【摘要】：提出了一種采用三軸隧道磁電阻傳感器作為測(cè)量探頭,雙軸定向、單軸獨(dú)立測(cè)量的三維磁場(chǎng)測(cè)量方法。測(cè)量時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量探頭,使兩定向軸輸出電壓均為零,此時(shí)獨(dú)立測(cè)量軸與磁場(chǎng)方向一致,實(shí)現(xiàn)獨(dú)立軸直接測(cè)量總磁場(chǎng)。利用曲線擬合,獲得了測(cè)量探頭的輸出電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)的線性函數(shù)關(guān)系。通電螺線管中心軸線上磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用該方法的測(cè)量系統(tǒng),測(cè)量±0.3T范圍內(nèi)的磁場(chǎng),最大相對(duì)誤差為-4.3%,精確度高于0.3%。
【圖文】：

相比，三軸ＴＭＲ磁傳感器能夠更好地測(cè)量磁場(chǎng)中某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。與傳統(tǒng)三維磁場(chǎng)測(cè)量方法不同，獨(dú)立定向磁場(chǎng)測(cè)量方法，按照定向軸的測(cè)量值均為零的原則，依靠轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量探頭的方式，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立測(cè)量軸直接測(cè)量總磁感應(yīng)強(qiáng)度。首先，雙定向軸方向上，磁感應(yīng)強(qiáng)度分量為零，解決了測(cè)量時(shí)三軸磁傳感器３個(gè)磁敏感軸之間相互干擾的問(wèn)題。其次，獨(dú)立測(cè)量軸與磁場(chǎng)方向一致，避免了測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度分量之后再矢量求和，這一過(guò)程引入誤差，提高了測(cè)量精確度。１隧道磁電阻效應(yīng)與磁傳感器輸出原理１．１隧道磁電阻效應(yīng)如圖１所示，磁性膜／非磁性膜／磁性膜類(lèi)型的磁隧道結(jié)（ｍａｇｎｅｔｉｃｔｕｎｎｅｌｊｕｎｃｔｉｏｎ，ＭＴＪ）包括由鐵磁性物質(zhì)構(gòu)成的自由層（ｆｒｅｅｌａｙｅｒ）、由非磁性金屬氧化物組成的絕緣層（ｂａｒｒｉｅｒｌａｙｅｒ）以及由抗鐵磁性（ａｎｔｉ－ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ）、鐵磁性物質(zhì)兩者共同組成的釘扎層（ｐｉｎｎｅｄｌａｙｅｒ）。２個(gè)電極位于ＭＴＪ的頂部和底部，外接電源驅(qū)動(dòng)電子穿越ＭＴＪ，形成電流回路。根據(jù)電子自旋相關(guān)的隧穿效應(yīng)，外接電源一定，當(dāng)自由層、釘扎層兩層的磁矩同向相互平行時(shí)，大量的電子穿越ＭＴＪ，此時(shí)ＭＴＪ呈現(xiàn)低阻態(tài)；當(dāng)自由層、釘扎層兩層的磁矩反向相互平行時(shí)，少量的電子穿越ＭＴＪ，此時(shí)ＭＴＪ呈現(xiàn)高阻態(tài)［３］。由于非磁性膜的存在，解決了磁性多層膜中存在較強(qiáng)的層間交換耦合的問(wèn)題，電子可以隧穿極薄的非磁性膜而保持其自旋方向不變，使微弱的磁場(chǎng)變化就可導(dǎo)致其磁電阻發(fā)生極大的變化，這就是隧道磁電阻（ＴＭＲ）效應(yīng)，因此ＴＭＲ磁傳感器具有極高的靈敏度，可用于磁場(chǎng)測(cè)量［４］。圖

高阻態(tài)［３］。由于非磁性膜的存在，解決了磁性多層膜中存在較強(qiáng)的層間交換耦合的問(wèn)題，電子可以隧穿極薄的非磁性膜而保持其自旋方向不變，使微弱的磁場(chǎng)變化就可導(dǎo)致其磁電阻發(fā)生極大的變化，這就是隧道磁電阻（ＴＭＲ）效應(yīng)，因此ＴＭＲ磁傳感器具有極高的靈敏度，可用于磁場(chǎng)測(cè)量［４］。圖１磁隧道結(jié)示意圖１．２ＴＭＲ磁傳感器的輸出原理三軸ＴＭＲ磁傳感器集成了３個(gè)磁敏感方向相互垂直的ＴＭＲ單元。每個(gè)ＴＭＲ單元均采用推挽式惠斯通全橋結(jié)構(gòu)，提供差分電壓輸出，如圖２所示，其４個(gè)橋臂上的電阻分別為Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４為相同的ＴＭＲ電阻［８］。圖２推挽式惠斯通全橋結(jié)構(gòu)圖中Ｖ１為供電電源電壓，箭頭表示ＴＭＲ電阻的磁敏感方向。Ｖ＋、Ｖ－分別為Ｒ１和Ｒ２構(gòu)成的半橋、Ｒ３和Ｒ４構(gòu)成的半橋的輸出電壓，可作為一個(gè)全橋輸出。由于４個(gè)ＴＭＲ電阻具有相同溫度特性，故全橋結(jié)構(gòu)本身具有很高的溫度穩(wěn)定性，不需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的溫度補(bǔ)償電路、就能抑制溫漂。４個(gè)ＴＭＲ電阻處于相同的空間中，故全橋結(jié)構(gòu)能夠抑制和消除空間中存在諸多干擾噪聲。半橋的輸出電壓Ｖ＋、Ｖ－和全橋輸出Ｕ分別為［９］Ｖ＋＝Ｖ１Ｒ２（Ｒ１＋Ｒ２）（１）Ｖ－＝Ｖ１Ｒ４（Ｒ３＋Ｒ４）（２）Ｕ＝Ｖ＋－Ｖ－＝Ｖ１Ｒ２（Ｒ１＋Ｒ２）－Ｒ４（Ｒ３＋Ｒ４（））（３）２獨(dú)立定向磁場(chǎng)測(cè)量原理如圖３所示，以三軸ＴＭＲ磁傳感器的中心點(diǎn)為原點(diǎn)Ｏ，Ｚ軸
【作者單位】： 河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院;
【基金】：河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E2015202241) 2017年河北省級(jí)研究生創(chuàng)新資助項(xiàng)目(220056)
【分類(lèi)號(hào)】：TP212

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本文編號(hào)：2521887