非晶态合金材料磁化特性及其应用的研究.pdf

第11卷 第2期集美大学学报 自然科学版 Vol 11 No 2 2006年6月Journal of JimeiUniversity Natural Science Jun 2006 收稿日期 2005 10 10 基金项目 福建省自然科学基金资助项目 A0440007 福建省教育厅科技计划项目 JA004244 作者简介 解源 1956 女 教授 从事工程测试与自动控制研究 文章编号 1007 7405 2006 02 0122 04 非晶态合金材料磁化特性及其应用的研究 解 源 陈仅星 谢 瑜 许 鑫 集美大学信息工程学院 福建 厦门361021 摘要 描述了非晶态合金材料的电磁感应效应并推出反映被测磁场变化的输出电压关系式 论述了 非晶态合金磁芯材料的磁化特性曲线 分析了磁化曲线的非线性特征形式 非线性区间宽度 磁芯磁化工 作点与传感器灵敏度 线性输出特性 稳定性之间的关系 在此基础上介绍了脉冲感应型磁场传感器的检 测原理 并给出了部分实验结果 关键词 非晶态合金 电磁感应效应 磁化曲线 非线性特性 磁场传感器 中图分类号 TP 212 文献标识码 A 0 引言 非晶态磁性合金是一种新型电磁功能材料 它组织结构独特 具有许多明显优于半导体 晶态合 金等传统敏感材料的性质 1 2 其低矫顽力 高磁导率及高机械强度等使之成为优良的敏感材料 促 使人们研究其功能效应 设计开发不同用途的传感器 3 在所有这些传感器中 非晶态合金材料大 多是以检测线圈磁芯的形式出现 非晶态合金传感器敏感机理的基础是它完成各种转换所依据的物理 效应和现象 本文对非晶态合金材料的典型磁效应 电磁感应效应及磁化特性进行分析 并对脉冲 感应型磁场传感器检测原理进行介绍 1 非晶态合金的电磁感应效应 电磁感应效应泛指物质的电和磁相互感应的现象 它们构成了 磁性材料工程的基础 如图1所示 采用钴基非晶态磁性合金材料 作为线圈的磁芯 具有优异的软磁特性 主要表现为高饱和磁感应 强度或高磁导率的应用磁性 当给线圈L通上重复的脉冲电流 使 其磁芯磁化 那么在断开电流 即对应于脉冲电流下降沿 的瞬 间 线圈L两端就会产生一个感应电压Ui 由Faraday电磁感应定 律可以表示为 Ui Nd dt NAdB dt NAd H dt 1 式中 Ui 感应电压 V N 线圈数 匝 磁芯的磁通量 Wb A 磁芯的截面积 m 2 B 磁芯的磁感应强度 T H 磁场强度 A m 磁芯的磁导率 H m 由式 1 可见 无论磁芯磁导率 的变化或者外部磁场H的变化 都能最终反映到感应电压Ui 的变化上来 若非晶态合金材料的磁导率 不随时间变化 则可以将它用来检测磁场的变化情况 实 第2期解源等 非晶态合金材料磁化特性及其应用的研究 际上 在磁芯的长度方向上 磁场强度H由两部分构成 一是由脉冲电流产生的激励磁场He 二是 被测磁场Hd 因为B 0 H M H He Hd 则 dB dt 0 1 dM d H dH d t 2 将式 2 代入式 1 可得 Ui NA 0 1 dM d H dHe dt dHd d t 3 式中 0 磁性常数 H m M 磁芯的磁化强度 A m He 激励磁场强度 A m Hd 被测 磁场强度 A m 由式 3 可见 无论磁芯的磁化特性dM dH的变化或者外部磁场dH dt的变化 最终都反映 到感应电压Ui的变化上来 通过检测Ui的变化 即可反映出被测磁场的变化 从而完成非电量到电 量的变换 2 非晶态合金材料的磁化曲线 从非晶态磁性合金的基本性能可以了解到 虽然这种材料在微观 结构上与相应的晶态合金不同 但其技术磁化曲线与晶态合金大致上 相同 典型的磁化曲线 M 2H曲线 如图2所示 显然这是一条非线性 曲线 尤其在趋近于饱和时 曲线的非线性更加突出 磁化曲线的升 高速度逐渐趋缓 外磁场的继续增加不会使磁化强度M再增高 最后 逼近于一条水平线 即达到技术饱和 钴基非晶态软磁合金也服从与晶态材料相同的趋近饱和定律 M Ms 1 a H b H 2 其中 a和b为实验常数 Ms为饱和值 通常要求用作磁芯的非晶态合金材料具有明显的非线性磁化特性 材料M H关系的非线性区间 越宽 非线性越突出 就越有利于被测磁场的测量 因此 选择不同的线圈结构参数和电路参数 可 以设定励磁磁场He及励磁参数 其大小应满足磁芯工作在非线性磁化区间的基本要求并保证磁芯磁 化达到稳定状态 即确定非晶态合金磁芯在M2H曲线上的基本工作点 如果不存在偏置磁场 对于恒定的dH dt 线图两端产生的感应电压Ui也是一个恒定值 如果 被测磁场Hd不等于零 对磁芯就相当于一个偏置磁场 它的存在则使磁芯的工作点沿其磁化曲线发 生移动 如果这种移动发生在M2H曲线的非线性部分 那么不同的Hd就会使dM dH取不同的值 从而导致线圈两端在断电时产生不同的感应电压 换言之 由于磁化曲线实际存在的非线性和被测磁 场Hd的作用 使磁芯的工作点在非线性区间移动 线圈两端的感应电压Ui会发生与被测磁场Hd相 关的变化 一般情况下 励磁磁场强度He不仅远大于被测磁场强度Hd 一个数量级以上 而且He变化速 度比Hd快得多 即dHe dt dHd dt 则dH dt dHe dt 代入式 3 可得 Ui NA 0 1 dM d H dHe dt 4 其中 dM dH取决于非晶态磁性合金材料的磁化特性 dHe dt主要取决于传感器的驱动电路 