1、GMR模拟传感器结构图 对于电桥结构,如果4个GMR电阻对磁场的影响完全同步,就不会有信号输出。图17-9中,将处在电桥对角位置的两个电阻R3, R4覆盖一层高导磁率的材料如坡莫合金,以屏蔽外磁场对它们的影响,而R1,R2阻值随外磁场改变。设无外磁场时4个GMR电阻的阻值均为R, R1、R2在外磁场作用下电阻减小R,简单分析表明,输出电压: U=U (2R-R) (2) 屏蔽层同时设计为磁通聚集器,它的高导磁率将磁力线聚集在R1、R2电阻所在的空间,进一步提高了R1,R2的磁灵敏度。 从几何结构还可见,巨磁电阻被光刻成微米宽度迂回状的电阻条,以增大其电阻至k数量级,使其在较小工作电流下得到合适
2、的电压输出。GMR模拟传感器的磁电转换特性模拟传感器磁电转换特性实验原理图将GMR模拟传感器置于螺线管磁场中,功能切换按钮切换为“传感器测量”。实验仪的4V电压源接至基本特性组件“巨磁电阻供电”,恒流源接至“螺线管电流输入”,基本特性组件“模拟信号输出”接至实验仪电压表。按表1数据,调节励磁电流,逐渐减小磁场强度,记录相应的输出电压于表格“减小磁场”列中。由于恒流源本身不能提供负向电流,当电流减至0后,交换恒流输出接线的极性,使电流反向。再次增大电流i,此时流经螺线管的电流与磁感应强度的方向为负,从上到下记录相应的输出电压。电流至-100mA后,逐渐减小负向电流,电流到0时同样需要交换恒流输出
3、的极性。从下到上记录数据于表一“增大磁场”列中。 理论上讲,外磁场为零时,GMR传感器的输出应为零,但由于半导体工艺的限制,4个桥臂电阻值不一定完全相同,导致外磁场为零时输出不一定为零,在有的传感器中可以观察到这一现象。根据螺线管上表明的线圈密度,由公式(1)计算出螺线管内的磁感应强度B。以磁感应强度B作横坐标,电压表的读数为纵坐标作出磁电转换特性曲线。不同外磁场强度时输出电压的变化反映了GMR传感器的磁电转换特性,同一外磁场强度下输出电压的差值反映了材料的磁滞特性。表1 GMR模拟传感器磁电转换特性的测量(电桥电压4V)磁感应强度/高斯输出电压/mV励磁电流/mA减小磁场增大磁场100231
4、2339080230232702296022322250202195.040167.2154.630129.8114.7209275.71056.743.2540.415.324.319.3511.236.91039.452.82073.488.130110.5125.940150.416450189.620060220224708090100234二、GMR磁阻特性测量磁阻特性测量原理图为加深对巨磁电阻效应的理解,我们对构成GMR模拟传感器的磁阻进行测量。将基本特性组件的功能切换按钮切换为“巨磁阻测量”,此时被磁屏蔽的两个电桥电阻R3、R4被短路,而R1、R2并联。将电流表串连进电路中,测量
5、不同磁场时回路中电流的大小,就可以计算磁阻。实验装置:巨磁阻实验仪,基本特性组件。 将GMR模拟传感器置于螺线管磁场中,功能切换按钮切换为“巨磁阻测量”。实验仪的4伏电压源串连电流表后,接至基本特性组件“巨磁电阻供电”,恒流源接至“螺线管电流输入”。按表2数据,调节励磁电流,逐渐减小磁场强度,记录相应的磁阻电流于表格“减小磁场”列中。由于恒源流本身不能提供负向电流,当电流减至0后,交换恒流输出接线的极性,使电流反向。再次增大电流,此时流经螺线管的电流与磁感应强度的方向为负,从上到下记录相应的输出电压。 电流至一100mA后,逐渐减小负向电流,电流到0时同样需要交换恒流输出接线的极性。从下到上记
6、录数据于“增大磁场”列中。由欧姆定律R=U/I 计算磁阻。以磁感应强度B作横坐标,磁阻为纵坐标做出磁阻特性曲线。应该注意,由于模拟传感器的两个磁阻是位于磁通聚集器中,与图3相比,我们作出的磁阻曲线斜率大了约10倍,磁通聚集器结构使磁阻灵敏度大大提高。 不同外磁场强度时磁阻的变化反映了GMR的磁阻特性,同一外磁场强度的差值反映了材料的磁滞特性。表2 GMR磁阻特性的测量(磁阻两端电压4V)磁阻/磁阻电流/mA1.9121.9101.9111.9091.9001.9081.8921.8911.8761.8521.8311.8071.7861.7631.7481.7251.7131.7091.696
