CN107831457B - 一种非晶丝阻抗张量自动测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种非晶丝阻抗张量的测量装置，包括控制计算机和测量控制软件、程控电流源、程控信号发生器、非晶丝、二轴亥姆霍兹线圈、螺线管线圈以及信号处理电路板。控制计算机通过测量控制软件对程控信号发生器、程控电流源参数以及信号处理电路板进行程序控制，实现不同参数条件下非晶丝阻抗张量的自动化测量，并绘出阻抗张量特性曲线。各个阻抗测量的激励信号和测量信号通过信号切换矩阵将各个信号切换到相应的激励端口和测量端口，实现了在一个测量装置上测量阻抗张量全部分量的功能。本发明用于非晶丝磁介质的各向异性的研究，可为精确建立非晶丝磁场传感模型提供技术手段。
Description
技术领域
本发明属于阻抗测量技术领域，具体涉及一种是针对各向异性磁介质的阻抗张量测量装置。
背景技术
非晶丝因其独特的磁畴结构和磁效应，例如双稳态效应、马特基效应和巨磁阻抗效应等，而具有广泛的应用领域。传统的巨磁阻抗测量主要采用对角方法，方法是对非晶丝施加激励电流，测量非晶丝两端电压，通过电压与电流之比获得阻抗，这种模型假定被测量磁场为均匀轴向磁场，因此其应用局限于轴向磁场的测量，现行物理模型下对于非轴向磁场的处理，只能采用经验公式进行补偿。
非晶丝是磁各向异性介质，不同方向的外部磁场必然影响各个方向的磁介质参数改变，进而引起阻抗张量的变化，因此需要一种对各向异性介质阻抗测量的装置，为建立磁介质物理模型提供测试数据，同时为提高传感器的测量精度提供实测数据依据。
根据阻抗张量的定义，可以看到传统的非晶丝巨磁阻抗只是阻抗张量中的轴向-轴向阻抗分量，因此阻抗张量是对巨磁阻抗概念的扩展，是对非晶丝空间分布阻抗的描述，对阻抗张量的测量，可以更精确地建立各向异性特性模型。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种非晶丝阻抗张量的测量装置。
本发明具体通过如下技术方案实现：
一种非晶丝阻抗张量的测量装置，所述装置包括控制计算机(1)和测量控制软件、程控电流源(2)、程控信号发生器(3)、非晶丝(4)、二轴亥姆霍兹线圈(5)、螺线管线圈(6)以及信号处理电路板(7)；信号处理电路板(7)包括信号切换矩阵、相位/幅度检测器、信号调理电路、模数转换器以及微处理器；程控信号发生器(3)、程控电流源(2)以及信号处理电路板(7)通过UART电缆与控制计算机(1)相连，控制计算机(1)通过测量控制软件对程控信号发生器(3)、程控电流源(2)参数以及信号处理电路板(7)进行程序控制，实现不同参数条件下非晶丝阻抗张量的自动化测量，并绘出阻抗张量特性曲线；螺线管线圈(6)穿过非晶丝(4)，两者轴心重合；二轴亥姆霍兹线圈(5)包括相互正交的轴向线圈和环向线圈，螺线管线圈(6)和非晶丝(4)位于二轴亥姆霍兹线圈(5)中。
进一步地，所述非晶丝(4)是负向磁致伸缩系数接近于零的Co基非晶丝，其直径为5-100微米。
进一步地，所述二轴亥姆霍兹线圈(5)用于产生均匀的、互相垂直的磁场。
进一步地，非晶丝阻抗张量是由4个复阻抗分量构成的复数矩阵，各个分量采用圆柱坐标表示，分为轴向-轴向、轴向-环向、环向-轴向以及环向-环向4个阻抗分量。
进一步地，流过非晶丝的电流定义为轴向电流，非晶丝两端的电压定义为轴向电压；在轴向-环向阻抗测量和环向-轴向阻抗测量时，驱动螺线管线圈的电流定义为环向电流，螺线管线圈两端电压定义为环向电压；在环向-环向阻抗测量时，螺线管线圈两端电压定义为环向电压，驱动亥姆霍兹线圈的电流定义为环向电流。
进一步地，每个阻抗分量使用对应坐标轴方向的电压与电流之比进行表示，轴向-轴向阻抗定义为非晶丝两端电压与流过非晶丝的电流之比，轴向-环向阻抗定义为非晶丝两端电压与穿过非晶丝的螺线管线圈流过电流之比、环向-轴向阻抗定义为穿过非晶丝的螺线管线圈两端电压与流过非晶丝的电流之比、环向-环向阻抗定义为穿过非晶丝的螺线管线圈两端电压与流过亥姆霍兹线圈电流之比。
