d ef r o man o v e l p 8 9 v 51 r d 2s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e rm a n u f a c t u r e db yp h i l i p s ；ap o r t a b l el c d c o n t r o lp a n e lw i t has e l f - d e s i g n e dd i g i tc i r c u i tk e y b o a r d ，a n ds oo n m e a n w h i l e ，t h e s o f t w a r e sw e r em a i n l yw r i t t e nf o rt h ec o n t r o la dc o n v e r s i o n ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n a n du s bc o m m u n i c a t i o no ft h et l c 2 5 4 3m c ua n df o rt h ep o r t a b l el c dc o n t r o l p a n e la n di t sd i g i tk e y b o a r di nt h i st h e s i sw i t ht h ea s s e m b l yl a n g u a g e m o r e o v e r ，i t s t r e s s e si nt h et h e s i so ns t u d y i n gt h ei n t e r f a c es o f t w a r eo ft h eh o s tc o m p u t e rw r i t t e n b yb o r l a n dc “b u i l d e rp r o g r a ma n d i t sa p p l i c a t i o n u a b s ”a c t t h e s y s t e ms u c c e s s f u l l yp a s s e d t h e d e b u g a n do p e r a t e s q u i t er e l i a b l e l y ， i n d i c a t i n gt h a tt h en o v e lv i r t u a l t e s t - c o n t r o l p l a t f o r m i s r e a s o n a b l e b yf u r t h e r a n a l y z i n g ，e l a b o r a t i n g t h ep r o j e c ta n dc a r e f u l l y c h o o s i n g t h ec o m p o n e n t s ，t h e p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mw a si m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y t h es y s t e mi sp r e l i m i n a r i l yo f ac h a r a c t e r i s t i co ft h es m a r ti n s t r u m e n t sa n dt h ev i r t u a lt e s t i n gi n s t r u m e n t s b ym e a n s o fi t ，ap a r to ft e s t i n gt a s k sc a nb ec a r r i e do u ts u c c e s s f u l l y h o w e v e r ，t h es y s t e my e t h a sac e r t a i nl e e w a yt ou p g r a d ea c c o r d i n gt oa b o v ed e s i g np r i n c i p l e s k e y w o r d s ：a m o r p h o u sa l l o y , m a g n e t i cs e n s o r ，t e s t i n gs y s t e m ，v i r t u a li n s t r u m e n t l i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 木人郑重声明：所呈交的论文足本人在导师的指导下进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作晶。