铁基纳米微晶磁敏传感器的研究

铁基纳米微晶磁敏传感器的研究

1铁基纳米微晶材料磁敏传感器的应用铁粉纳米颗粒是一种新型的纳米磁敏材料，具有较大的磁强阻（mor）或影响最大的磁强效应（moi）。由此而成的设备具有灵敏度高、体积小、响应快、非接触等特点。与传统的霍里磁源传感器相比，具有高灵敏度、更好的温度稳定性、更宽的工作量、更长的使用寿命等优点。可以在许多领域取代现有的传感器，并将产品的自动控制水平提高到新的水平。因此利用铁基纳米微晶材料的磁敏特性研制磁敏传感器无疑是具有重要的现实意义和广泛的应用前景,目前已有一些相关的文献报道。而这里研究的磁敏传感器,具有电路简单、输出信号大、灵敏度高等特点。2磁敏传感器的设计和工作原理2.1淬法制的确定原始非晶态Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9条带是用单辊快淬法制得,1.2mm宽,25μm厚。将长度为4cm条带在氮气保护下,温度在540℃,退火40min即可制成Fe基纳米晶;样品用Y4Q型X射线衍仪检测纳米微晶;再用4294A阻抗仪测量其巨磁阻抗效应。2.2铁基纳米晶磁体磁敏传感电路由磁敏振荡器和RC低通滤波器构成,具体的电路原理图如图1所示。图1所示电路中工作电压Vcc为15V,R1、R2、C1、C2、C3、L及三极管构成Colpitts振荡器,各元件参数分别如下:R1=33kΩ,R2=2.7kΩ,R3=510Ω,C1=5100pF,C2=C3=51pF,三极管为放大系数β介于100~300间的NPN型硅管,而电感L是自制电感线圈,其内置铁基纳米微晶条带,线圈是由直径为0.1mm的漆包线绕制而成的,它的直径、长度和匝数分别为2.67mm、10.1mm和100匝。如图2所示。铁基纳米材料具有磁敏特性,因此当它所处环境的磁通量发生变化时,就会有巨磁阻抗效应产生,从而使振荡器输出量(直流分量、交流信号幅度、交流信号频率)随外加磁场而变化,成为磁敏振荡器。Hex是沿铁基纳米晶磁体条带方向并穿过该条带的磁场强度。图1中R4、C4构成低通滤波器,R4=100kΩ,C4=510pF,R-C低通是最简单的一种低通滤波器,由电阻和电容元件构成,其作用是提取直流分量,滤去交流分量。2.3磁场对磁敏机构的影响当该振荡器线圈中没有加入铁基纳米晶磁体条带时,振荡器满足振荡条件,能产生振荡信号且它的输出电压是很大的,R-C低通输出直流电压平均值达到几伏。当线圈中放入磁体条带而未外加磁场时,涡流损耗大,导致电感线圈的Q值低,输出电压迅速减小,甚至导致振荡器停振。当加上外加磁场时,铁基纳米晶磁体条带在磁场作用下开始显示其巨磁阻抗效应,涡流损耗减小,电感的Q值升高。随外加磁场的逐渐增强,磁敏振荡器的输出电压随之逐渐增大。但当外加磁场增强到一定程度后,磁体条带达到磁饱和,磁敏振荡器输出电压随磁场强度的增强变化趋缓,最后趋于不变。3性能试验3.1磁敏传感器的输出性能测试时,采用了型号为WY-30V2A直流稳压电源、C31/1-mA型直流毫安表、规格为半径R=10cm的亥姆霍兹线圈、TektronixTDS2012型号示波器。亥姆霍兹线圈用来产生一个均匀的磁场,该磁场施加到内置铁基纳米晶条带的电感线圈上,使得磁敏传感器的输出发生改变,而磁敏传感器的输出量用示波器来测量。通过调节可调电源的输出电压,改变流过亥姆霍兹线圈的电流,以得到不同强度的磁场。亥姆霍兹线圈是由直径为0.29mm的漆包线绕650匝而成的,电流和磁场强度之间的换算公式是:B=(45)32u0NIRB=(45)32u0ΝΙR式中:u0=4π×10-7H/m,R为亥姆霍兹线圈半径,N为单个圆电流线圈的匝数,I为亥姆霍兹线圈中的电流,N=650,R=10cm。测试时将磁敏振荡器中内置铁基纳米晶条带的电感线圈与亥姆霍兹线圈垂直放置,由于亥姆霍兹线圈的中间位置磁场强度最大且为均强磁场,因此电感线圈要放在正中的位置。3.2传感器迟滞性和重复性测量传感器的基本特性可用静态特性和动态特性来描述,限于条件,这里只讨论静态特性。传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出输入关系,衡量静态特性的重要指标有线性度、灵敏度、迟滞性和重复性等。实验时,调节电源输出电压,使流过亥姆霍兹线圈的电流从0mA到180mA之间变,也即外加磁场从0高斯(Gs)到10高斯(Gs)之间变化,为了测量传感器的迟滞性和重复性,实验时测量数据从小逐渐增大,又从大逐渐减小,并进行重复多组测试。测量结果如图3、图4所示。图3是a、b、c三组重复数据分析曲线,三组数据曲线基本重叠,说明传感器重复性很好。图4是磁场从小逐渐增大的a组数据分析曲线和从大逐渐减小的e组数据分析曲线,可见正、反行程曲线基本重叠说明传感器不存在迟滞现象。由图3、图4中,看到磁场强度从1Gs到4Gs区间,传感器输出有一个突变,利用这个特性可以把它作为开关元件来使用。而磁场强度在1Gs到3Gs区间,曲线的线性度很好,测得其灵敏度为S=1.30V/Gs,可见灵敏度很高,利用此区间特性,可用它来测量磁场强度、位移等。