（测试计量技术及仪器专业论文）智能化非晶丝弱磁场测量仪的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术的发展，微弱磁场的测量在军事、航空、海洋、地质、考古以 及医学等领域获得了越来越多的应用，这些学科领域的不断发展，对微弱磁场测 量仪灵敏度等参数的要求越来越高。而测量仪的关键和基础是传感器，它的性能 直接影响着整个仪器的精度和灵敏度。本文设计了一种基于钴基非晶态合金丝的 智能化弱磁场测量仪，磁场传感器敏感体采用软磁特性非常优异的钴基非晶态合 金丝，可以同时满足对弱磁场和精度两方面的要求。随着单片机技术的发展，目 前在研制高精度、高性能、多功能的测量控制仪表时，几乎没有不考虑采用单片 机使之成为智能仪表的。在测量控制仪表中采用单片机技术使之成为智能仪表后 能够解决许多传统仪表不能或不易解决的难题，同时还能简化仪表电路，提高仪 表的可靠性，降低仪表的成本。 基于以上思想，本文主要作了以下工作：对非晶态合金及其传感器的研究进 展情况进行了概述；介绍了传感器采用的敏感体材料钴基非晶丝的性能；设计 了传感器电路并对其工作原理进行了分析；制作出了相应的磁场传感器，在室温 环境下对传感器的灵敏度、线性度等性能指标进行了测试，传感器的线性度为 0 0 7 8 6 f s ，精度达0 1 0 9 1 f s ；设计并制作了传感器的信号处理电路和单片机 及其外围电路；针对该弱磁场测量仪的特点和功能要求，设计了系统的软件并进 行了编程实现；最后将这些部分组合在一起设计出了一种智能化弱磁场测量仪并 对仪器性能进行了实验测试。设计的测量仪能测量静态的和频率在l l ( i z 以下的 交变弱磁场，量程范围为- 4o c t + 4o c ，可用于地磁场的测量以及空间磁场的 测量，还可用于钢丝绳断丝的检测及钢管缺陷的检测等方面。测量仪能够自动进 行非线性校正和温度补偿，并且具有开机自检功能，可以存储测得的磁场并且查 看这些磁场值。该仪器具有串行通信接口，可以和p c 通信，将测量数据传到p c 做进一步的处理或应用。仪器的操作通过键盘控制，结果通过字符型液晶显示器 显示。经过室温环境下的实验测试，测量仪在量程范围内的精度不低于1 。 关键词：弱磁场，钴基非晶丝，磁场测量，智能仪，单片机 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h em e a s u r eo fw e a km a g n e t i c f i e l dh a sb e e nm o r ea n dm o r eu s e di nt h ef i l e do fm i l i t a r y , a v i a t i o n , o c e a n , g e o l o g y a n dm e d i c a ls c i e n c ee t c n l ec o n s t a n t l yd e v e l o p m e n to ft h e s ef i e l dc a l lh i g h e ra n d h i g h e rr e q u e s to nt h ep a r a m e t e ro ft h ew e a km a g n e t i cf i e l dm e a s u r i n gi n s t r u m e n t ， s u c h 船s e n s i t i v i t y n l eb a s i ca n dk e yt e c h n o l o g yo ft h ei n s t r u m e n ti ss e n s o rw h o s e p e r f o r m a n c eh a sq u i t ee f f e c to nt h es e n s i t i v i t ya n dp r e c i s i o no f t h ei n s t r u m e m i nt h i s p a p e r , a l li n t e l l i g e n tw e a km a g n e t i cf i e l dm e a s u d n gi n s t r u m e n t i sd e s i g n e d n l e m a g n e r i ef i e l ds e u s o ru s e sc o b a s e da m o r p h o u sw i r ew h i c hh a sv e r ye x c e l l e n ts o f t m a g n e t i cc h a r a c t e r i s t i c 嬲s e n s eo r g a n n l i si n s t r u m e n tc a l lm e e tt h en e e db o 也o n s e n s i t i v i t ya n dp r e c i s i o n a st h ed e v e l o p m e n to fs i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r , a t p r e s e n t t h em e a s u r i n ga n dc o n t r 0 1i n s n u n l e ma l m o s ta l lu s em i c r o p r o c e s s o rt om a k e t h e mi n t e l l i g e n t a n dt h em o s tu s e di ss i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r t h ei n t e l l i g e n t i n s t r u m e n tc a nm a n a g em a n yp r o b l e m sw h i c ha r ei m p o s s i b l eo rd i 伍c u l tf o rt h e t r a d i t i o n a li n s t r u m e n t t h e yc a na l s 0m a k et h ec k c u i tm o r ep r e d i g e s t , t h ei n s t r u m e n t m o r er e l i a b l e ，a n dt h ec o s tl o w e r i nt h i sp a p e r , t h ef o l l o w i n gw o r k sa l ed e v e l o p e db a s e do nt h et h o u g h tm e n t i o n e d a b o v e 1 1 1 er e s e a r c ho ft h ea m o r p h o u sa l l o ya n ds e n s o r sa r ep r e s e n t e d t h e c h a r a c t e r i s t i co ft h ec o b a s e da m o r p h o u sw i r ei sp r e s e n t e d t h ec k c u l to ft h es e n s o r i sd e s i g n e da n dt h et h e o r yw h yi tc a nm e a s u r et h em a g n e t i cf i e l di sa n a l y z e d t h e m a g n e t i cf i e l ds e n s o fi sm a d ea n di t sp e r f o r m a n c e , s u c ha ss e n s i t i v i t y ，l i n e a d t y ，i s t e s t e da tr o o mt e m p e r a t u r e t h er e s u l ts h o wt h a tt h el i n e a r i t yi s0 0 7 8 6 f sa n dt h e p r e c i s i o nc a nr e a c ht oo 1 0 9 1 f s t h es i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i ta n dt h es i n g l ec h i p m i c r o c o m p u t e ra n di n t e r f a c ec i r c u i ti sd e s i g n e da n dm a d e t h es o f t w a r eo ft h i s s y s t e mi sd e s i g n e da n dt h ep r o g r a mi sc a r r i e do u ta c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i ca n d f u n c t i o no f t h i si n s t r u m e n t a tl a s t t h ei n s t r u m e n ti sm a d ea n dt h ep e r f o r m a n c eo f i ti s t e s t e d i tc a nm e a s u r et h es t a t i ca n da l t e m a t i n gm a g n e t i cf i e l dw h o s ef r e q u e n c yi s b e l o w1 k h z 1 1 1 em e a s u r i n gr a n g ei s - 40 e + 4o e i tc a nu s e dt om e a s u r et h e g e o m a g n e t i cf i e t da n dt h em a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i n gi nt h er o o m i tc a na l s ou s e dt o i