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识剑本声明的法律后果由奉人承担。 作者签名： 日期：渺年6 月尸日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完伞了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被含阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行柃索，可以采用影印、缩印或扫 捕等复制于段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属丁- 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) n 期：如国年 日期：2 砚睥 日 日 月 月 眵6 讳球 李呵 名 名 签 签 者 师 怍 导 第章绪论 第一章绪论 1 1 非晶合金磁性材料与传感器 非晶合金( a m o r p h o u sa l l o y ) 即指经原子凝聚而成、长程无序而短程有序的 合余材料”1 。因为非晶合金原子的混乱排列情况类似于玻璃，所以又称为金属玻 璃( m e t a l l i cg l a s s ) 或玻璃态合金( g l a s s ya l l o y ) ”1 。 1 9 6 0 年g u b a n n o v 首先预言了非晶合金铁磁性的存在。1 9 6 7 年，d u w e z 教授 首先用溶体急冷法( 冷凝速率兰1 0 5 。1 0 6 。| c s ) 制备出相当好铁磁性的f e 8 0 p 13 c 7 合 金，从而拉开了非晶合会研究与发展的序幕”1 。1 9 7 9 年，美国a l l i e ds i g n a l 公司 开发出非品合金宽带的平面流铸带技术，并于1 9 8 2 年建成非晶带材连续生产厂， 先后推出命名为m e t g l a s 的f e 基、c o 基和f e n i 基系列非晶合余带材，标志着非 晶合金产业化和商品化的开始。1 9 8 0 年，日本h a g i w a r a 首先提出采用内圆水纺 法制备非晶合金丝材并由u n i t i k a 公司商业生产f e 基和c o 基非晶丝，产品主要 应用于图书馆和超市的防盗标签、传感器等。1 9 8 0 年代初期，美国主要致力于非 晶合金带材的大规模生产和节能非晶配电变压器的推广应用，其中有四个变压器 厂家在1 9 8 4 年的i e e e 会议上展示了实用的非晶配电变压器。这期间，日本和德 国则致力于高级音响磁头、高频电源( 含开关电源) 用变压器、扼流线圈、磁放 大器等电力电子元件方面的开发”1 。1 9 8 8 年，日本日立金属公司的y a s h i z a w a 等 人在非晶合金基础上通过晶化处理开发出成本低廉的铁基纳米晶软磁合金 f i n e m e t 。1 9 9 0 年，m a k i n o 等人1 开发出f e m b ( m = z r 、h f 、n b ) 纳米晶合金， 其饱和磁通密度( b 。) 高于1 5t ，有很高的磁导率。典型的n a n o p e r m 合金 f e 8 4 z r 35 n b b 8 c u 具有最佳的软磁性能，而最近研发出的h i t p e r m 纳米晶合金 ( f e ，c o ) 一m b c u ( m = z r 、n b 、h f ) 的饱和磁感应强度大于1 6 t 、居里温度高于1 2 4 0 k ，非常适合高温软磁应用1 。1 9 9 3 年，科学家发现具有纳米结构的 f e 5 5 删m 7 - 2 2 0 m 3 4 ( m h f 、z r 等) 氧化物拥有优异的频率特性。这种f e m o 软 磁薄膜是由小于1 0r i m 的磁性微晶嵌于非晶态f e m o 膜中的纳米复合薄膜，具有 较高的电阻率、相对低的矫顽力( h c 0 9 t ) 和较强的耐腐蚀性，其综合性能远高于以往的磁性薄膜材料。这类薄膜可望 用于高频微型开关电源、高密度数字记录磁头以及噪声滤波器等1 。此外，利用 非晶丝材各种独特的物理效应开发各类高性能传感器直受到特别关注。尤其最 近在钴基非晶丝材中发现巨磁阻抗效应以来，高精度磁敏传感器的开发成为热点。 1 9 9 9 年，同本名古屋大学和爱知钢铁公司联合开发m i 微型磁传感器和专用集成 电路r 笛片，目标是将非晶丝m 1 传感器用于高速公路汽车自动导航和安全监测系 华南理工大学硕+ 学位论文 统 众所周知，传感器是各种仪器仪表和自动化设备的基础，是现代信息技术的 主要内容之一。