假设 dHe dt为常数 式 4 可以变形成 Ui Ui0 Ui 5 其中Ui0 NA 0dHe dt Ui Ui0dM dH 式 5 表明 在线圈两端所产生的感应电压中 Ui0是由激励脉冲电流产生磁场引起的感应电 压 是与被测磁场强度无关的常量 称为零场电压 真正反映被测磁场变化的只可能是 Ui 要使被 321 集美大学学报 自然科学版 第11卷 测磁场在 Ui中有所反映 则dM dH必须不为常数 这意味着磁化工作点必须落在磁芯磁化曲线的 非线性区间 最理想的情况是落在M为H二次函数的区间 如果不考虑磁芯退磁因子的影响 则希望非晶态磁性合金的磁化曲线为二次曲线的形式 即 M f H 2 因为在这样的区间里 Ui将随被测磁场作线性变化 这样可以使传感器在其满量程范 围内显示出最好的线性输出特性 3 应用实例 311 脉冲感应型磁场传感器 脉冲感应型磁场传感器的检测原理是以Faraday电磁感应定律和非晶态合金材料磁化曲线 M 2 H 非线性为基础的 图3所示为双线圈单向励磁感应型磁场传感器的结构框图 其主要工作过程如下 时基电路产生一个高度稳定的时钟信号 控制一对脉冲电流源的重复频率和占空比 脉冲电流源 激励源 主要向线圈提供一个受控的脉冲电流 对非晶态磁芯进行周期性的磁化 保证磁芯工作在 非线性磁化区间且磁化达到稳定状态 非晶态合金磁芯实际上是一个磁敏感元件 它一方面感受被测 磁场的变化 将这种变化调制到磁化状态上去 另一方面 通过电磁感应效应 把被测磁场的变化转 化成感应电压信号 感应电压检出器则把线圈所产生的感应电压的峰值检测出来并保存下来 经运算 电路处理得到最终的输出结果 312 输出特性分析 脉冲感应型磁场传感器采用的磁芯材料是2705M钴 Co 基非晶薄带 非晶带宽度为1 mm 长 度约为18 mm 绕制两个线圈均长818 mm 内径2 mm 线径0111 mm 匝数400匝 所加脉冲电流 的频率为45 kHz 脉宽约217 s 在实验室对脉冲感应型磁场传感器的输出特性进行了测试 其结果如图4所示 由图4可见 在 一定测量磁场范围内 输出电压与被测磁场保持良好的线性关系 传感器的灵敏度在零场附近高达 10 V mT以上 正 反向磁场的灵敏度具有较好的一致性 因此 利用传感器不仅可以测量磁场的大 小 而且可以确定磁场的方向 实验表明 传感器的灵敏度和满量程范围与所用非晶态磁性合金的磁化特性直接相关 非晶态磁 性合金磁化曲线 M 2 H 的非线性越明显 磁化曲线的非线性范围越宽 传感器的灵敏度就越高 传 感器的满量程范围也就越宽 因此 检测线圈磁芯材料M2H磁化曲线的非线性越突出 就越有利于 这种传感器的应用 此外 还可通过不同的加工处理方法来改善非晶态合金材料的磁学性能及磁化曲线 进而改善传 感器的灵敏度和满量程范围 扩展传感器的线性范围 提高传感器的热稳定性能 421 第2期解源等 非晶态合金材料磁化特性及其应用的研究 4 结束语 通过对非晶态合金材料电磁感应效应及磁化特性M2H曲线的分析 指出了非晶态合金磁芯在 M2H曲线上的基本工作点 磁芯工作在非线性磁化区间的基本要求以及磁化特性与传感器灵敏度等性 能指标的相关关系 有助于从机理上进一步研究磁场传感器的动态与静态性能 有利于非晶态合金传 感器技术的进一步应用与开发 在此基础上研制的非晶态合金脉冲感应型磁场传感器 具有体积小 灵敏度高 性能稳定等特点 特别适用于测量小动态范围的微弱磁场 具有实用价值 参 考 文 献 1 赵英俊 杨克冲 杨叔子 非晶态合金传感器技术与应用 M 武汉 华中理工大学出版社 1998 2 王绪威 非晶态合金材料及应用 M 北京 高等教育出版社 1992 3 林继鹏 王君 凌振宝 等 基于非晶态合金的感应式磁敏传感器的研究 J 仪器仪表学报 2004 25 2 1952197 Study on theMagnetization Characteristics of Amorphous Alloy and Its Application XIE Yuan CHEN Jin2xing XIE Yu XU Xin School of Infor mation Engineering JimeiUniversity Xiamen 361021 China Abstract The electromagnetic influence effect ofmaterial for amorphous alloy and expression on various magnetic field is presented The non2linear magnetization characteristics of pick2up coil for magnetic core of amorphous alloy is discussed The effects of its shape circumscription selection of magnetization working point ofmagnetic core to magnetic field sensor on sensitivity linearization output characteristics and stabili2 zation are analyzed Based on the above analysis