电磁感应效应范文

关键词:磁记忆;非晶合金;巨磁阻抗;探头

中图分类号:TP274文献标识码:B

文章编号:1004-373X(2009)10-158-03

DevelopmentofMetalMagneticMemoryProbeBasedonGiantMagneto-impedanceEffect

LIKaijia1,LIKaiyu2,YUQi1

(1.KeyLaboratoryofNondestructiveTest,MinistryofEducation,NanchangHangkongUniversity,Nanchang,330063,China;

2.NanchangBranch,XiamenAirlines,Nanchang,330063,China)

Abstract:Metalmagneticmemorytestingisanewtestingtechnologyofnondestructivetestingtechnologies.Thekeyofthistechnologyistopickupweakpurenaturalmagneticsignalsfromtheareaofstressconcentrationofferromagneticcomponentsandtakeadvantageofgiantmagneto-impedanceeffectofamorphousalloys.Thereby,anewmagneticmemoryprobeisproduced.Theprobehashighsensitivity,stableproperty.Thepaperintroducesgiantmagneto-impedanceeffectbriefly,andgivesadetailedreviewontheprobe′sprinciple,structure,circuitlayoutandtestresults.`Theresultsshowthatthisnewtypeofmagneticmemorymetalprobedetectclearlytheweakmagneticsignalandreachthemagneticmemorytestingrequirement.

Keywords:magneticmemory;amorphousalloy;giantmagnetoimpedance;probe

0引言

金属磁记忆检测技术的关键点在于拾取铁磁构件应力集中区的微弱“纯天然”磁信号[1],而磁信号的拾取又在于探头的灵敏度,因此探头的研制成为该技术的重点之一。非晶态合金组织结构独特,具有低矫顽力、高电阻率、高磁导率及高机械强度等,尤其是钴基非晶态磁性合金材料,其磁致伸缩系数极小,是一种优良的磁敏材料,用此材料可以设计出各种不同用途的磁场传感器[2-4]。1992年Mohri等人在Co基非晶合金丝中发现巨磁阻抗效应,为研制高灵敏度磁传感器开辟了新的途径[5-9]。非晶合金的巨磁阻抗效应是指当非晶材料通以高频电流时材料两端的阻抗随外磁场变化而发生非常灵敏的变化现象。这里就是利用非晶合金巨磁阻抗效应来研制探头。

1巨磁阻抗效应

巨磁阻抗(GMI)效应[6,7]就是当软磁性材料(多为Co基非晶和Fe基纳米晶)的丝或条带通

以高频交流电流i时,材料两端感生的交流电压UW随丝纵向所加外磁场Hex的变化而灵敏变化的现象,如图1所示。

图1巨磁效应示意图

磁阻抗在外磁场作用下的变化率(MagnetoImpedanceRatio,MIR)定义为:

MIR=Z(Hex)-Z(0)Z(0)×100%

式中:Z(Hex)表示外加磁场Hex时材料的阻抗;Z(0)表示未加外磁场Hex时的阻抗。当磁场不大时,阻抗变化率随磁场增高而迅速增大,阻抗变化率最大为15%,该设计就利用了此特性。

2探头结构及电路设计

根据GMI效应的产生条件,选择脉冲方波激励供电,设计一脉冲信号产生电路,输出到非晶薄带两端,实现高频激励。在高频激励下,非晶薄带阻抗随外界磁场的变化而发生非常灵敏的变化,即实现由阻抗的大小反应外界磁场的强弱;非晶薄带外面绕有线圈,构成敏感元件,其本身具有阻抗,在脉冲激励的作用下便产生相应频率的高频电流,根据电磁感应原理,外部线圈产生相应频率的感生电动势,大小与非晶薄带阻抗变化率成正比。由于GMI效应,非晶薄带阻抗发生明显的变化,线圈两端的感生电动势便随之改变,在阻抗变化率达到最大值之前,感生电动势与磁场成正比。接下来利用峰值检波的方法检出信号的峰值,峰值的强弱反映了磁场强度大小,实现了对磁场的测量。

2.1探头结构

探头结构如图2所示,用CMOS非门电路产生高频脉冲对非晶带进行激励.当外加磁场作用在非晶带时,通过改变非晶带阻抗Z,从而改变非晶带两端的电压。通过峰值检波电路检测出其峰值的大小,再经低通滤波和比较放大路得到随外加磁场变化的电压值。