n s p e c tt h ed i s f i g u r e m e n to ft h es t e e lw i r ea n ds t e e lt u b e ，a n ds oo n i tc a nr e v i s e n o n l i n e a r i t ye r r o ra n dt e m p e r a t u r ee f f e c ta u t o m a t i c a l l y ，c h e c ki t s e l fw h e ns t a r t u p ，a n d s t o r a g ea n ds h o wt h ev a l u eo f t h em a g n e t i cf i e l d i th a ss e r i a lc o m m u n i c a t i o np o r ta n d c a nc o m m u n i c a t ew i t hp c s ot h em e a s u r e dv a l u ec e nb et r a n s m i t t e dt op ct om a k e f u r t h g tp r o c e s s n eo p e r a t i o ni su n d e rt h ec o n t r o lo ft h ek e y b o a r da n dt h er e s u l ti s s h o w no nt h el c d 1 1 l ct e s tr e s u l t sa tr o o mt e m p e r a t u r es h o wt h a tt h ep r e c i s i o no f t h i si n s t r u m e n ti sn ol e s st h a n1 k e yw o r d s ：w e a km a g n e t i cf i e l d ，c o b a s e da m o r p h o u sw i r e ，m a g n e t i cf i e l d m e a s u r e m e n t , i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t ，s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、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， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密吼 学位论文作者签名：糸雪 指导教师签名：铷b 铆6 年i z 月l 窖日 汐，6 年，文月f 鼯 7 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：柬雪章 日期：铆年j z 月j z 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本课题研究的目的及意义 1 1 1 磁场测量的重要性及意义 磁场测量已经成为不同技术领域的重要组成部分【。 人类探索宇宙最重要的参数之一就是空间磁场，因此在探险者、旅行者、徘 徊者等航天器上都配备有磁强计。阿波罗中还配备有固定式和便携式两种月球表 面磁强计，测量月球表面磁场。卫星在磁场中运转时，由于其自身的磁性和涡流 就像磁矩在磁场中会受力，使姿态和轨道发生偏离。特别是需要在轨道上长期工 作的，如通信、资源、气象卫星，尽量降低卫星磁性成了设计、制造中的重要环 节。在卫星上天前必须严格地调整、测试其磁性。测试的方法是将卫星看成由一 个或多个磁偶极矩的集合，然后测量其周围磁场，反推磁矩值，调整星载设备， 达到指标要求。 现代生活中电视机显像管的电子束靠磁场来聚焦和偏转，色彩也靠磁场来调 节；喇叭音圈的振动是靠磁场中的电动力推动；变压器是靠磁耦合；电机是由于 电磁力而转动；处处应用磁场和磁力，为了研究、生产各种电器就必须测量磁场。 现代科学仪器中粒子流、射线的会聚、偏转、分选都用磁场来实现；研究微 观粒子结构的各种谱仪都以磁场为工作环境，它们都要精密测试、控制磁场。 相互伴生的磁和电使电器都在辐射磁场，因此使用电器的人类给环境带来了 各种磁场污染，磁污染会影响各种电器、仪表的正常工作，甚至影响人体的健康。 整个世界为了达到电磁兼容、人机兼容的目的要监测环境，也要测量磁场。 磁场还有随时间变化的特性，在地震预报方面利用的是地磁场的各种异常变 化。地震预测中利用测量地磁场的时间变化，特别是断层附近地磁的变化来推测 地层的变化，由此估计未来地震的可能，从而成为地震预测的重要手段。 磁性武器方面，不管是水雷、鱼雷还是航弹都有磁引信。其实不外乎是一些 测量磁场、磁场梯度及其变化量的传感器。船用的自动舵也是以测量磁方位为基 础，控制航向的。 人体和各种生物都有不同程度的微弱磁性。近年来，磁场测量灵敏度的迅速 提高为研究心磁、脑磁和疾病的关系提供可能，心磁仪、脑磁仪和核磁共振c t 等磁性诊断的仪器也应运而生。 