信息技术包括计算机技术、通讯技术和传感器技术，传感器技术 承担着获取信息的重任，相当于人的感官，而计算机则有如人的大脑，通信技术 则可以比喻成神经。信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速 发展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。微处理器现在已经在测量和控 制系统中得到了广泛的应用。随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前 端单元和系统中的一个结构组成，传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关 键部件，其重要性越来越明显。日本把传感器技术列为2 0 世纪8 0 9 0 年代的十 大技术之首，美国把传感器技术列为2 0 世纪9 0 年代的关键技术。我国把传感器 微电子技术列为“十五”计划的重点发展项目之一”1 。 j “义来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器 件。国际电工委员会( i e c ：i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i t t e e ) 的定义为：“传 感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照 g o p e l 等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系 统则是组合有某种信息处理( 模拟或数字) 能力的传感器”。传感器是传感器系统 的一个组成部分，它是被钡0 量信号输入的第一道关口”1 。 掣三习 图1 1 传感器的组成框图 f i g 1 - 1t h eo r g a n i z a t i n gf r a m e w o r ko fs e n s o r s 德国和俄岁斯学者认为：传感器应是由两部分组成，即直接感知被测量信号 的敏感元件部分和初始处理信号的电路部分。按这种理解，传感器还包含了信号 成形单元的电路部分。中国标准g b 7 6 6 5 8 7 对传感器下的定义则是：“能感受规 定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和 转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感 受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信 息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和a 动控 制的首要环节叭。 传感器的组成示意图如图1 1 。它一般由敏感元件、转换元件及信号调理电 第章绪论 路组成。敏感元件是指能直接感受( 或响应) 被测量的部分，即将被测量通过传 感器的敏感j 二件转换成与被测量有确定关系的非电量或其它量：转换元件则将上 述非电量转换成电参量；信号调理电路的作用足将转换元件输入的电参量经过处 理转换成电压、电流或频率等可测电量，以便进行显示、记录、控制和处理的部 分。进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。为了方便随 后的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特性的波形，有时还需要将信号线 性化，该工作足由放大器、滤波器以及其他些模拟电路完成的。在某些情况下， 这些电路的一部分是和传感器部件直接相邻的。日前，市场卜的传感器以此类为 卡。但是，随着大规模集成电路技术的发展，传感器正从传统的分：芷式，朝着单 集成化、智能化、姗络化、系统化的方向发展。据光电行业开发协会( o i d a ) 作出的最新预测，在2 0 0 3 2 0 0 6 年期间，智能传感器的国际市场销售量将以每年 2 0 的高速度增长。智能传感器可广泛用于工业、农业、商业、交通、环境监测、 医疗卫牛、军事科研、航空航天、现代办公设备和家用电器等领域”1 。 对于传感器技术的发展来讲，敏感材料是关键的问题。因为各类传感器的基 本性能是由敏感材料决定的。在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、 具有特征性的反应。它们中的那些对外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特 性的材料，被用来制作传感器的敏感元件。因此，每当一种新的功能材料出现， 人们就立刻开始将其应用于传感器研制的尝试。