2.2敏感元件的制作

敏感元件的制作[4,8,9]如图3所示,将非晶合金薄带用胶水固定在一起,外面绕漆包铜导电线圈。其中,非晶合金厚0.04mm,叠10片;长度为10mm,宽为1.78mm;漆包铜导线直径为0.1mm,匝数为100匝。非晶薄带两端加上脉冲激励,由于非晶丝的GMI效应,在外磁场不大时,其阻抗随外磁场的变化而发生非常灵敏的变化。图3为敏感元件的制作示意图;图4为实物图。它实现了敏感元件在磁场下的线性输出。

图2探头结构示意图

图3敏感元件的制作示意图

图4敏感元件实物图

2.3脉冲电流电路

非晶磁芯只有在高频电流激励下,才能显现GMI效应,阻抗随磁场增加而急剧增大。用脉冲电流激励磁芯可以提高阻抗变化率,即提高传感器的灵敏度。

脉冲电流发生电路[8,10,11]如图5所示,选用SN74HCT04N非门芯片构成多谐振荡电路产生高频方波,经RC微分后得到脉冲电流,通过非门Q3滤去负脉冲,得到与方波同频率的正脉冲电流。电路的振荡周期T=2.2R2C1,电阻R1是反向器输入端补偿电阻,可以改善由于电源电压的变化而引起振荡频率不稳性,但应保证R1R2。实验使用脉冲电流频率f=1MHz,脉冲宽度约为20ns,峰值为20mA。

图5脉冲电流电路

2.4信号处理电路

探头信号处理电路[10,11]由峰值检波保持、低通滤波比较放大和射极跟随电路构成,电路图如图6所示。

图6信号处理电路

A1与C1构成峰值检波和保持电路。在峰值期间,D1导通,使C1充电达到峰值,峰值过后由于R2的限流作用,C1放电微乎其微,到下一次峰值再度充电,维持峰值电压输出。C1上串接R32Ω的电阻,用于防止过冲,有利于电路稳定。C2,C3组成输入低通滤波,滤掉高次谐波和噪声的干扰,A2,A3,W1和W2构成比较放大电路。由于给非晶带加了一个高频激励,所以在没有外磁场的情况下,感应线圈也有一个较高的输出电压。为了抵消这个零场电压,采用两级比较电路来实现调零,通过滑动电阻W1,W2来进行调零校正,使其在零磁场下输出为零。C4为输出滤波;A4为射极跟随器,方便后续信号的进一步处理。

3实验结果及分析

用研制的探头对刻有1mm,2mm,3mm深的人工裂纹铁磁构件试块进行了检测。由此发现该探头有明显的检出能力,达到了金属磁记忆检测技术对应力集中区微弱“纯天然”磁场的拾取效果,实验结果如图7~图9所示。

图71mm深示波器图

图82mm深的示波器图

图93mm深的示波器图

从示波器图上明显看出1mm,2mm,3mm深的裂纹有着不同的峰值,峰值大小随裂纹深度的增加而增加,同时也验证了金属磁记忆检测技术的发明人杜波夫提出的理论和相关的研究结论,即铁磁构件在地磁场作用下,能记忆其力对它的作用历史。

4结语

简单地介绍了GMI效应的基本原理。利用非晶合金的巨磁阻抗设计并制作了磁记忆探头。该探头灵敏度高,性能稳定,为金属磁记忆检测技术的发展提供了广阔的前景,但信号处理不够理想,就实际应用来说还有待进一步的研究。

参考文献

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电磁感应效应范文

关键词ECT；MRE；车速传感器

中图分类号TN7文献标识码A文章编号1674-6708（2011）42-0140-02

0引言

ECT（ElectronicControlledTransmission）即“电子控制自动变速器”，其电子控制系统主要由传感器、电子控制单元（ECU）、执行器三大部分组成。其最重要的换档控制参数是发动机负荷和汽车车速，反映发动机负荷大小的是节气门位置传感器，反映汽车车速的是车速传感器。一般节气门位置传感器与发动机共用，车速传感器安装在自动变速器输出轴或仪表板附近，是一种转速传感器，用于检测自动变速器输出轴的转速，ECU根据车速传感器的信号计算出车速。传感器把采集的发动机负荷和车速信号转换成电信号传送给ECU，ECU接受信息后，与存储在内部的程序加以比较、计算，并给执行换档的电磁阀发出控制指令，实现自动换挡及液力变矩器的锁止操作。