江苏大学硕士学位论文 在工业领域，线路中的电流可以产生磁场，这个磁场与电流的大小成比例关 系，因此可以用测量磁场的方法来间接测量电流。一些矿石的存在和位置可以通 过检测磁场的分布来测得。在大容量存取技术中要实现高密度信息存储的本质就 是要提高磁场检测技术。 总之，磁场测量在国防系统，地球物理、工业生产等领域是不可缺少的。 1 1 2 本课题研究的价值和意义 。 磁场测量仪是进行磁场测量和电磁场研究的一种常用设备，广泛应用于核 物理研究、电机制造和环境电磁场监测等领域。测量磁场的技术主要有霍尔效应、 磁阻效应、电磁感应、磁通门、核磁共振、磁光效应等。其中基于霍尔效应测量 方法所使用的霍尔器件灵敏度高、体积小、适应频率和稳定范围宽，而且既可测 量恒定磁场，又可测量交变磁场，霍尔传感器已被广泛应用于磁场的测量，但在 弱磁场的测量上就发生了困难，因为半导体霍尔元件在测量弱磁场时产生霍尔电 势差值较小，其值与剩余电压( 包括四个副效应产生的电压和不平衡电压) 量值 相近，因此用一般霍尔元件去精确测量1 0 1 1 0 1 范围弱磁场是有一定困难 的。随着科学技术的发展，微弱磁场的测量在军事、航空、海洋、地质、考古、 生物以及医学等领域获得了越来越多的应用。这些学科领域的不断发展，对微弱 磁场测量仪灵敏度等参数的要求越来越高，进一步促进了微弱磁场测量技术的发 展 2 1 。 因此，本次课题研究设计了一种基于钴基非晶态合金丝的智能化弱磁场测量 仪，可以同时满足对弱磁场和精度两方面的要求。设计的测量仪能测量静态的和 频率低于1 k h z 的交变弱磁场，可用于地磁场的测量以及空间磁场的测量，还可 用于钢丝绳断丝的检测及钢管缺陷的检测等方面。由于磁场测量在国防系统，地 球物理、工业生产等领域起到了不可替代的作用。因此磁场测量仪器的研制以及 性能的提高对国民经济的发展有重要的推动意义。而且本次设计的磁场传感器采 用的是钴基非晶态合金丝作为敏感体材料，它是近年来一种在磁领域有很大研究 和应用价值的新型功能材料，对它的研究和应用在学术上也有相当重要的意义。 1 2 磁场测量技术的国内外研究现状及发展趋势 现代磁场测量的方法包括：磁一力法、电磁感应法、磁饱和法、电磁效应法、 磁共振法、超导效应法和磁光效应法，不同的测量方法加上与之对应的磁传感器 2 江苏大学硕士学位论文 适用于不同要求、不同领域的测量。目前，国内外有关磁场测量的研究可以分为 弱磁场测量和强磁场测量，但两者并没有明显的界限，有些传感器元件的测磁范 围相当宽。 超导量子干涉仪在所有磁场测量装置中灵敏度最高，但其结构复杂、体积庞 大且价格昂贵，目前大多应用于医疗及材料磁性研究领域。感应线圈磁力计不能 探测静态或缓慢变化的磁场，低频响应差，大部分应用在邻近和距离探测。磁通 门具有较高的分辨率和良好的鲁棒性，但体积较大，价格较高且频率响应较低， 目前，磁通门在导航系统中应用最为广泛。半导体磁阻传感器的应用将越来越少， 而各向异性磁阻( a m r ) 传感器由于其较高的灵敏度和低成本，将会占有更大的 市场。霍尔装置目前应用最为广泛，但其灵敏度有待提高，噪声水平及静态偏移 较大，因此，对霍尔器件的改进主要集中在提高灵敏度、减小偏移和噪声等方面， 它在电流传感及无刷电机控制中占有绝对优势。巨磁电阻( g m r ) 传感器最具发 展前景，对g m r 材料的研究也方兴未艾，不断有新材料或新的g m r 效应出现， g m r 传感器具有体积小、灵敏度高、线性好、线性范围宽、使用温度高、成本低 等优点，但目前对g m r 的研究还处在探索阶段【3 】。 综上所述，随着现代科技的进步，磁场传感器的应用会越来越广泛，除了上 面介绍的传感器各自的发展趋势外，磁场传感器的总体趋势还会向着高灵敏度、 高分辨率、小型化以及和电子设备兼容的方向发展，磁场测量仪器的智能化水平 会进一步提高。在磁浮列车的运行、机器人的控制、汽车的方位及导向、星际磁 场的观测、人体生物磁场的检测等课题方面，会有更大的应用前景。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题研究设计了一种基于钴基非晶态合金丝的智能化弱磁场测量仪，设计 的测量仪能测量静态的和频率低于1 k h z 的交变弱磁场，量程为- 4o e + 4o e 。 论文的主要内容如下； ( 1 ) 对非晶态合金及其传感器的研究发展情况进行了概述； ( 2 ) 设计并制作了非晶丝磁场传感器，并对传感器的工作原理进行了分析； ( 3 ) 设计并制作了磁场测量仪的硬件电路，包括传感器信号处理电路和单片 机及其外围电路； ( 4 ) 设计并实现了磁场测量仪的软件系统，包括磁场的测量，结果的非线性 江苏大学硕士学位论文 校正、温度校正和显示以及故障自诊断，还有键盘输入控制和串行通信。 磁场传感器是该仪器的关键部件，传感器的敏感体是一段绕有线圈的钻基非 晶态合金丝，传感器的基本电路是一个含有非晶丝线圈的多谐振荡桥路，该电路 的显著特点是结构简单，所用元件少，易于保证电路的对称性。当桥路参数满足 一定条件时，电桥发生振荡，给磁芯提供交变励磁信号，同时输出含有随外磁场 变化的多谐信号。 多谐振荡桥路输出的多谐信号在有外磁场时，其输出信号中既有直流分量又 有各次谐波分量。为使传感器能有效地检测磁场，必须设计能检测其直流分量而 将基波及各次谐波滤除的电路。