PPTGMI Sensor 巨磁阻抗磁傳感的原理及應(yīng)用介紹 - 圖文-

1、GMI Sensor Principle & Application 巨磁阻抗傳感器的原理及應(yīng)用介紹2013.12 By Tonysensors-ic at qq com GMI Sensor 巨磁阻抗傳感器簡介 巨磁阻抗效應(yīng)(GiantMagneto Impedance effects, GMI 是指軟磁材料的交流阻抗隨外加磁場的改變而發(fā)生顯著變化的現(xiàn)象,產(chǎn)生GMI 效應(yīng)的主要原因是高頻電流的趨膚效應(yīng)。GMI 磁傳感器采用交流驅(qū)動,具有靈敏度高、飽和磁場低、響應(yīng)快和穩(wěn)定性好等優(yōu)點。利用GMI 非晶絲材料可設(shè)計成高靈敏度的磁場傳感器,用于微弱磁場、電流、位置、生物在地磁場測量地磁匹配導(dǎo)

2、航及分子濃度等物理量的檢測,在地磁場測量、地磁匹配導(dǎo)航及多種弱磁傳感器中有著廣泛的應(yīng)用,具有很大的應(yīng)用前景和研究價值。 傳感器基礎(chǔ)材料非晶絲 The MI Sensor makes use of the Giant Magnetoamorphous metal wire. Impedance effect of magnetic GMI傳感器材料GMI效應(yīng) 材料的GMI效應(yīng)可以用樣品阻抗Z隨外加磁場Hex變化的ZHex曲線來表征,但這樣的曲線不能明確反映出磁阻抗效曲線來表征但樣的曲線不能明確反映出磁阻抗效應(yīng)的強弱程度。特別是由于樣品的測量長度無法嚴(yán)格控制不同樣品的無法相較因可選用阻抗的制,不同

3、樣品的ZHex無法相互比較,因此可選用相對變化值隨外加磁場的變化曲線來表征,用沒有外加磁場時的樣品阻抗Z0作為“阻抗的相對變化量”的變化場時的樣阻抗作為阻抗的相對變化的變化基準(zhǔn),即DZ/Z0=(ZZ0/Z0,其變化率與樣品本身的長度無關(guān)因為測量電流的頻率不高,測量導(dǎo)線的發(fā)射并不嚴(yán)關(guān)。因為測量電流的頻率不高,測量導(dǎo)線的發(fā)射并不嚴(yán)重,因此采用四點法進(jìn)行測量。GMI GMI 傳感器材料GMI 效應(yīng) 圖所為點法測量意圖其中為亥姆霍茲線圈圖所示為四點法測量示意圖。其中1為亥姆霍茲線圈,提供勻強磁場;2是本設(shè)計使用的非晶絲樣品;3是霍爾傳感器,用于測量磁場強度。用示波器分別接入電阻和非晶絲兩端以顯示電壓變

4、化。GMI 某實驗利用國內(nèi)研制的合金非晶絲作為敏感元件在室GMI 傳感器材料GMI 效應(yīng) CoFeNbSiB 合金非晶絲作為敏感元件。在室溫下材料對溫度的變化不敏感,利用圖示的測量方法,在室溫下進(jìn)行測量。圖2行測量圖所示為在不同頻率的激勵信號下樣品的阻抗隨磁場變化的曲線,在0.25mT 的磁場作用下,其阻抗都將達(dá)到最大值,當(dāng)激發(fā)電流頻率為10MHz 時,其阻抗值為最大 GMI傳感器材料GMI效應(yīng)GMI CHARACTERIZATION OF MAGNETOIMPEDANCE THIN FILM MICROSTRUCTURES CHARACTERIZATION OF MAGNETO IMPEDA

5、NCE THIN FILM MICROSTRUCTURES GMI 傳感器材料GMI 效應(yīng) GMI傳感器材料GMI效應(yīng)GMI CHARACTERIZATION OF MAGNETOIMPEDANCE THIN FILM MICROSTRUCTURES GMI效應(yīng)測試非晶 材料GMI特性測量儀 非晶材料磁阻抗特性測量儀簡介一、主要技術(shù)參數(shù)1.系統(tǒng)控制主機:內(nèi)含可1路可調(diào)恒流源(0.3mA50mA、2路4 1/2數(shù)字電壓表和1塊USB接口24bit數(shù)據(jù)采集卡;功耗:<50W。2.自動掃描電源:0±5A,掃描周期880秒。3.亥姆霍茲線圈:0±160Gs。亥姆霍茲線圈4.測