如半导体、形状记忆合金、非晶 合金、压电陶瓷、光导纤维、超导材料、微晶材料以及前段时间风行的纳米材料， 都在传感器领域展现身手。高性能软磁材料是实现磁性元器件小型化、多功能、 低能耗的基础。软磁材料具有优良的综合磁性，表明其饱和磁感应强度( b ，) 高、 起始磁导率( 。) 商、矫顽力( h c ) 低、磁滞回线为矩形或扁平、在较宽频率范 围内的有效磁导率( 肛。) 高、铁芯损耗( p ) 低、在工作温度范围内磁性稳定以及 材料便宜等等【12 传感器是各种仪器仪表和自动化设备的基础，是获取信息的工 具。传感器技术中，敏感元件是关键，它的基本性能则取决于相应的敏感材料。 非晶合金的组织特点赋予了它优秀的软磁特性与高频磁阻特性、高的磁弹性和无 颤动尖锐感生脉冲电动热等特性，是理想的传感器材料。由于非晶合金具有机械 特性理想、磁学性能可“定制”、几何形状简单等优点，其用作敏感元件时可以充 分发挥它的优势”“。这类磁传感器仅需简单的电子电路，就可得到优于1 0v m t 的灵敏度，且信噪比和热稳定性都明显优于同类半导体传感器。因此，以非晶合 金或纳米晶材料为敏感材料的磁传感器不仅结构简单、成本低廉，而且具有机械 性能好、功耗低、温度响应小、灵敏度较高、动态性好、体积小易于集成、可靠 性高等显著特性，既可直接用于磁测量领域，也可二次丌发成其它功能( 如测量 位移、距离、流量、电流等) 的传感器，广泛应用于丁农业、军事、海洋探测、 医学和文物保护等领域”。近年来，直接利用非晶合金磁学特性与间接利用各 华南理上大学硕士学位论文 种磁效应( 如巨磁阻效应、大巴克豪森效应、m i 效应、零磁致伸缩效应等) 设计 和开发出的磁性传感器种类繁多，如罔1 2 所示”“，说明非晶合金与纳米晶传 感器具有广泛的应用前景。 软磁材料的更新换代，是在保持高磁导率( ) 情况下不断改善其综合性能， 如提高饱和磁感应强度( b 。) 和降低损耗( p ) 等，同时也考虑简化工艺、降低成 本等经济指标。非晶及纳米晶软磁材料的工艺技术与应用开发至今仍在迅速发展。 随着其性能的提高和基础理论研究的进展，将会出现更多高性能、高集成化的非 晶合金或纳米晶磁性传感器”1 。 非 晶 态 磁 性 厶 台 缩 会 电磁感应，马特皋( m a t t e u c c i ) 效应 强计 流传感器 位传感器 移传感器 卡读出器 ( 漏电保护器) 匡| 銎鬈曩传感器一i - - - 霎 盗标签转 流传感器接近传感器速 报 转 距 计 霜 车发动机 角传感器 动传感器 车油门踏 轧机芯棒 力传感器 心电流传 了位置传 度传感器 警传感器 速传感 离传感器 数器 冻传感器 点火模块 旋 豇蓦断裂传感器。舌 感器 感器 标签 气 距离传感器 触动传感器 转箱传感器 撞击、震动传感扣掩击传感器 慷力传感器 图l 一2 非晶合金磁性传感器 f i g 1 2m a g n e t i cs e n s o r sf o ra m o r p h o u sa l l o y s 1 2 基于传感器性能测试的测试系统 转编码_ 动传感器 动传感器 动传感器 象传感器 1 2 1 测试系统及其发展概况 系统是指用来完成一个或多个功能所需两个或多个元件、了系统和部件的组 合。测试系统的作用是以客观和试验方式对客体或事件的特性或品质加以定量捕 述。也就是说，测量结果必须不依赖于观察者( 具有客观性) 并以试验为依据( 通 d 仪 磁电方位磁电防涡 第一章绪论 过试验方式获取) 。数值大小必须与所描述的特性遵循相同的规律。测量的月的 可以是过程监测，也可以是过程控制。图1 3 示出一个测量与控制系统的功能和数 据流。 图1 3 测试系统的功能和数据流 f i g l 一3 f u n c t i o n sa n dd a t as t r e a mo ft h et e s ts y s t e m 测试系统是在测试仪器( 仪表) 的基础e 发展而来，根据测试仪器所采用技 术的先进程度，可以其将测试仪器划分为三代”1 ： 第一代测试仪器是以指针式为主的仪器，如现在还在广泛使用的万用表、电 流表、功率表以及简单的非电量检测仪表和显示仪器等等。这些仪器的基本结构 是电磁式和力学式。它们的特点是结构简单、成本低、易于维护、适于对精度要 求不高的场合。 第二代测试仪器是数字式仪器，这类仪器以其快速响应和测量的高精度得到 了“泛的应用，这类仪器的基本原理是将模拟量转换位数字信号进行测量，如数 字式万用表、数字功率计、频率计等。现在数字式仪器的增长速度已远远超过模 拟式仪器。 第三代仪器国际上通常称为微机化仪器( m i c r o c o m p u t e ri n s t r u m e n t a t i o n ) ，这 类仪器最大的特点就是使用微处理器( 一般为单片机) ，它使用方便、功能丰富， 所以也将其简称为智能仪器( i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t s ) 它以微处理器为核心，具 有采集、显示、处理、传输数据等功能。