根据多谐振荡桥输出信号的特点，应先将桥路输 出的双路信号送入差动放大器，从而使双端输入信号经差动后变为含有被测量的 单端输出信号。信号的直流分量检测可通过低通滤波器实现。对于静态磁场的测 量，只需通过低通滤波器滤除高频分量得到直流分量；而对于交变磁场的测量， 则要经过检波电路将双极性信号变为单极性信号后再通过低通滤波器得到直流 分量( 平均值) 。经过滤波之后的传感器信号必须与a d 转换器输入信号的范围 相匹配才能进行正确的模数转换，因此，必须先对滤波之后的传感器信号进行放 大。传感器所测的磁场方向有正有负，输出电压也有正负，因此，在迸彳亍模数转 换时需要用到带双极性输入的转换器。信号经过a d 转换之后送入单片机，由单 片机来控制a d 转换的进行并显示结果。单片机外围还有键盘、l c d 显示屏、数 据存储器、串行通信接口电路和看门狗电路。 在硬件确定之后，测量仪的功能由软件来实现，通过编程实现了各部分的功 能并通过主程序协调完成整个仪器的功能。测量仪能够自动进行非线性校正和温 度补偿，并且具有开机自检功能，可以存储测得的磁场并且查看这些磁场值。该 仪器具有串行通信接口，可以和p c 通信。仪器的操作通过键盘控制，结果通过 字符型液晶显示器显示。 4 江苏大学硕士学位论文 第二章非晶态合金及其传感器 2 1 非晶态合金与传感器概述 众所周知，传感器是各种仪器仪表和自动检测与控制系统的基础。2 0 世纪 8 0 年代以来，人类社会进入了信息时代，因而信息技术对社会发展、科技进步 将起决定性作用。现代信息技术的基础是信息采集、信息传输与信息处理，它们 就是传感器技术、通信技术和计算机技术。而且传感器在信息采集系统中处于前 端，它的性能如何将直接影响整个系统的工作状态与质量。可以说，没有传感器 技术就没有现代科学技术，科学技术越发达，自动化程度越高，对传感器的依赖 性就越大。 对于传感器技术的发展来讲，敏感材料是一个重要的问题，因为在各种传感 器中，敏感元件是关键，而敏感元件的基本性能又取决于相应的敏感材料。因此， 每当一种新的材料出现时，就会立刻被用到传感器技术的研究当中。如半导体、 形状记忆合金、非晶态合金、压电陶瓷、光纤、超导材料、微晶材料以及纳米材 料，都是如此。这些不断涌现的新型功能材料，为新型传感器的发展提供了物质 基础，促进了传感器理论和技术的发展。 传统的敏感材料大致上可以分为半导体材料、陶瓷材料和晶态金属材料。虽 然到目前为止，半导体材料仍为敏感材料的主体，但是金属材料，尤其是非晶态 合金，在许多方面表现出明显优于半导体等敏感材料的特性，因此可以用来生产 出更多性能卓越的传感器。例如，用非晶态合金制成的温度传感器具有耐辐射、 低温区灵敏度高等特点，可以用在特殊场合的温度测量上；而用晶态金属或半导 体制成的温度传感器在强辐射环境下，则因内部电阻变化过大，无法提供准确的 测量结果。再如用非晶态合金制成的磁场传感器仅需非常简单的电子电路，即可 得到优于l o v m t 的灵敏度，并且信号的信噪比和传感器的热稳定性明显优于同 类的半导体传感器。【4 】 总之，采用非晶态合金材料和相应的新传感原理，充分利用非晶态合金的优 良特性，研制各种高性能的新型传感器，以满足现代科学技术对传感器技术不断 增长的需求，具有极其深远的意义。正是因为如此，非晶态合金传感器技术已经 成为各国相关研究人员关注的热点。 2 2 非晶态合金的研究与发展 江苏大学硕士学位论文 2 2 1 非晶态合金 非晶态合金又被称为玻璃态合金( g l a s s ya l l o y ) 或金属玻璃( m e t a l l i c g l a s s ) ，是一种具有长程无序而短程有序结构特点的合金。它的主要特点是原子 在三维空间呈拓扑无序状态排列，结构上不存在通常晶态合金所存在的晶界、位 错和偏析等缺陷，但原子的排列也不像气体那样完全无序【5 1 。非晶态合金组成元 素之间以金属键相连并在几个晶格常数范围内保持短程有序，形成一种类似原子 簇的结构，因此，它既是结构无序，又是成分无序。所谓“非晶态”也是相对于 晶态而言的，两者之间并没有明显的界限，如果在结晶中能以4 个原子的间隔均 匀地导入位错( 约1 0 1 4 c m 2 以上) ，则接近于非晶态结构。 2 2 2 非晶态台金的研究发展概况 早在1 9 11 年，g t b e i l b y 等人从理论上预测：由熔体急冷方法可以制成非 晶态合金。1 9 3 0 年，人们用电化学的方法制备出了n i - s 非晶态合金。1 9 5 7 年， a b r e n n e r 又用电镀法制成了非晶态n i p 及c o - p 合金。1 9 5 9 年开始有了关于化 学镀n i - c o p 非晶态合金的报道【州。1 9 6 0 年，加州理工学院的d u w e z 教授等发明 了直接将熔融金属急速冷却制备非晶态合金的方法。金属熔滴喷射到冷基扳上从 而快速凝固，人们将这一技术称为喷溅冷却或快速冷凝。喷溅冷却法的诞生，开 辟了非晶态合金冶金学这一崭新领域。1 9 6 9 年发明的单辊快淬工艺，是非晶态 合金薄带制造技术的关键性突破，为非晶态合金的工业化生产奠定了基础。 