CN102147989A - 非晶丝巨磁阻抗实验仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种非晶丝巨磁阻抗实验仪，由非晶丝巨磁阻抗实验仪主机和外部可控磁场线圈、巨磁阻抗传感器实验平台组成，非晶丝巨磁阻抗实验仪主机上设置有五位数显频率表、四位数显的电流表和四位数显的电压表、功能选择开关、电流显示切换按键、电压显示切换按键、8个数控按键和两个信号输出端口，非晶丝巨磁阻抗实验仪主机内设置有大电流恒流源和高精信号发生器及单片机控制和放大电路。实验仪通过对非晶丝的巨磁阻抗的测量，使学生能更好的理解和掌握材料的GMI效应的规律和特点，深入理解磁畴、磁化、趋肤效应、阻抗等物理意义。本实验仪结构合理，操作方便，教学效果好，适合于大专院校的电磁学、物理学、电子学等课程的教学实验。
Description
技术领域
本发明涉及一种非晶丝巨磁阻抗实验仪，属于大专院校的电磁学、物理等相关课程的实验领域。
背景技术
巨磁阻抗(Giant Magneto-impedance，简称GMI)效应，是20世纪90年代发现的新现象，是指材料的交流阻抗随外加直流磁场的改变而发生剧烈变化的特性。巨磁阻抗一般定义为(ZH-Z0)/Z0，其中Z0和ZH分别表示无外磁场和外加磁场下软磁材料的交流阻抗，其比值的大小表示材料对磁场变化的敏感程度。
1992年，日本名古屋大学的Mohri教授等人首先在FeCoSiB非晶软磁丝中观察到在磁场下材料的ΔZ/Z0高达50％以上，灵敏度比金属多层膜Fe/Cr或Co/Ag中的巨磁电阻(Giant Magnetic Resistance，简称GMR)高一个数量级，这一现象引起了广泛的关注。
巨磁阻抗效应具有快速响应，温度稳定，无磁滞现象等特点，利用该效应制作的磁传感器，不但继承了传统磁传感器的优点，而且由于GMI磁阻抗变化率高，使它能探测微弱磁场，可广泛应用于交通运输、生物医疗、自动控制、安全生产等各行业，有着广阔的应用前景。
现有巨磁阻抗的研究，大多集中于科研单位的实验室或是研究生阶段的学生进行研究，对巨磁阻抗现象的实验研究，得动用恒流源、信号发生器等多种实验器材，并进行复杂的组合，不方便于普通学生对巨磁阻抗效应的掌握。
发明内容
针对现有的实验仪器的不足，本发明则实现了一种将大电流恒流源、磁场线圈和高精度信号发生器、非晶丝巨磁阻抗传感材料结合起来，并通过单片机进行精确控制的非晶丝巨磁阻抗实验仪，满足了高精度的实验教学要求。同时通过对巨磁阻抗输出随频率和磁感应强度变化等的多种关系的测量，使学生能了解与掌握巨磁阻抗效应的原理与应用。实验仪能满足大专院校的电磁学和物理等相关课程的教学实验要求。
本实验仪由非晶丝巨磁阻抗实验仪主机和外部可控磁场线圈、巨磁阻抗传感器实验平 台组成，非晶丝巨磁阻抗实验仪主机上设置有五位数显频率表、四位数显的电流表和四位数显的电压表、功能选择开关、电流显示切换按键、电压显示切换按键、8个数控按键和两个信号输出端口，非晶丝巨磁阻抗实验仪主机内设置有大电流恒流源和高精信号发生器及单片机控制电路。
本发明采用了美国ATI公司的AD9850芯片，它采用了新型直接数字频率(DDS)合成技术。与早期的直接式频率合成技术和锁相环频率合成技术相比较，其产生的信号具有波形稳定好、频率分辨率高、频率切换速度快等特点，并能实现编程控制。
本实验仪在工作频率为125MHz的情况下，通过频率控制，可输出频率分辨率为0.1Hz的波形，且输出频率范围是1Hz～40MHz。AD9850有40位控制字，32位用于频率控制，5位用于相位控制，1位用于电源休眠控制，2位用于选择工作方式。
本发明采用单片机AT89C52作为控制核心来实现对AD9850的控制，具有编程简便、接口简单、小型化的特点。同时以单片机为控制核心，控制由运算放大器和复合型大功率晶体管构成的低成本恒流源系统，实验仪中的恒流源在20～2000mA输出电流时，输出电流误差小于1mA，控制精度较高。单片机经过运算形成相应的数字输出量，再经D/A转换器输出相应的控制信号，实现对频率输出和恒流源电流输出的精确调节。数控方式是采用键盘输入方式，以不同的步进值去设置所需的频率值或电流值，并由LED数码方式显示出来。