目前，智能仪器正处于高速发展的阶段。 由于微处理器的采用，智能仪器朝着叠加式测试系统发展，通过各式总线连 接计算机和可程控仪器，完成复杂任务的测试。至今发展到以计算机软件为核心 的所谓的虚拟仪器系统。但普遍的认识是仍将测试系统归类为智能测试仪器。从 测试系统的发展历程来看，可将其分为三个阶段： 华南理工人学硕士学位论文 第一阶段的测试系统多是专用系统，它针对某一具体任务设计，用于大量重 复、高精度、高可靠性的复杂测试，或者用于提高测试速度或工作人员难于在测 试现场停留的场合。第代测试系统至今仍在应用，它完成了大量的、复杂的测 试任务，承担了繁重的数据分析、信息处理丁作，快速、准确地给出了测试结果。 但是，它要求设计者自行解决仪器与仪器、仪器与计算机之问的接n 问题。这种 系统的设计、维护复杂，适应性彳i 强，研制费用较高。不利的是当侧试任务改变 时，整个系统没有町利用的价值。 第二阶段的测试系统是种可重构系统，它主要通过硬件来重新定义其测试 功能。它采用了标准的接u 无源母线，系统中的各种计算机、可程控仪器、可控 开关等配备了标准化接口电路，测试系统可依据测试任务不同进行积木式拼构。 这种系统的卡要特点就是采用了标准化的通用接口母线。组建者不必自己设计接 n 电路，更改、增加测试内容也很灵活，使用完毕后拆散容易、拆散后的计算机 及其它设备又可移作他用，显示了极大的优越性，因此得到了广泛的使用。 目前普遍使用的一种接l 标准是在1 9 7 2 年由美国惠普公司首先提出的，被称 为h p i b 。之后，美国电气与电子工程协会( i e e e ) 及国际电t 委员会( i e c ) 接 受了这个标准，并为之颁布了标准文件。该系统在美国称为i e e e 一4 8 8 、g p i l 3 ( g e n e r a lp u r p o s e i n t e r f a c e b u s ，简称g p i b ) 和h p i b ，国内多称之为g p i b 。 第三阶段的测试系统是以计算机为核心的测试系统，在这个系统中，以计算 机为核心，配以一定的测试硬件电路和应用软件，共同完成测试仪器或测试系统 的任务。在第，1 和第二代系统中，计算机处于从属地位，测试系统基本上是对人 工测试过程的模拟，第三代自动测试系统的计算机处于主导地位，以多种理论技 术为依托，直接参与测试信号的产生和测量特性的解析，充分利用了计算机强大 的计算功能。在第三代测试系统中许多仪器硬件已经消失了，取而代之的是计算 机软件或计算机的扩展板。这种系统的数据采样控制、信号处理与数据分析都带 有一定的智能，更重要的是这种系统有很大的柔性，测试功能可以通过软件进行 定义，它是测试系统的发展方向。 现代竞争要求测试系统具有更短的开发周期、更低的成本和更高的性能，第 三代测试系统的出现给测量和检测领域带来了革命性的冲击，在测量原理和仪器 设计等方面产生了重大的影响。特别是“虚拟仪器”的提出，将给测试领域带来全 新的面貌。 1 2 2 传感器性能测试系统的设计特点 本测试系统与传统意义上的测试系统最大的区别是：传统的测试系统测试对 象是外界物理量，传感器与信号处理部分则是固定的。本测试系统贝0 是针对传感 器本身进行测试，外界物理量的模式和信号处理部分是相对固定的。如图1 4 所 第- 章绪论 示。在实际应用中，对于检测传感器的测试系统，它的设计往往受到传感器类型 及其输出特性、外界环境等诸方面的制约，因此，在电路设计时要权衡各方面的 条件，相比其他测试系统除了具有叫编程性、可记忆特性、计算功能、数据处理 功能、控制功能、在线性，以及自校正、自诊断、自学习等设计要求外，还需要 注意以下问题。： ( 】) 信号的放大传感器的输出信号往往是很微弱的信号，如m v 、g v 甚至 更弱，要把它变成v 级信号4 能在后续电路上进行处理，这就必须对它进行放大。 在放大倍数的安排上，为了保证放大器的稳定性，第一级放大器的放大倍数不宣 过高，一般设计在几十倍以下。在放大器的结构选择上，差动放大器比单端放大 器更有利于抑制外来于扰。 ( 2 ) 阻抗的匹配不同的传感器输出阻抗不同。对于低输出阻抗的传感器，传 感器电路的输入阻抗没有特殊要求。对于高输出阻抗的传感器，则要求信号调理 电路的输入阻抗必须与之相适应，如压电式传感器，它的输出阻抗实际上是两电 极问的漏电组，般在1 0 8 q 以上，且输出信号又很弱，这就要求信号调理电路 的输入电阻必须在1 0 8 q 以上才能吸收较多的传感器输出信号。这样高的输入阻 抗，一般晶体管的输入电阻是达不到的，只有选用场效应管作为输入级才能实现。 