马丽娜, 倪 敏, 郑源明, 张 晴

(1. 上海师范大学 数理学院物理系, 上海 200234; 2. 上海复旦天欣科教仪器有限公司, 上海 200433)

用巨磁电阻位移传感器测量磁致伸缩系数研究

马丽娜1, 倪 敏1, 郑源明2, 张 晴1

(1. 上海师范大学 数理学院物理系, 上海 200234; 2. 上海复旦天欣科教仪器有限公司, 上海 200433)

介绍采用巨磁电阻传感器与配对小磁钢设计组成新型位移传感器,测量材料的磁致伸缩系数,并对自旋阀巨磁电阻(NVEAA002-02)位移传感器以及多层膜巨磁电阻( SS501A)位移传感器的测量结果进行分析比较,得出用多层膜巨磁电阻(SS501A)位移传感器测量磁致伸缩系数时灵敏度较高,结果较准确,对磁致伸缩系数的传统测量方法有明显的改进。

磁致伸缩; 巨磁电阻; 新型位移传感器

测量材料的磁致伸缩系数是物理实验中一个重要内容。由于磁致伸缩效应引起的材料长度变化极其微小,一般只有10-6～10-3数量级[1],因此需要一些特殊的测量方法。目前测量该系数的方法有应变电阻测量法、迈克耳孙干涉测量法和光杠杆测量法等[2],这些方法都存在一些不足:应变电阻测量法对电阻的应变片与样品的贴合程度要求很高,实验中不便更换样品,操作不易[3];迈克耳孙干涉测量法对仪器的调节要求非常高,实验装置比较“娇嫩”,也比较笨重,调节步骤较繁琐,且不能电量输出[4];光杠杆测量法误差来源较多,如望远镜视差、非电量输出、灵敏度较低[5]。为改进上述不足,笔者设计了巨磁电阻与配对小磁钢组成的新型位移传感器,利用巨磁电阻体积小、灵敏度高、抗干扰好等优点[6],结合机械杠杆放大装置,对样品的微小伸长量进行放大,以此提高实验测量的灵敏度,并使实验结果以电量输出。实验中采用不同型号的巨磁电阻进行测量,通过分析比较实验结果,进一步优化实验装置,选择最佳的测量方案。

1 实验原理

1.1 磁致伸缩效应

1.2 巨磁电阻效应

2007年10月,法国科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔因独立发现了巨磁电阻效应共享了诺贝尔物理学奖这一殊荣[8]。所谓的巨磁电阻效应,是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象[9]。如今,巨磁电阻效应在磁传感器方面有了广泛的应用,就其内部结构和工作原理分为两种类型:多层膜巨磁电阻与自旋阀巨磁电阻。巨磁电阻传感器具有体积小、灵敏度高、稳定好、寿命长、无触点等优点,非常适用于微小形变的测量[10]。

1.3 巨磁电阻位移传感器原理

将巨磁电阻元件置于磁感应强度为B的磁场中,若在垂直于磁场方向的巨磁电阻元件中通以电流I,如果保持I不变,使其在梯度均匀的磁场中移动,则输出的电势差变化量为:

(1)

图1 巨磁电阻位移传感器原理图

若磁铁间隙内中心截面处的磁感应强度为零时,巨磁电阻元件输出的电势差应该为零。当巨磁电阻元件偏离中心沿Z轴发生位移时,由于磁感应强度不再为零,巨磁电阻元件也就产生相应的电势差输出。由此可以将电势差为零时元件所处的位置作为位移参考零点。电势差与位移量之间存在一一对应关系,当位移量较小(<2mm)时,这一对应关系具有良好的线性[12]。

2 实验装置的设计及创新

2.1 实验装置简介

实验装置主要由磁铁及控制电源、机械杠杆放大装置、巨磁电阻位移传感器和千分螺杆等4部分组成。如图2所示，实验中电磁铁提供变化的磁场,使得样品发生磁致伸缩效应,样品产生的长度变化通过机械杠杆放大后引起巨磁电阻传感器在小磁钢磁场中的位置发生变化,此时传感器用于输出相应的电压值,千分螺杆则用于测量巨磁电阻传感器的位移。

图2 巨磁电阻位移传感器实验装置

2.2 实验装置设计的创新

3 实验内容及方法

3.1 用半导体位移传感器测量材料的磁致伸缩系数

将图2中的巨磁电阻位移传感器换成型号为JH-2(量程10g)的半导体位移传感器,该传感器利用半导体微位移测力,也称半导体力敏传感器,同时可以测微位移,且内有信号放大器放大输出。用该传感器测量样品的磁致伸缩系数,虽然灵敏度较高,但是实验中机械杠杆的末端直接与半导体位移传感器接触,彼此间的摩擦会对影响实验结果,这种直接接触式的测量方法不是最佳,但用该传感器测量得到的磁致伸缩曲线是为笔者以下的实验结果提供参考,以验证自己组装的巨磁电阻位移传感器测量微位移的准确性。

3.2 用自旋阀及多层膜巨磁电阻位移传感器测量材料的磁致伸缩系数

实验前对两传感器进行定标,确定自旋阀及多层膜巨磁电阻传感器的线性工作范围,为之后传感器的使用界定范围,并计算传感器的灵敏度;然后调节磁铁电源,改变电源输出,确定输出电流I与电磁铁场强B的关系;按图2搭好实验装置,调整巨磁电阻位移传感器,使其处于小磁钢中心轴处,旋动微分头,改变传感器位置,从而改变传感器的电压输出,确定微分头读数l与电压输出U的定标关系;最后调节磁铁电源,使样品发生磁致伸缩效应,每隔0.5A记录传感器的输出的电压值U,结合之前的B-I和U-l关系,计算磁致伸缩系数,绘制TbDyFe样品的磁致伸缩系数λ与磁感应强度B的关系曲线。