1汽车车速传感器

车速传感器用来产生频率与车速成正比的电信号，并将该信号送至ECU，作为确定换挡点和液力变矩器锁止离合器锁止时机的基本信号之一。

常见车速传感器一般有舌簧开关式、电磁感应式、光电式和MRE磁阻等。

2MRE磁阻式车速传感器的结构

如图1所示，MRE磁阻式车速传感器，主要由多极磁环、HIC（混合集成电路）以及多极磁环的驱动机构组成，一般安装于变速器壳体上。多极磁环的驱动机构由多极磁环驱动轴和蜗轮蜗杆机构构成，其中蜗轮安装于驱动轴上，蜗杆一般安装于自动变速器的输出轴上与其同步转动。

3磁阻效应及磁阻式车速传感器的原理

3.1磁阻效应

磁阻效应（MagnetoresistanceEffects）是指导体或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。同霍尔效应一样，将通以电流的导体(或半导体)放在磁场中，当磁场方向垂直于电流方向时，导体(或半导体)内的载流子受洛伦兹力的作用而产生一定方向的偏斜，因而使电流经过的路径变化，使得导体(或半导体)的电阻增加。导体(或半导体)的电阻受磁场的变化而发生变化，这种现象称为磁阻效应。

3.2磁阻式车速传感器的原理

磁阻式车速传感器的核心是磁敏元件，其工作原理是基于磁敏元件具有的磁阻效应。当汽车车速为零即多极磁环转速为零时，由磁敏电阻组成的惠斯顿电桥中的两对磁敏电阻阻值大致相等。由于偏置磁场的存在，多极磁环转动时，引起磁敏电阻所处空间的磁场发生周期性变化，根据磁阻效应，磁敏元件的阻值也会发生周期性变化，惠斯顿电桥就会输出周期性变化的电压，即输出一个交变电压波形。

设惠斯顿电桥输出信号频率为f（Hz）、多极磁环的转速为n（r/min）和多极磁环磁极数为Z，则：f=nZ/60。由此式可知，当多极磁环磁极数一定时，输出信号的频率只与自动变速器输出轴转速有关，即与汽车车速成正比关系。

3.3信号处理电路

该传感器的信号处理电路主要由比较器和三极管组成。信号处理电路将惠斯顿电桥输出的周期性变化的模拟信号转化为数字信号，送入汽车ECTECU，ECU可根据输出信号的频率计算出汽车车速。比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路，其两路输入为模拟信号，输出则为二进制信号，即数字信号。三极管VT又将比较器输出的数字信号反向，最终传感器输出的为一方波信号。信号处理电路的工作过程如下：

设比较器的“+”输入端输入电压为V+，“-”输入端输入电压为V-，由图2：

当V+>V-时，比较器正饱和，输出高电平，则VT基极为高电位，VT发射结正偏，VT导通，输出低电平；

当V+

4MRE磁阻式车速传感器的特点及检修

4.1特点

由MRE磁阻式车速传感器结构及上述分析可知，MRE磁阻式车速传感器输出信号质量不受车速变化的影响（变速器输出轴转速与汽车车速成正比），具有故障率低、使用寿命长、工作可靠等优点。

4.2检修

可变磁阻式车速传感器很少发生故障，在检修时可以用手转动传感器轴，在转动的同时，用万用表电压挡测量传感器输出端子间的输出信号，应有脉冲电压信号输出。若无脉冲电压信号输出则传感器已损坏应及时更换。

5结论

综上所述，车速传感器在ECT电子控制系统中非常重要，其信号质量的好坏直接影响自动变速器换挡点和液力变矩器锁止离合器锁止时机控制的准确性。MRE磁阻式车速传感器由于输出信号质量好、使用寿命长以及工作可靠，可满足电控自动变速器的使用要求。

参考文献

[1]王遂双.汽车电子控制系统的原理与检修[M].北京：北京理工大学出版社，2004，8.

电磁感应效应范文篇3

【关键词】法拉第效应；三维磁场，测定

1、研究背景

近年来，基于法拉第效应的传感器件以其固有的优点得到迅速发展，磁光晶体在传感器中用作传感元件进一步提高了灵敏度，最小探测磁场达到100PT/Hz。由于法拉第型传感器的传感头结构简单，所以传感器具有尺寸小，精度高，灵敏度好，动态范围大和响应快速的优点，适合一些特定环境下磁场的测量。但目前所测量的磁场只是在平行于传感头方向的分量，磁场的绝对大小及方位还无法准确测量，现针对以上缺点提出了一种可测量空间磁场绝对大小和方位的方法。而通过测量磁场量又可以推知产生磁场的电压和电流等电学量，因此研究此课题在电力、电子等多领域具有重要的意义。