进一步地，各个驱动电流采用程控电流源驱动，通过读取电流示值实现电流测量，各个输出电压通过模数转换器实现电压测量。
进一步地，通过调整每组亥姆霍兹线圈激励电流的相对大小，根据矢量合成原理，产生任意大小、任意角度的非轴向的均匀磁场，通过改变磁场与非晶丝轴向的夹角，用于测量在不同角度下的阻抗张量。
进一步地，各个阻抗测量的激励信号和测量信号通过信号切换矩阵将各个信号切换到相应的激励端口和测量端口，实现在一个测量装置上测量阻抗张量全部分量的功能。
本发明的有益效果是：提出一种非晶丝阻抗张量的测量装置设计，可以测量给定非晶丝的阻抗张量，描述非轴向被测量磁场的空间特性。利用发明给出的测量装置，可以实现各向异性性能的定量测量，可用于基于非晶丝的磁场测量传感器的数学建模，尤其是对非轴向磁场作用下，非晶丝磁化特性的定量测量，有利于高精度、小体积的磁场传感器设计。本发明与现有的非晶丝阻抗测量测量装置相比，具有测量参量采集自动切换，不同对象驱动的自动切换，具有全自动测量功能，极大地提高了非晶丝阻抗的测量效率。
附图说明
图1是本发明的装置原理框图；
图2是本发明的信号处理电路板原理图；
图3(a)是轴向-轴向阻抗分量测量原理图；
图3(b)是轴向-环向阻抗分量测量原理图；
图3(c)是环向-轴向阻抗分量测量原理图；
图3(d)是环向-环向阻抗分量测量原理图；
图4是本发明的非轴向磁场产生原理图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
本发明提出了一种非晶丝阻抗张量的测量装置，该装置可用于非晶丝磁介质的各向异性的研究，可为精确建立非晶丝磁场传感模型提供技术手段。
如图1所示，本发明的测量装置包括控制计算机(1)和测量控制软件、程控电流源(2)、程控信号发生器(3)、非晶丝(4)、二轴亥姆霍兹线圈(5)、螺线管线圈(6)以及信号处理电路板(7)。其中，程控信号发生器(3)、程控电流源(2)以及信号处理电路板(7)等程控设备通过UART电缆与控制计算机(1)相连，控制计算机(1)通过测量控制软件对程控信号发生器(3)、程控电流源(2)参数以及信号处理电路板(7)进行程序控制。螺线管线圈(6)穿过非晶丝(4)，两者轴心重合。二轴亥姆霍兹线圈(5)包括相互正交的轴向线圈和环向线圈，螺线管线圈(6)和非晶丝(4)位于二轴亥姆霍兹线圈(5)中。信号处理电路板(7)包括信号切换矩阵、相位/幅度检测器、信号调理电路、模数转换器以及微处理器，如图2所示。
使用程控电流源驱动非晶丝、螺线管线圈或亥姆霍兹线圈作为激励信号，通过读取电流示值实现电流测量，非晶丝或螺线管线圈响应电压通过模数转换器实现电压测量。优选地，包括两个程控电流源，第一程控电流源用于为二轴亥姆霍兹线圈(5)提供电流，第二程控电流源用于通过信号处理电路板(7)为螺线管线圈或亥姆霍兹线圈提供电流。
本发明的测量装置采用的磁性传感材料是负向磁致伸缩系数接近于零的Co基非晶丝，其直径为5-100微米。非晶丝具有巨磁阻抗效应，测量其阻抗变化可以测量穿过非晶丝的轴向磁场和非轴向磁场。
非晶丝阻抗张量是由4个复阻抗分量构成的复数矩阵，各个分量采用圆柱坐标表示，分为轴向-轴向、轴向-环向、环向-轴向以及环向-环向4个阻抗分量。
每个阻抗分量的测量使用对应坐标轴方向的电压与电流之比进行测量。流过非晶丝的电流定义为轴向电流，非晶丝两端的电压定义为轴向电压。在轴向-环向和环向-轴向阻抗测量时，驱动螺线管线圈的电流定义为环向电流，螺线管线圈两端电压定义为环向电压。在环向-环向阻抗测量时，环向电流定义为驱动亥姆霍兹线圈的电流。
轴向-轴向阻抗定义为非晶丝两端电压与流过非晶丝的电流之比，轴向-环向阻抗定义为非晶丝两端电压与穿过非晶丝的螺线管线圈流过电流之比、环向-轴向阻抗定义为穿过非晶丝的螺线管线圈两端电压与流过非晶丝的电流之比、环向-环向阻抗定义为穿过非晶丝的螺线管线圈两端电压与流过亥姆霍兹线圈电流之比。轴向-轴向阻抗分量测量原理如图3(a)所示、轴向-环向阻抗分量测量原理如图3(b)所示、环向-轴向阻抗分量测量原理如图3(c)所示、环向-环向阻抗分量测量原理如图3(d)所示。其中，vω表示轴向电压，vc表示环向电压，iω表示轴向电流，ic表示环向电流，