6、量專用檢波與放大電路技術(shù)參數(shù):輸入信號動態(tài)范圍:±30 dB;輸出電平靈敏度:30mV / dB;,輸出電流:8mA;,轉(zhuǎn)換速率:25 V /s;相位測量范圍:0180°相位輸出時轉(zhuǎn)換速率:30MHz;響應(yīng)時間:40 ns500 ns;測量夾頭間隔10mm。5.計算機:PC兼容機,Windows XP、Windows 7操作系統(tǒng)。6.數(shù)據(jù)采集軟件:運行環(huán)境Windows XP、Windows 7操作系統(tǒng)。三軸赫姆霍茲線圈磁場h l h l l h d ll f ld h l 發(fā)生裝置 Within its Helmholtz coils, this device will

7、generate a magnetic field with optional settings or a space with zero magnetic field.It uses ultra high sensitivity MI sensors to measure the magnetic field.Th i H l h lt il t ll d b t d t t th ti fi ldThree axis Helmholtz coils controlled by computer are used to generate the magnetic field. 脈沖電流驅(qū)動

8、When pulse electric current is passed to amorphous metal wire, the wire impedance changes significan response to the strength of the imposed magnetic field.This phenomenon is called "Giant Magnetoimpedance Effect” 微型MI元件設(shè)計 of a micropickup coil wrapped around the Consists amorphous meta wire.Th

9、e pickup coil detects the imaginary part of the MI effect. GMI傳感器的性能優(yōu)勢 (1 Extremely High Sensitivity,up to 106Gauss can (l i h S i i i0Gbe detected. GMI傳感器的性能優(yōu)勢 GMI傳感器的性能優(yōu)勢 器件種類探頭長度分辨率響應(yīng)速度功耗霍爾件/001Oe/20Oe磁通門1020mm1Oe/3Oe5kHz1WGMI器件12mm1Oe/3Oe1MHz10m GMI傳感器的性能優(yōu)勢 p gSuperior Sensing Performance (2 Fas

10、t Response,Frequencies up to 1MHz are possible. GMI傳感器的性能優(yōu)勢 Superior Sensing Performance (3 Excellent TemperatureStabilityDue to high Curie temperature of the wire, temperature characteristic shows excellent stability. is one of the strengh of MI sensor compared stability This when to the semiconduc

11、tor magnetic sensors such as hall effect sensors. GMI傳感器電路設(shè)計 電路基本原理是利用非晶絲在幾兆赫茲固定頻率、幾毫安的交變電流激勵下,其阻抗值Z=R+Xi隨沿絲軸方向施加的外磁場而發(fā)生變化的現(xiàn)象。根據(jù)圖2的阻抗變化特征,選取其中阻抗值最大也最敏感的10MHz交變電流激勵,激發(fā)電流的大小對材料特性的影響不大,根據(jù)經(jīng)驗選取其值為10mA。非晶絲在0.25mT以下的磁場激勵下阻抗變化近似線性且曲線的斜率較大,利用此段特性作為傳感器的感應(yīng)區(qū)域。GMI傳感器電路設(shè)計然后通過信號處理電路檢測非晶絲兩端的輸出電壓隨外加磁場的變化,利用單片機進(jìn)行電壓與磁

12、場的轉(zhuǎn)換,從而形成微型磁傳感器整個傳感器由傳感單元信號檢測單元數(shù)據(jù)采集單元實器。整個傳感器由傳感單元、信號檢測單元、數(shù)據(jù)采集單元、實時顯示單元和數(shù)據(jù)傳輸單元構(gòu)成,主要包括激勵源電路、磁感應(yīng)探頭、模擬信號處理電路、單片機數(shù)據(jù)處理電路以及數(shù)碼管顯示電路?；竟ぷ鬟^程為:磁敏感元件非晶絲感應(yīng)與其軸向重合的外加磁場變化,經(jīng)過激勵電流的作用產(chǎn)生交變信號,模擬信號處理電路將其變換成對應(yīng)于磁場變化的電壓信號。單片機控制數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行計算,輸出磁場強度送數(shù)碼管顯示。進(jìn)行計算輸出磁場強度送數(shù)碼管顯示 GMI傳感器電路設(shè)計 其中x為傳感器輸出電壓值,單位為V,y為轉(zhuǎn)換后的磁場強度,單位為mT。將此多項式輸入單片機