4 实验结果分析

现将用半导体位移传感器、自旋阀巨磁电阻位移传感器和多层膜巨磁电阻位移传感器测得的磁致伸缩系数描绘在同一坐标轴中,如图3所示。自旋阀巨磁电阻位移传感器和多层膜巨磁电阻位移传感器的实验结果见表1,从传感器的线性工作范围和灵敏度等方面进行比较。

图3 3种传感器测量结果

巨磁电阻位移传感器类别传感器线性工作范围/V传感器灵敏度/(V·mT-1)U-l定标关系自旋阀巨磁电阻位移传感器0.004～0.064V0.0529V/mTU=0.174l+1.1103多层膜巨磁电阻位移传感器0.1～0.27V0.0887V/mTU=0.474l-1.8744

比较可知:自旋阀巨磁电阻位移传感器:U=0.174l+1.110 3,相关系数r=0.998 6,每1 mm位移量对应174 mV的电压输出;多层膜巨磁电阻位移传感器:U=0.474l-1.874 4,相关系数r=0.999 7,每1 mm位移量对应474 mV电压输出。多层膜巨磁电阻位移传感器每1 mm位移量对应输出电压最大,装置的灵敏度最高,测量的结果更准确。自旋阀巨磁电阻位移传感器灵敏度略逊于多层膜巨磁电阻传感器,但其线性范围比多层膜巨磁电阻大,所以两种传感器可根据实际需要正确选择应用。灵敏度较高、线性范围不大的多层膜巨磁电阻传感器适用于微小量的测量,如测量磁致伸缩系数;线性范围较大而灵敏度略逊的自旋阀巨磁电阻传感器则比较适合用于磁场变化范围较大的实验中。

5 结束语

通过用不同型号类型的巨磁电阻设计新型位移传感器,对磁致伸缩系数的传统测量方法进行优化,分析比较实验结果得出：多层膜巨磁电阻位移传感器测量磁致伸缩系数的灵敏度优于自旋阀巨磁电阻位移传感器,但是多层膜巨磁电阻的线性范围不及自旋阀巨磁电阻。因此要根据实际需要对两种类型的巨磁电阻进行适当选择。巨磁电阻元件在检测技术领域有广泛的用途,因为用巨磁电阻位移传感器不仅可以测量材料的磁致伸缩系数,还可用于测量其他的微小位移量,如测量金属线膨胀系数或金属材料的杨氏模量等。

References)

[1] 曹惠贤. 普通物理实验[M].北京:北京师范大学出版社,2007:285.

[2] 张永炬, 林朝斌. 磁致伸缩系数实验测定方法的比较[J]. 台州学院学报,2003,25(3):49-51.

[3] 曹惠贤. 磁致伸缩系数的测量[J].物理实验,2003,23(2):37-38.

[4] 张小俊. 用迈克耳孙干涉仪测量磁致伸缩系数[J].大学物理,1994,13(1):31.

[5] 吕新夫, 高翔, 周惠君, 等. 用两种可行的光学方法测量磁致伸缩系数[C]// 第六届全国高等学校物理实验教学研讨会论文集 (下册),2010:497-499.

[6] 周晓明. 大学物理实验[M].广州:华南理工大学出版社,2012:202.

[7] 李蓉. 基础物理实验教程[M].北京:北京师范大学出版社,2007:298.

[8] 赖武彦. 自旋极化的电流[J]. 物理, 2007,36(12):897-903.

[9] 张志勇,王雪文,翟春雪,等. 现代传感器原理及应用[M].北京:电子工业出版社,2014:159-160.

[10] 王俊杰,曹丽. 传感器与检测技术[M].北京:清华大学出版社,2011:165-166.

[11] 胡向东,刘京城,余成波,等. 传感器与检测技术[M].北京:机械工业出版社,2009:99.

[12] 朱军良. 物理测量技术[M].北京:科学出版社，2012:200.

Research on measurement of magnetostrictive coefficient with GMR displacement sensors

Ma Lina1, Ni Min1, Zheng Yuanming2, Zhang Qing1

(1. Department of Physics,Shanghai Normal University, Shanghai 200234, China;2. Shanghai FudanTianxin Scientific & Educational Instruments Co.,Ltd, Shanghai 200433, China)

This article introduces the new displacement sensor which is designed with GMR sensors and a pair of small magnets about measuring a material’s magnetostrictive coefficient,then compares the sensitivity of two different sensors( GMR spin-valve(NVEAA002-02)displacement sensor and GMR multilayer(SS501A)displacement sensor).The research finds that the sensitivity of GMR multilayer displacement sensor measuring magnetostrictive coefficient is the best,which has some improvements to the traditional test methods for measuring the magnetostriction coefficient.

magnetostrictive; giant magnetoresistance(GMR); new displacement sensor

2014- 11- 07 修改日期：2015- 01- 08

马丽娜(1992—)，女，浙江金华，上海师范大学数理学院硕士研究生

E-mail：marina20110715@163.com

倪敏(1960—)女，上海，学士，副教授，主要从事物理教育和物理实验研究.

O4-34

A

1002-4956(2015)6- 0061- 03