这时的放大器已变成了阻抗变换器。 ( 3 ) 信号的变换传感器的输出信号通过信号调理电路变换成易十后续电路 处理的形式。易于处理的信号，一般体现在有一定的电平要求( 如v 级) 和信号 形式( 如电压或电流) 两方面。传感器的输出形式有多种多样，传感器电路要根 据后续的要求进行形式的变换，如进行m v - v ，1 - v ，v - f ，f - v 等变换。 ( 4 ) 线性与准确度对于模拟信号输出的传感器，传感器电路的线性要好，它 的非线性误差必须小于测量误差。在电路设计上一是要选用线性要求的电路，二 是要保证电路t _ = 作在线性范围之内。 ( 5 ) 动态响应与频率特性用于快变信号检测的传感器电路，为了保证测量精 度，其动态响应时间与频带宽度必须与之相适虑。在电路设计时，一般要使电路 的动态响应时问必须比传感器的动态响应时间短、电路的通频带宽度比传感器的 通频带宽宽，上土留有一定的余量。 ( 6 ) 环境温度的影响与温度稳定性 环境温度的变化对组成传感器电路的元 器件参数都会造成影响，使其特性发生变化，从而引起电路性能的漂移。在设计 电路时，应对环境温度变化引起元器件参数的变化进行估算，以便采取相应的措 施。通常采用的办法：一是选用低温度系数或低温度漂移的器件，二是采用温度 补偿措施。 ( 7 ) 抗电磁干扰能力外界电磁干扰客观存在。对于弱信号来说，即使外界干 扰的量值不大，但它与信号值的相对比例也足很可观的。一旦干扰侵入，对测量 华南理工人学硕士学位论文 造成的影响就是严蕈的。在电路设计时，首先要对干扰进行定量分析，进而采取 有针对性的措施抑制进入电路的干扰，如采取电磁屏蔽。 ( 8 ) 稳定性与一致性电路的稳定性或称漂移，它包括温度稳定性和随时问的 漂移，表现在同一输入条件卜，多次测量读数的不一致。在电路设计时，要采取 措施减少这种不稳定。常用的办法除采用温度补偿外，还需对元器件或电路进行 老化处理。 ( 9 ) 可靠性与平均无故障时间、可维修性检测系统的町靠性取决于传感器、 信号调理电路等各组成部分的可靠性。对于信号调理电路而言，它的可靠性与平 均无故障时间、可维修性则取决于各组成元器件的可靠性与平均无故障时间、可 维修性。对于町靠性要求较高的信号调理电路，必须对每个元器件的可靠性参数 逐一选定，并进行电路的可靠性参数核算；或根据传感器的可靠性指标，将其分 解到每个冗器件上，据此选择各种器件。 ( 1 0 ) 可实现性根据使用要求设计的信号调理电路能否制作成实用的电路，除 要考虑上述9 个方面的问题外，还要考虑元器件的来源，尽量选用通用件或货源 广的元器件；在结构设计上要避免内部干扰的形成：在制作工艺上要选择成熟的 工艺等。 q 1 ) 信号的传送方式传感器信号的传送方式，大体上可分为四线式、三线式 或两线式三种，这可根据传感器的种类和不同的需要来选择。要求测试系统具备 灵活的接u 方式。 图l 一4 与传统测试系统的比较 f i g 1 4c o m p a r i s o nb e t w e e nt h en o v e la n dc o n v e n t i o n a lt e s ts y e t e m s 第一章绪论 1 3 本课题研究的意义 非晶合金磁性传感器技术已有几卜年的历史，在国外已经得到广泛的应用， 但是我们国家在这个领域的研究还比较落后。材料的研制是其中的一个原因，目 前国内尚无大规模生产块状非晶合会的能力，这为传感器研发者带来了很大的阻 碍。这些年来，我国的科研单位投入了大量的物力和人力进行非晶合金材料的研 究，在传感器应用方面也取得了一定的成绩，积累了大量的实验性成果。这卜仅 为系统的理论研究提供了素材，也为推动系统的理论研究提供了动力。但是，在 实际应用领域却未有较大的突破，究其原因，主要是因为非晶合金材料的研制( 生 产) 、传感器的研制以及应用系统的研制工作未能有机地结合起来。 磁性薄膜与器件实验室在非晶合金材料领域也做了大量的研究工作，为传感 器的研究与开发打下了很好的基础。对传感器性能的测评，在传统上依靠频谱仪、 万用表等独立仪器，测试过程及其复杂；测试之后对数据的处理也很繁杂，整个 过程即耗时又耗力。本课题的研究工作就是为材料和传感器的研究者提供一个专 业的测试平台。检测对象分别以材质、结构、信号检出等为基元，当其他参数同 定时对其中一个参数进行评估。在测试平台的设计过程中，经论证后决定采用模 块化设计方案，针对不同非晶合金磁性传感器的测试机理设计相应的信号调理模 块。另外，还要求该系统具有一定的通用性，比如，测试范围要广；精度能满足 人多数物理量测量的要求：速度也要块；同时，也要考虑设计的成本和传递性； 并且具备一定的先进性。 本课题针对非晶合金磁性传感器设计了专门的测试平台；本文紧跟时代步伐， 摒除数据采集卡的传统设计理念，采用模块化设计方案，引入u s b 串行总线技术， 为测试平台的便携化和操作多样性提供了可能。