表示轴向-轴向阻抗分量，
表示轴向-环向阻抗分量，
表示环向-轴向阻抗分量，
表示环向-环向阻抗分量。
互相正交的二轴亥姆霍兹线圈产生均匀的、互相垂直的磁场，如图4所示。通过调整每组亥姆霍兹线圈激励电流的相对大小，根据矢量合成原理，可以产生任意大小、任意角度的非轴向的均匀磁场，通过改变磁场与非晶丝轴向的夹角，可以测量在不同角度下的阻抗张量。各个阻抗测量的激励信号和测量信号通过信号切换矩阵将各个信号切换到相应的激励端口和测量端口，可以实现在一个测量装置上测量阻抗张量全部分量的功能。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种非晶丝阻抗张量的测量装置，其特征在于：所述装置包括控制计算机(1)和测量控制软件、程控电流源(2)、程控信号发生器(3)、非晶丝(4)、二轴亥姆霍兹线圈(5)、螺线管线圈(6)以及信号处理电路板(7)；信号处理电路板(7)包括信号切换矩阵、相位/幅度检测器、信号调理电路、模数转换器以及微处理器；程控信号发生器(3)、程控电流源(2)以及信号处理电路板(7)通过UART电缆与控制计算机(1)相连，控制计算机(1)通过测量控制软件对程控信号发生器(3)、程控电流源(2)参数以及信号电路板(7)进行程序控制，实现不同参数条件下非晶丝阻抗张量的自动化测量，并绘出阻抗张量特性曲线；螺线管线圈(6)穿过非晶丝(4)，两者轴心重合；二轴亥姆霍兹线圈(5)包括相互正交的轴向线圈和环向线圈，螺线管线圈(6)和非晶丝(4)位于二轴亥姆霍兹线圈(5)中；其中，非晶丝阻抗张量是由4个复阻抗分量构成的复数矩阵，各个分量采用圆柱坐标表示，分为轴向-轴向、轴向-环向、环向-轴向以及环向-环向4个阻抗分量。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述非晶丝(4)是负向磁致伸缩系数接近于零的Co基非晶丝，其直径为5-100微米。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述二轴亥姆霍兹线圈(5)用于产生均匀的、互相垂直的磁场。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：流过非晶丝的电流定义为轴向电流，非晶丝两端的电压定义为轴向电压；在轴向-环向阻抗测量和环向-轴向阻抗测量时，驱动螺线管线圈的电流定义为环向电流，螺线管线圈两端电压定义为环向电压；在环向-环向阻抗测量时，螺线管线圈两端电压定义为环向电压，驱动亥姆霍兹线圈的电流定义为环向电流。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：每个阻抗分量使用对应坐标轴方向的电压与电流之比进行表示，轴向-轴向阻抗定义为非晶丝两端电压与流过非晶丝的电流之比，轴向-环向阻抗定义为非晶丝两端电压与穿过非晶丝的螺线管线圈流过电流之比、环向-轴向阻抗定义为穿过非晶丝的螺线管线圈两端电压与流过非晶丝的电流之比、环向-环向阻抗定义为穿过非晶丝的螺线管线圈两端电压与流过亥姆霍兹线圈电流之比。
6.根据权利要求1或4所述的装置，其特征在于：各个驱动电流采用程控电流源驱动，通过读取电流示值实现电流测量，各个输出电压通过模数转换器实现电压测量。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：通过调整每组亥姆霍兹线圈激励电流的相对大小，根据矢量合成原理，产生任意大小、任意角度的非轴向的均匀磁场，通过改变磁场与非晶丝轴向的夹角，用于测量在不同角度下的阻抗张量。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：各个阻抗测量的激励信号和测量信号通过信号切换矩阵将各个信号切换到相应的激励端口和测量端口，实现在一个测量装置上测量阻抗张量全部分量的功能。
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