1 9 7 9 年美国a l l i e ds i g n a l 公司开发出非晶合金宽带的平面流铸带技术， 先后生产出f e 基、g o 基和f e n i 基系列非晶合金带材，标志着非晶合金产业化 和商品化的开始。最先投入大规模应用的是用铁基非晶带材代替硅钢制作的配电 变压器铁芯。除美国之外，日本和德国在非晶合金应用开发方面拥有自己的特色， 重点是电子和电力电子元件，特别是在钴基非晶合金材料方面有突出的优势，如 高级音响磁头、高频开关电源、扼流圈、磁放大器等。其中东芝公司1 9 8 7 年建 成年产6 0 吨钴基非晶带生产线和年产2 0 0 万只元件生产线，t d k 公司用钴基非 晶合金制造优质磁头并且形成年产2 0 0 万只的规模【7 1 。 国内非晶材料研究始于1 9 7 6 年，国家科委从“六五”开始连续5 个五年计划 均将非晶合金研究、开发和产业化列入重大科技攻关项目。其中标志性的成果分 。别是：t 五”期间建成百吨级非晶带材试生产线，带材宽度达到l u o m m ；“八五” 期间突破了非晶带材在线自动卷取技术，并建成年产2 0 万只非晶铁芯生产线； 6 江苏大学硕士学位论文 “九五”期间，成立了国家非晶微晶合金工程技术研究中心，建成了千吨级铁基非 晶带材生产线，带材宽度达到2 2 0 m m ，同时建成年产6 0 0 吨非晶配电变压器铁 芯生产线。通过前4 个五年科技攻关计划的实施，我国基本实现了非晶合金带材 及制品产业化。之后，北京市科委投资1 2 0 0 万元支持的非晶材料研发及产业化 项目获得重大突破，现已开发出一系列非晶新材料，使我国在该材料领域的工艺 装备和产业化能力上实现了跨越式发展，跃居世界前三位。 在非晶态合金的研究发展过程中，非晶丝材的研究开发也是一个重要分支。 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，随后日本 的u n i t i k a 公司开始利用此法商业生产f e 基和c o 基非晶丝，作为产业化的软磁 材料，应用重点集中在图书馆和超市用防盗标签。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一直受到特别关注。尤其最近在钴基非晶丝材 中发现磁阻抗效应以来，高精度磁敏传感器的开发成为热点。 2 3 非晶态合金的特性 由于非晶态合金独特的微观结构使其在宏观上表现出许多晶态合金所不具 备的优异特性，如高磁导率、低矫顽力的软磁特性，耐辐射、抗腐蚀能力强的化 学特性，强度高、弹性好的机械特性以及电阻率高、温度系数小的电学特性。同 时非晶态合金还具备磁一机变换、磁一电变换等敏感功能，是一种理想的传感器敏 感材料。 2 3 。1 非晶态合金的力学性能 材料的力学性能表现在不同工作条件下，从开始受力到破坏的全部过程中所 表现的力学特性。其中最主要的参数是密度、弹性模量、屈服强度和断裂强度。 非晶态合金不是完全的弹性材料，存在较大的滞弹性行为。在施加载荷时， 开始时为弹性应变，随后为与时间有关的蠕交应变。但是所产生的蠕变应变在卸 载后，随时间推移可逐渐恢复。 在对非晶态合金拉伸和压缩试验时，它的屈服和断裂几乎是同时发生的，其 抗拉强度等于或小于屈服强度，这和一般的晶态合金不同。非晶态合金具有很高 的抗拉强度，其中，铁基、钴基非晶态合金的抗拉强度盯均可达到4 0 0 0 m p a 左右， 镍基非晶态合金也可达到3 5 0 0 m p a 左右，都比晶态高强度琴钢丝的值高。非晶态 合金的强度也可由硬度来衡量，因此其硬度值很高，如钴基合金硬度h v 可达 江苏大学硕士学位论文 1 4 0 0 ，这是很惊人的高硬度材料。非晶态合金的强度性能与成分关系密切。 非晶态合金的无序结构使它有很高的强度，同时又具有高塑性和冲击韧性。 它在变形时无加工硬化现象。和非金属玻璃的脆性断裂不同，它的断裂是通过高 度局域化的切变变形实现的。非晶态合金的动态性能也很好，有高的疲劳寿命和 良好的断裂韧性。 2 3 2 非晶态合金的电学性能 非晶态合金的电学性能主要是电阻率、超导电性等方面，其中人们关注较多 的是它的电阻率，表2 1 列出了一些晶态金属与非晶态合金的电性比较。与晶态 金属相比，非晶态合金有以下特点： ( 1 ) 非晶态合金的电阻率比晶态的值高得多，在室温下非晶态合金的电阻 率可达5 0 3 5 0 p q c m ，比晶态大1 0 1 0 0 倍之多。 ( 2 ) 非晶态合金的电阻温度系数比晶态的小得多，且可以随成分改变符号。 ( 3 ) 非晶态合金的电阻率在室温附近随温度丁作线性变化，在更低温度下， 则随丁2 作线性变化。 表2 1 晶态金属与非晶态合金的电性比较 电阻率 电阻温度系数 合金 r 3 0 0 k 凡2 k p 3 0 0 k ，“n c m l o5 1 晶态 c u1 7 24 3 32 0 0 8 6 0 0 n a 4 ，65 4 6 非晶态 n b 0 4 n i o6 1 5 0- 7o 9 6 c t l o6 z r 043 5 0- 90 9 7 p d 0s s i o2 8 681 0 3 2 3 3 非晶态合金的磁学性能 由于本课题主要是应用的非晶态合金的磁特性，因此这里重点介绍一下其磁 学性能。虽然非晶态合金和晶态合金在微观结构上有所差别，但非晶态合金的磁 性也可以像晶态合金那样分为内禀磁性和非内禀磁性。