虚拟仪器概念是美国n i 公司于 上世纪8 0 年代中期提出的，目前已成为仪器仪表的发展方向，本文大胆采用虚拟 仪器技术将测试平台推向了新的高度，为今后的改进和升级做了准备。 1 4 本论文的主要研究内容 本论文以“非晶合金磁性传感器测试分析系统”为题，从非晶合金磁性材料的 敏感机理出发，研究其作为传感器敏感材料的可行性，并提出相戍的信号检出方 法。以非晶合金磁性传感器的性能测试为日标设计了一套虚拟测试系统，设计结 构如图1 ，5 所示。实现了对传感器材质的选择、结构的设计以及信号检出等环节 分别进行对比评估，为传感器的性能优化提供了方便。本文共由六章组成： 第一章是绪论，介绍了非晶合金磁性材料的一些特点和研究状况；分析非晶 9 华南理j ：大学硕士学位论文 合金磁性材料作为敏感单元在传感器巾的应用；然后介绍了基于传感器性能测试 的测试系统，解述了其发展历程和设计要点；最后，指出了本论文研究的背景和 意义，并介绍了论文的整体结构。 图1 - 5 系统框图 f i g 1 5s y s t e mb l o c kd i a g r a m 第二章是非晶合金磁性材料的敏感机理，本章先后分析了磁电式和磁机式 传感器的设计物理基础。 第三章是非晶合金磁性传感信号的检出。介绍了非晶合金磁性传感器信号检 出电路的设计思想，建立了磁电式传感器数学的模型，研究了具体信号检出方法， 最后介绍了激励源电路的设计。 第四章是数据处理平台的设计。介绍了整体架构设计，分别解述了信号采集 板和液晶控制板的设计方案。分析了数据修正的基本算法。 第】l i 章是虚拟测试系统w i n d o w s 应用平台设计。结合磁电式传感器的特点， 利用c + + b u i l d e r 的强大功能，设计了可实时采集与处理的w i n d o w s 应用平台。 第六章是测试系统的仿真试验。本章分别针对激励源、液晶控制板、和 w i n d o w s 应用软件进行了仿真试验。 1 0 第二章非晶和磁性传感器的研究与设计 第二章非晶合金磁性材料敏感机理及传感器应用 2 1 非晶合金敏感功能变换 在绪论中针对非晶合金在传感器应用方面的特性做了大致分析，它们是非晶 合金应用于传感器技术的物理基础。 非晶磁性合会按其成分为三类：过渡金属一类金属系( t m m ) ，其中f e 、 n i 、c o 等磁性元素一般占7 0 8 4 ，类会属元素b 、s i 、c 、p 占1 6 3 0 ；稀 土一过渡金属系( r e t m ) ；过渡余属一金属系( t m m t ) ，其中f e 、n i 、c o 等 过渡元素含量约9 0 ( 质量分数) ，金属元素z f 、h f 等约1 0 。非晶磁性合金也 可按主要成分分为铁基、钴基、铁镍基合金等；还可按其磁性分为高饱和磁感和 高磁导率两类”。 在第一章中简单分析了非晶合金可用于传感器的功能效应，表2 1 归纳出了 非晶合金的显著效应和检出信号形式。 表2 - 1 非晶台金的基本敏感性能 t a b 2 1b a s i cs e n s i t i v ep e r f o r m a n c e so ft h ea m o r p h o u sa l l o y 菊_ 磁场电应扭 振动 位应温 声 液 淤 强度 流 力 矩冲击 移变 度波伉 旋转磁化磁导率 饱平磁感应强度 v 电阻 v 线圈感应电压 vv 磁芯感应电压 霍尔效应电压 v 杨氏模量e v 切变模量g v 磁一机耦台系数t vv 席变 叮 磁芯感应电压 华南理工人学硕士学位论文 在非晶合会的摹本敏感功能表2 。i 中，“”表示效应突出，“v ”表示有一定影 响。尽管此表有待于进一步完善，但它在非晶合金传感器的设计初期有一定的指 导意义。表2 一l 简略指明了非晶合金磁性传感器的开发方向”。 从前面介绍的非晶合会基本性能、敏感特性及其在传感器中的应用可以知道， 磁场强度和应力应变是非晶合金最为敏感的两类物理量。而在电动机控制、磁信 息读写、电力电予技术、地质勘测、无损检测等领域广泛使用磁场传感器。发展 和应用得比较成熟的一些磁传感器，例如霍尔器件、强磁性合金薄膜磁敏电阻、 磁通门磁强计等等，在长期使用中逐步显现出自身存在的某些局限。为了充分发 挥各自的优势，突破限制，拓展发展空间，必须开发新材料，发现新效应，开发 新产品，将磁传感器推向新的发展高峰。因此，利用新型信息功能材料研制高性 能的磁场传感器显得十分迫切，也显示出很好的应用前景。非晶合金带及丝为新 型磁性功能材料，与传统的晶态磁性材料相比，它具有明显优异的机械、力学、 化学及电磁性能。近些年来，国内外都十分重视对这种新材料的研究，利用非晶 台金材料研制新型的传感器也发展迅速。 本章将在归纳、探讨非晶合金磁性敏感机理的基础上，寻求其应用在传感器 时的些