7、1.6921.6761.6781.6991.7041.7161.7381.7521.7761.7931.8181.8381.8641.8821.8961.9051.906三、GMR开关(数字)传感器的磁电转换特性曲线测量将GMR模拟传感器与比较电路,晶体管放大电路集成在一起,就构成GMR开关(数字)传感器,结构如图14所示。比较电路的功能是,当电桥电压低于比较电压时,输出低电平。当电桥电压高于比较电压时,输出高电平。选 择适当的GMR电桥并结合调节比较电压,可调节开关传感器开关点对应的磁场强度。图15是某种GMR开关传感器的磁电转换特性曲线。当磁场强度的绝对值从低增加到12高斯时,开关打开(输
8、出高电平),当磁场强度的绝对值从高减小到10高斯时,开关关闭(输出低电平)。实验仪的4伏电压源接至基本特性组件“巨磁电阻供电”,“电路供电”接口接至基本特性组件对应的“电路供电”输入插孔,恒流源接至“螺线管电流输入”,基本特性组件“开关信号输出”接至实验仪电压表。从50mA逐渐减小励磁电流,输出电压从高电平(开)转变为低电平(关)时记录相应的励磁电流于表3“减小磁场”列中。当电流减至0后,交换恒流输出接线的极性,使电流反向。再次增大电流,此时流经螺线管的电流与磁感应强度的方向为负,输出电压从低电平(关)转变为高电平(开)时记录相应的负值励磁电流于表3“减小磁场”列中。将电流调至50mA。逐渐减
9、小负向电流,输出电压从高电平(开)转变为低电平(关)时记录相应的负值励磁电流于表3“增大磁场”列中,电流到0时同样需要交换恒流输出接线的极性。输出电压从低电平(关)转变为高电平(开)时记录相应的正值励磁电流于表3“增大磁场”列中。表3 GMR开关传感器的磁电转换特性测量 高电平 V 低电平 V开关动作关开根据螺线管上标明的线圈密度,由公式(1)计算出螺线管内的磁感应强度B。以磁感应强度B作横座标,电压读数为纵座标作出开关传感器的磁电转换特性曲线。利用GMR开关传感器的开关特性已制成各种接近开关,当磁性物体(可在非磁性物体上贴上磁条)接近传感器时就会输出开关信号。广泛应用在工业生产及汽车,家电等
10、日常生活用品中,控制精度高,恶劣环境(如高低温,振动等)下仍能正常工作。由于仪器故障原因,此步骤无法进行。四、用GMR模拟传感器测量电流GMR模拟传感器在一定的范围内输出电压与磁场强度成线性关系,且灵敏度高,线性范围大,可以方便的将GMR制成磁场计,测量磁场强度或其它与磁场相关的物理量。作为应用示例,我们用它来测量电流。由理论分析可知,通有电流I的无限长直导线,与导线距离为r的一点的磁感应强度为:B = 0I/2r =2 I10-7/r (3)磁场强度与电流成正比,在r已知的条件下,测得B,就可知I。在实际应用中,为了使GMR模拟传感器工作在线性区,提高测量精度,还常常预先给传感器施加一固定已
11、知磁场,称为磁偏置,其原理类似于电子电路中的直流偏置。 模拟传感器测量电流实验原理图巨磁阻实验仪,电流测量组件实验仪的4伏电压源接至电流测量组件“巨磁电阻供电”,恒流源接至“待测电流输入”,电流测量组件“信号输出”接至实验仪电压表。将待测电流调节至0。将偏置磁铁转到远离GMR传感器,调节磁铁与传感器的距离,使输出约25mV。将电流增大到300mA,按表4数据逐渐减小待测电流,从左到右记录相应的输出电压于表格“减小电流”行中。再次增大电流,此时电流方向为负,记录相应的输出电压。逐渐减小负向待测电流,从右到左记录相应的输出电压于表格“增加电流”行中。再次增大电流,此时电流方向为正,记录相应的输出电
12、压。将偏置磁铁转到接近GMR传感器,调节磁铁与传感器的距离,使输出约150mV。用低磁偏置时同样的实验方法,测量适当磁偏置时待测电流与输出电压的关系。表4 用GMR模拟传感器测量电流 待测电流/mA300200300低磁偏置(约25mV)减小电流26.726.225.625.024.523.923.3增加电流24.4适当磁偏置(约130.1mV)132.7131.9131.1130.3129.5128.6127.7132.8130.1129.4以电流读数作横坐标,电压表的读数为纵坐标作图。分别作出4条曲线。由测量数据及所作图形可以看出,适当磁偏置时线性较好,斜率(灵敏度)较高。由于待测电流产生
13、的磁场远小于偏置磁场,磁滞对测量的影响也较小,根据输出电压的大小就可确定待测电流的大小。用GMR传感器测量电流不用将测量仪器接入电路,不会对电路工作产生干扰,既可测量直流,也可测量交流,具有广阔的应用前景。五、GMR梯度传感器的特性及应用将GMR电桥两对对角电阻分别置于集成电路两端,4个电阻都不加磁屏蔽,即构成梯度传感器,如图17所示。 这种传感器若置于均匀磁场中,由于4个桥臂电阻阻值变化相同,电桥输出为零。如果磁场存在一定的梯度,各GMR电阻感受到的磁场不同,磁阻变化不一样,就会有信号输出。图18以检测齿轮的角位移为例,说明其应用原理。将永磁体放置于传感器上方,若齿轮是铁磁材料,永磁体产生的