内禀磁性有时又称为结构 不敏感磁性，它主要取决于材料本身的内在特性( 如成分、原子排列等) ，表征 非晶态合金内禀磁性的物理量主要有饱和磁化强度m 。、居里温度瓦、饱和磁致 伸缩系数丑和磁各向异性常数足等。非内禀磁性有时又称为结构敏感磁性，如 8 江苏大学硕士学位论文 矫顽力皿、磁导率、剩磁比最民以及损耗p 等。任何能够影响非晶态合金 内部结构的因素如材料处理过程、形状的改变和各种感生各向异性等，都会使非 晶态合金的非内禀磁性发生明显的改变。下面分别介绍一下。 1 磁矩和饱和磁化强度 绝对零度下的饱和磁化强度是磁性材料的一个重要的基本量，有时也用单位 磁性原子的平均磁矩来表示这个量。大多数非晶态合金的磁矩总是比它所含的纯 晶态过渡金属的磁矩要小，造成这一结果的主要原因，不是由于结构的无序，而 是由于类金属元素的存在使得局域的化学环境发生了变化造成的。 2 居里温度 尽管非晶态合金是化学及结构无序的，但它仍然有一个明确的磁有序温度一 居里温度。它的存在反映了非晶态合金结构上的短程有序。当把非晶态合金用作 磁性材料时，其工作温度一般不能超过。研究表明，过渡金属一类金属非晶态 合金的居里温度通常比纯的晶态过渡金属的低得多，而且与合金的成分关系十分 密切。 3 磁各向异性 由于非晶态合金不存在原子排列的长程有序，因此通常认为它在宏观上是各 向同性的。但是实际情况并非如此，无论是制备态的非晶态合金还是经过加工处 理后的非晶态合金，都存在着宏观的各向异性现象。归纳起来，非晶态合金中的 磁各向异性有以下几种：结构和成分各向异性、应变一磁致伸缩各向异性和方向 有序各向异性。 一般来说，要求非晶态合金中的磁各向异性越小越好，因此常采用热处理等 方法消除或减弱上述磁各向异性，但对于传感器应用，非晶态合金中的磁各向异 性不一定都是不利因素。有时为了满足某些需要，还要对材料进行适当的处理， 使之感生出所需的单轴各向异性。 4 磁致伸缩 ， 由于非晶态合金不存在磁晶各向异性，所以磁致伸缩就成了影响磁特性的主 要因素之一。当非晶态合金的磁致伸缩系数很大时，其具有极高的机电耦合系数， 可以用作应力敏感材料和磁致伸缩材料；当磁致伸缩系数趋近于零时，其具有很 高的磁导率。 9 江苏大学硕士学位论文 5 非晶态合金技术磁化的特点 非晶态合金的技术磁化并没有新的理论，通常是沿用晶态材料的磁化理论， 但是在技术磁化过程和特性方面，非晶态合金有自己的特点。 磁畴是非晶态合金技术磁化的基础，技术磁化的本质就是通过外加磁场的作 用，把材料自发磁化所形成的各磁畴的磁化方向转向接近外磁场的方向，也就是 使这些磁畴通过畴壁的移动和转动完成磁化。 在技术磁化过程中会涉及到技术磁性，技术磁性是非晶态合金在技术磁化对 所表现出来的磁特性，它主要包括矫顽力、剩磁比、磁导率、铁损等。 2 4 非晶态合金传感器技术 研究的目的是为了应用，只有对非晶态合金的结构以及它的性能有了深刻的 了解，才能更好的利用非晶态合金的特殊性能来制作出高性能的器件。非晶态合 金传感器是其应用的一个主要方面，非晶态合金理论研究和技术的进步促进了非 晶态合金传感器技术的发展，同时传感器技术的提高又给非晶态合金的研究提出 了更高的要求，从而又促进了非晶态合金研究的发展。 2 4 1 非晶态合金传感器技术研究概况 非晶态合金传感器的研究始于日本，1 9 7 8 年k m o h r i 率先用f e 基非晶态合 金研制成功力传感器，此后，各种以非晶态合金为敏感元件的传感器相继问世。 传感器的类型也从最初的力敏型向磁敏、温敏等类型发展，并在电力、电子、机 械、交通、航天、军事、医学等领域得到了广泛的应用。下面介绍一下其发展过 程中的几类主要的传感器。 1 位置、位移传感器 位置、位移传感器是工程中常用的传感器，设计原理一般是根据电磁感应定 篷释 k l l 协( t 1 晖罢i 萧 h1 t 1 图2 1k l d l 技术检测原理图 律，由位置等物理量的变化引起磁场的变化，通过检测磁场得到相应的物理量【s 】。 1 0 江苏大学硕士学位论文 其中比较典型的有：e h r i s t o f o r o u 利用基于磁致伸缩效应的m d l ( 磁致伸缩延 迟线) 技术设计了一种位置传感器【9 j ，原理图如图2 1 所示。沿m d l 轴的脉冲磁 场可以产生声脉冲，此脉冲以与材料纵向声速相同的速度沿m d l 轴传播，经过一 定时间延迟后由检测线圈测得，即可检测出距离的大小。1 9 9 2 年，华中理工大 学用c o 基非晶态合金制成了芯棒位移传感器，解决了无缝管材高速冷轧机芯棒 断裂的监测难题。鲍丙豪等用零磁致伸缩系数的非晶态合金丝为芯绕上线圈作为 敏感元件【l o 】，以探测一永久磁铁的位移量，具有结构简单、体积小、灵敏度高、 响应速度快等优点。c c h i r i a c 用c o f e s i b 非晶丝以及线性变压器原理构成磁传 感器【l “，既可以检测磁场，也可以用来测量距离和位置。2 0 0 5 年，f m t u f e s c u 等又研制了用非晶态合金薄带卷成环为磁芯的变压器式距离传感器【12 】，具有抗噪 声干扰能力强的特点。 