13、做實時電壓與磁場轉(zhuǎn)換,即可實時顯示出磁場值。經(jīng)測算,傳感器輸出靈敏度達(dá)5.76mV/T,不需要霍爾傳感器的預(yù)熱時間,適用于弱磁場的檢測。GMI傳感器芯片設(shè)計 GMI傳感器芯片設(shè)計 GMI傳感器芯片設(shè)計 GMI傳感器芯片設(shè)計 GMI傳感器芯片設(shè)計 GMI傳感器芯片設(shè)計 GMI傳感器芯片設(shè)計 GMI傳感器芯片設(shè)計 Hi h D i R GMI C t S GMI 傳感器檢測電流 A High Dynamic Range Current Sensor GMI傳感器檢測電流 A High Dynamic Range GMI Current Sensor High Dynamic Range GMI C

14、urrent Sensor GMI 傳感器檢測電流 A A High Dynamic Range GMI Current SensorGMI 傳感器檢測電流g y g . Block diagram of the closed loop. High Dynamic Range GMI Current SensorGMI 傳感器檢測電流A Sensor output versus measured current in closedloop for two values of the feedback resistor.SAW GMI sensors SAW-GMI sensors FIGURE

15、 7.aLayout of the commercialized GMI sensor from Aichi Steel Co. (b Noise output sensor of the GMI sensor.bFig. 7showsa GMI sensor developed by Aichi Steel Co., which has a very high sensitivity of 1V/T and a noise level of 1 nT51.GMI傳感器選型說明（模擬電壓輸出） XM-1DH型GMI傳感器主要檢測弱磁場變化，可檢測出1nT的 磁場噪聲變化，該傳感器包含一個高靈敏

16、度磁敏單元以及 與之搭配的信號處理單元。傳感器通過將截斷頻率限制在 較低的0.1Hz，消除了靜態(tài)磁場（地磁場），只感應(yīng)移動 的鐵質(zhì)物質(zhì) 且響應(yīng)非常靈敏 能夠感應(yīng)出約10米遠(yuǎn)處的 的鐵質(zhì)物質(zhì)，且響應(yīng)非常靈敏，能夠感應(yīng)出約10米遠(yuǎn)處的 鐵質(zhì)物體，由于該產(chǎn)品的高靈敏性，其可以檢測到直徑小 到0.1mm的鐵性物質(zhì)，故該產(chǎn)品可以應(yīng)用于安檢、磁定位 測量、組建空間磁場測量陣列等 Parameters Technical Data Measuring range Sensitivity Frequency Response Non-linearity Noise Supply Voltage Operati

17、ng temperature dimensions 測磁范圍 靈敏度 響應(yīng)頻率 非線性度 噪聲 電源電壓 工作溫度 模塊尺寸 4.0 uT pp (at ± 40 uT DC field 1V/uT 0.1Hz to 1kHz -3dB 2%FS 200pT/Hz (0 (0.1Hz 1Hz to 1kHz 典型5V 可靠范圍-0.36V -2060 11×35×4.6mm 4 6mm 日本Aichi 的GMI傳感器 我司代理日本Aichi 的GMI傳感器， 傳感器 目前是日本Aichi在中國的總代理 并同時與臺灣/西班牙等地機構(gòu)合作研發(fā)GMI傳感器 日

18、本愛知GMI傳感器選型 MICB1DH 高靈敏、有現(xiàn)貨 高靈敏 有現(xiàn)貨 nT納特級傳感器，可檢測出地磁的1/50000(nT）的磁場變化。 測量范圍:  ±2uT 頻帶 : 0 0.1 11kHz 噪音: ±3nT  0.1  1000Hz (10pT/Hz  10Hz MICB1DS 測交流高靈敏 測量范圍為±8uT 頻響 0.3Hz5Hz 噪音為±15nTpp  0.35Hz 反饋功能抵消地磁等定磁場 尺寸為31mm×10mm 4200元/套 無現(xiàn)貨，且愛知告知，以后不打算再生產(chǎn)此型號。 MICB1DL 寬范圍，高線性 寬范圍 高線性 線性度高(0.4%F