14、空间磁场在相对于齿牙不同位置时,产生不同的梯度磁场。a位置时,输出为零。b位置时,R1、R2 感受到的磁场强度大于R3、R4,输出正电压。c位置时,输出回归零。d位置时,R1、R2 感受到的磁场强度小于R3、R4,输出负电压。于是,在齿轮转动过程中,每转过一个齿牙便产生一个完整的波形输出。这一原理已普遍应用于转速(速度)与位移监控,在汽车及其它工业领域得到广泛应用。巨磁阻实验仪、角位移测量组件。将实验仪4V电压源接角位移测量组件“巨磁电阻供电”,角位移测量组件“信号输出”接实验仪电压表。逆时针慢慢转动齿轮,当输出电压为零时记录起始角度,以后每转3度记录一次角度与电压表的读数。转动48度齿轮转过
15、2齿,输出电压变化2个周期。表4 齿轮角位移的测量起始角度/度3691215182124转动角度/度18.331.431.319.94.7-9.8-15.1-2.0273336394245481732.231.520.24.4-15.4-2.2以齿轮实际转过的度数为横坐标,电压表的读数为纵向坐标作图。六、磁记录与读出磁记录是当今数码产品记录与储存信息的最主要方式,由于巨磁阻的出现,存储密度有了成百上千倍的提高。在当今的磁记录领域,为了提高记录密度,读写磁头是分离的。写磁头是绕线的磁芯,线圈中通过电流时产生磁场,在磁性记录材料上记录信息。巨磁阻读磁头利用磁记录材料上不同磁场时电阻的变化读出信息。
16、磁读写组件用磁卡做记录介质,磁卡通过写磁头时可写入数据,通过读磁头时将写入的数据读出来。同学可自行设计一个二进制码,按二进制码写入数据,然后将读出的结果记录下来。巨磁阻实验仪,磁读写组件,磁卡。实验仪的4伏电压源接磁读写组件“巨磁电阻供电”, “电路供电”接口接至基本特性组件对应的“电路供电”输入插孔,磁读写组件“读出数据”接至实验仪电压表。将需要写入与读出的二进制数据记入表6第2行。将磁卡插入,“功能选择”按键切换为“写”状态。缓慢移动磁卡,根据磁卡上的刻度区域切换“写0”“写1”;将“功能选择”按键切换为“读”状态,移动磁卡至读磁头处,根据刻度区域在电压表上读出电压,记录于表6第4行。表6
17、 二进制数字的写入与读出十进制数字85二进制数字1磁卡区域号2478读出电平3.1mV1.983V此实验演示了磁记录与磁读出的原理与过程。【实验数据处理】1.GMR模拟传感器的磁电转换特性测量 30.1592894727.1433605324.1274315821.1115026318.0955736815.0796447412.063715799.0477868426.0318578953.0159289471.507964474-1.507964474-3.015928947-6.031857895-9.047786842-12.06371579-15.07964474-18.095573
18、68-21.11150263-24.12743158-27.14336053-30.15928947以B为横坐标,输出电压U为纵坐标,作图得:磁感应强度B与输出电压U之间的关系曲线. GMR的磁阻特性曲线的测量1.9912009.041.9722028.391.9902010.051.9892011.061.9712029.421.9882012.071.9692031.481.9822018.161.9632037.691.9612039.771.9362066.111.9262076.841.8982107.481.8882118.641.8602150.532159.821.8242192.982200.222230.891.8022219.751.7672263.721.7872238.381.7812245.921.7742254.791.7972225.931.8002222.221.8122207.50 1.8322183.401.8462166.841.8682141.322125.391.9072097.531.9202083.331.9462055.491.9552046.031.9762024.291.9792021.221.9862014.091.987
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