2、设计原理

法拉第磁致旋光效应的本质是说当一束线偏振光通过非旋光性介质时，如果在介质中沿光传播方向加一外磁场，则光通过介质后，光振动（指电矢量）的振动面转过一个角度θ，这种磁场使介质产生旋光性的现象。自从法拉第发现这一效应以后，人们在许多固体、液体和气体中观察到磁致旋光现象。对于顺磁介质和抗磁介质，光偏振面的法拉第旋转角θ与光在介质中通过的路程L以及外加磁场磁感应强度在光传播方向上的分量成正比，即有：θ=V·B·L其中V为费尔德（Verdet）常数。对于不同介质，偏振面旋转方向不同，习惯上规定，偏振面旋转绕向与磁场方向满足右手螺旋关系的称为“右旋”介质，其费尔德常数V>0；反向旋转的称为“左旋”介质，费尔德常数V

将法拉第效应元件CDMNTE晶体（经过激光脱沉技术生长而成，具有很高的韦尔代（Verdet）常数；经合成的Ga∶YIG晶体与纯钇铁石榴石[YIG]相比，不仅减少了饱和磁化强度，而且进一步提高了灵敏度，最小探测磁场达到100PT/Hz[2]）放在待测磁场中，以平行磁感应强度B的方向施加入射光（由半导体激光器LD产生），由于法拉第效应，光的偏振面将产生偏转角θ，并且θ=V·B·L式中L为CdMnTe晶体厚度，V为Verdet常数。当所用CDMNTE晶体一定时，B∝θ，可由光电二极管测得。

3、方案设计

由所述原理测得B的大小并不是绝对的，只是空间磁感应强度B在平行于光传播方向上的分量。当磁感应强度B的方向和光的传播方向垂直时，无论B多大，旋转角θ恒为零。即旋转角θ大小不仅和B大小有关还和B的方向有关，这给一些磁场的测量带来了很大的不便，因此提出了测量三维矢量磁感应强度的方法。

将光源按照分光比1：1：1：1其中的三束输出光分别接到三个传感器上（三个探测器探测到的光强分别为Ix，Iy，Iz），剩下的一束输出光直接接到光探测器上（光强为Io），光源光功率的变化同时导致Ix，Iy，Iz，Io的变化，使得Ix/Io，Iy/Io，Iz/Io的值只与磁感应强度B的大小和方向有关，这样在保证精度的前提下对光源的要求就大大降低了。

设空间磁场B和X、Y、Z的轴的夹角分别为α、β、γ，则在磁场在三个坐标轴的分量为：Bcosα、Bcosβ、Bcosγ；X、Y、Z线性偏振光通过的分量为：Ix，Iy，Iz，θx，θy，θz分别为线性偏振光通过X、Y、Z轴上传感器后产生的旋光角；βx，βy，βz分别为X、Y、Z轴上起偏器与检偏器的夹角，L为传感器中的旋光介质的有效长度，V为介质的费尔德常数则：Ix=Iocos2（βx-θx）（Y、Z可依次求出）Ix，Iy，Iz分别是X、Y、Z轴上的光探测器所探测到的光强，Io是旋转角为零时所探测到的光强。

θx=arccos√（Ix/Io）=cosα·BVL（Y、Z可依次求出），cos2α+cos2β+cos2γ=1最后通过上式可计算出的值α、β、γ、B。

4、方案优势

（1）利用激光和法拉第效应是测量若干电磁量的一种新方法。是电学量的非电测量方法，能够有效地克服电磁干扰和频率响应欠宽等在电测法中存在的问题。

（2）准确度高、响应快、便于与微机相联实现自动实时测量。

（3）用激光和磁光效应构成的光电传感器能够有效地测量交直流电流和磁感应强度等电磁量，并具有光学测量抗电磁千扰能力强等优点，为电学量的非电测量提供了依据。

（4）三维光纤磁场传感器可以真实的测出空间磁场大小和方向，而且随着旋光介质材料不断发展（新的旋光介质的费尔德（Verdet）常量的增大，响应的频率带宽变宽），探测空间的微弱磁场已成为可能。

（5）磁光晶体在传感器中用作传感元件进一步提高了灵敏度，由于法拉第型传感器的探头结构简单，无需外加电源且不涉及电流传导，使传感器实现成为可能。

参考文献：

[1]程德福，王君.传感器原理及应用.北京：机械工业出版社，2011.

[2]周文生.磁性测量原理.北京：电子工业出版社，2009.

[3]陈重，崔正勤.电磁场理论基础.北京：北京理工大学出版社，2003.