恒流源的驱动电路采用运放LF353，LF353是一种带内部微调输入偏差电压技术(BI-FET II technology)的高速运放；它输入阻抗高，并具有极高的转换率，功耗低。同时为达到大电流输出，在恒流源输出端增加了由Q1、Q组成的大功率的NPN型达林顿复合管电路。
本设计采用独立式键盘，即单片机的I/O口直接与按键相连。8个按键的设置为：两个菜单选择键MENU，两个选择键SEL，向上变化键ADD，向下变化键INC，数值增加键UP和数值减小键DOWN。通过按键可对所需的频率信号和电流大小进行控制和调节。
本实验仪在采用的非晶丝GMI磁传感器的敏感材料时，可采用典型的钴基非晶丝薄带，同时也可采用铁基非晶丝、纳米非晶丝和薄带等。采用非晶丝材料作为磁场传感器的敏感材料，与传统的晶态磁性材料相比，具有优异的电磁性能，具有体积小、性能指标高的特点。
附图说明
图1是非晶丝巨磁阻抗实验仪，图1中1是磁场线圈，2是巨磁阻抗传感器实验平台， 3是非晶丝材料，4是五位数显频率表，5是电流切换按键，6是电压切换按键，7是八个数控按键，8是四位数显电流表，9是功能选择开关，10是四位数显电压表，11是非晶丝信号的输出端口，12是取样电阻信号的输出端口。
图2是单片机信号控制电路图。
图3是恒流源电路图
图4是非晶丝信号放大电路图
具体实施方式
在巨磁阻抗实验中，磁导率实际上是频率的函数，当频率升高时，趋肤效应增强，这有利于磁阻抗效应，但另一方面，频率升高会使有效磁导率下降，这使有效磁导率受外磁场的影响减小，这又不利于磁阻抗效应。这导致在不同频率下出现各种不同的GMI效应，即阻抗在各种不同频率下随外磁场增大而改变的形式有所不同。
在实验中，磁阻抗比为： 
其中UG(H)和UG(0)分别表示在外加磁场为H时和为零时非晶丝两端的电压测量值，UR(H)和UR(0)分别为取样电阻R两端在外加磁场为H时和为零时的电压测量值。
在实验中，可通过连续改变频率，测量记录非晶丝材料与取样电阻的两端电压，研究UG与f的函数关系及UR与f的函数关系，并画出UG-f和UR-f图像，并可计算出不同频率下阻抗Z的大小，画出Z-f曲线。并分别在外磁场为零与外磁场较大情况下测量。频率的变化范围为1MHz到40MHz。
同样，可进一步研究在不同的频率下的变化规律，选取几个固定频率，通过改变磁场线圈中的电流，得到连续变化的磁场强度，测量记录非晶丝材料与取样电阻两端电压，根据GMI的定义计算，并画出发不同频率下的GMI-B函数关系图像。
实验仪上设置有非晶丝信号的输出端口和取样电阻信号的输出端口，通过两个信号输出端口，将信号输给示波器，能得到更好和更直观的实验结果。
在实验中应注意非晶丝材料应轻拿轻放，在测量和换取时应避免弯折、拉伸等机械形变。
Claims (6)
1.一种非晶丝巨磁阻抗实验仪，其特征是：由非晶丝巨磁阻抗实验仪主机和外部可控磁场线圈（1）、巨磁阻抗传感器实验平台（2）组成，非晶丝巨磁阻抗实验仪主机上设置有五位数显频率表（4）、四位数显的电流表（8）和四位数显的电压表（10）、功能选择开关（9）、电流显示切换按键（5）、电压显示切换按键（6）、8个数控按键（7）和两个信号输出端口（11、12），非晶丝巨磁阻抗实验仪主机内设置有大电流恒流源和高精信号发生器及单片机控制电路。
2.根据权利要求1所述的非晶丝巨磁阻抗实验仪，其特征是：非晶丝材料（3）置于巨磁阻抗传感器实验平台（2）上，处于磁场线圈轴线上。
3.根据权利要求1所述的非晶丝巨磁阻抗实验仪，其特征是：具有两个磁场线圈，置于实验仪主机上部，磁场线圈为空心结构，通入线圈的电流由实验仪主机内单片机所控制的大电流恒流源提供。
4.根据权利要求1所述的非晶丝巨磁阻抗实验仪，其特征是：非晶丝巨磁阻抗实验仪主机内所采用的单片机型号为AT89C52。
5.根据权利要求1所述的非晶丝巨磁阻抗实验仪，其特征是：非晶丝巨磁阻抗实验仪主机内所采用的直接数字频率合成芯片为AD9850。
6.根据权利要求1所述的非晶丝巨磁阻抗实验仪，其特征是：非晶丝巨磁阻抗实验仪主机内所采用的恒流源运放芯片为LF353，并在输出端具有大功率NPN型达林顿复合管电路。
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20110810 |