2 力矩传感器 由于接触式测量存在明显的缺点，力矩的检测多采用非接触测量方式，主要 有两种方法：检测转轴自身的形变和受力，或者在转轴上安装或粘贴检测材料。 前者由于在力矩作用下转轴自身的变形较小，使得检测结构复杂且灵敏度低，所 以近些年来力矩传感器的研究重点是后一种方法。例如，在转轴上粘贴具有强磁 致伸缩特性的非晶态合金带，通过材料磁导率的变化来测量力矩。但这种方法一 个很大的缺点是测量精度受传感器和转轴之间气隙长度的影响，为了解决此难 题，p r o m b a c h 等提出了一种新型力矩传感器结构【引，如图2 2 所示。非晶带安 侍感嚣 蠢 遗传怎嚣 遁传痘嚣 图2 2 力矩传感器原理图 装在转轴上，两对磁通密度传感器对称分布在探头和非晶带之间的气隙中，检测 时，两个载流线圈激励磁轭产生外磁场，力矩大小影响非晶带的磁导率即影响外 磁场，两对磁通密度传感器分别测量中心和边缘的磁通密度，两者综合得到外磁 场的变化，从而得到非晶带磁导率的变化和相应的力矩。除了非晶带，还有细丝 ， 江苏大学硕士学位论文 和薄膜材料的应用，目前非晶态合金力矩传感器的研究重点是如何提高传感器的 响应速度，减少滞后和零点漂移。 3 磁场传感器 在非晶态合金材料问世之前，基于坡莫合金材料的各种磁通门传感器一直是 磁性材料磁场传感器的中心。在具有优良特性的非晶态合金薄带面世之后，各种 以非晶态合金为敏感材料的磁场传感器应运而生。这些传感器由于采用了新的原 理、结构和电路，往往具有比常规磁通门传感器或其它磁场传感器更好的综合性 能，并且很快投入了商业应用【4 】。日本松下公司1 9 8 1 年推出围棋学习机是非晶 态合金磁场传感器第一个商业化的应用系统。c c h i r i a c 等1 1 1 提出了一种采用变 压器式结构的磁场传感器，这种传感器由于采用了非晶态合金丝作为敏感元件， 使得这一传统测量结构在灵敏度上有了很大提高，可以用来测量微弱的磁场。日 本的h o n k u r a 等研制出了采用非晶态合金丝的m i 元件传感器，制作出的传感 器具有2 5 0 m v o e 的灵敏度，在- 4 b c 8 5 c 之间都可以保持很好的温度稳定性， 可以用在汽车的电子导航以及自动追踪等方面。另外，两个三极管的双芯多谐振 荡器电桥是这类传感器的一个典型结构。但是这种电路由于两个磁芯很难保证完 全对称，使传感器对应正反磁场灵敏度、线性度、线性范围不同，使得传感器整 体性能指标下降。针对这种情况，鲍丙豪等【h 1 提出并设计出单磁芯双线并绕法， 解决了双磁芯结构存在的问题，使传感器制作更简单，体积更小，性能指标也有 明显提高。 由于一些量，如电流等都间接的与磁场有关系，因此，以各种非晶态合金磁 场传感器为基础，还开发出了许多其它类型的传感器和应用系统，如电流传感器、 转速传感器等。这样就进一步扩大了非晶态合金磁场传感器的应用范围。 2 4 2 非晶态合金传感器技术的发展趋势 由于非晶态合金传感器具有优越的性能，所以在工业检测和其它测量领域起 到了不可忽视的作用，前景十分美好，未来非晶态合金传感器技术的研究将集中 在以下几个方面1 4 ： 1 建立非晶态合金传感器理论体系 在非晶态合金传感器技术的发展中，技术性的研究与开发往往是受到偏重的 部分，这种情形近年来有所改变。非晶态磁性合金在传感器技术应用中的研究已 1 2 江苏大学硕士学位论文 持续了多年，积累了大量经验性成果，这不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。因此越来越多的人开始从不同的角度，对非 晶态磁性合金在传感器中的应用问题进行系统的研究。这些研究涉及到材料特 性、材料处理、敏感机理、检测电路、信号处理和结构设计等诸多方面。完整理 论体系的形成是一个学科从幼稚走向成熟的标志和必然，非晶态合金传感器技术 的系统化理论研究还将得到不断的发展。 2 技术研究注重实效 非晶态合金传感器技术属于应用型的基础研究，其成果如果长期停留在实验 室水平，则最终将束缚自身的发展。现在越来越多的研究者注意到了这一现实， 开始注重非晶态合金传感器实际经济效果的开发，从而加快了从科研成果到商品 的转化速度。另外，他们还不断拓宽非晶态合金传感器的应用领域，像汽车、化 工、电力、电子等行业中传感器的潜在市场。 。 3 材料、传感器和应用系统的研究开发一体化 。 目前，应用研究的一体化多反映在以下两个方面，一是传感器的研制者与非 晶态合金材料的研制者和生产者的合作，二是传感器的研制者和应用系统的研制 者的合作。非晶态合金传感器技术的发展，既得意于非晶态合金材料的进步和各 领域应用需求的刺激，也受制于非晶态合金材料和相关技术的发展水平。因此， 以上两种形式的合作甚至三位一体的协作研究不仅是推动传感器技术发展的有 效形式，也是获取各自利益的最佳途径。现在，一些对非晶态合金的研究本身就 在传感器的生产部门甚至传感器的使用部门展开，它不仅要求研制者开发出传感 器，而且还要求开发出相应的应用系统。 2 5 小结 本章介绍了该测量仪采用的敏感体材料一非晶态合金及其传感器技术的相 关情况。首先对非晶态合金的研究发展进行了概述。其次对非晶态合金的磁学等 特性作了简单介绍，正是这种优异的性能，才使它在传感器技术方面有广阔的应 用前景。最后介绍了一些典型的非晶态合金传感器，并分析了非晶态合金传感器