磁性传感器
1994年
诲蠢
电”I-
丑}岛磁牵,材舛合’金{第2期
0一磁性传感器
壑室堡
(吉林8272厂,13201])
摘要
磁性传感器不仅广泛用于工业测控领域,而且还广泛用于机械电子
学,医疗电子学和信息技
术领域.”信息传感器”可以构成一个庞大的市场.尤其是新的高级磁
性传感器能与安全传感器,计
算机的数据输入系统和个人计算机组合使用.本文概述了磁性传感
器构成原理.评竹了做为传感
器材料的磁性材料.介绍了非晶磁性传感器.
一
,前言
使用磁体的传感器(也叫磁性传感器或
磁体传感器)其磁场检测灵敏度,可靠性(耐
冲击性,耐温变化,耐辐射)和寿命明显好于
采用半导体或电介体的传感器.广泛使用的
有感应式传感器,铁氧体温度传感器(铁氧体
感温开关).前者具有10Oe磁场检测分辨
能力.例如阿波罗
计划
项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载
的月球磁性勘查;根据
地球磁场分布勘查石油矿脉}船体探测;磁探
伤;检测高炉中矿石分布及探测海底电缆等.
在出现磁场传感器,电流传感器,位移传
感器及压力传感器的同时,也出现了多种类
型的高级磁性传感器.它们有旋转编码器,转
矩传感器,导航传感器及生物信息传感器等
所谓的”信息化传感器”传感器的基本性能
取决于传感器材料及其形状特性;传感器功
能取决于包括传感器材料的电子电路及信号
处理技术.
二,磁体传感器
磁体主要有坡奠台金,非晶及铁氧体等
高导磁率磁体(块形及薄带),也包括完全退
磁的超导体,磁流体,巨大MR效应多层薄
带,超磁致伸缩材料及RE—TM光磁薄带
40
等这些材料的饱和磁通密度Bs,饱和磁化
强度Ms,矫顽力Hc,磁致伸缩系数s,各向
异性常数K,居里温度Tc,磁导率等是主
要的物理参数.
在传感器构成方面,最重要的是磁体物
理特性效应.这些磁效应基本上决定着传感
器的功能,如磁致伸缩效应,磁致伸缩负效
应,?E效应及巴克豪森效应.
非晶磁体的kMs值虽与亚晶质软磁体
大致相同,但Ku值(单轴磁性各向异性)是
后者的10,10,所以效应有显着的提高
此外,在结晶材料中,效应会衰减,而非晶磁
体不存在晶粒场,所以在整个材料中产生相
同的效应.为使这些磁效应用于传感器构成
中,一般情况下是采用退火等热处理方法使
之强化和稳定.此方法既能提高传感器灵敏
度还能降低传感器内部杂音和偏差
磁体与晶体管及Ic运算放大器等半导
体组合成磁场传感器,电流传感器,位移传感
器等所谓的基本传感器.这些传感器的电路
基本构成是差动电路,它可抵消共振杂波.另
一
种方法是根据需要制成负反馈电路,用来
实现敏感特性的线性化,温度变动稳定化,频
率特性宽带化,并可大大提高周期整流和信
号与杂音比(S/N).
高级传感器是由基本传感器(尤其磁场
传感器)和微小磁体,多极充磁体,磁通发生
1994年电工合金第2期
脉冲转发器组合后再与信号处理电路,微处
理机,CRT显示器构成传感器系统.旋转编
码器和转矩传感器用于机械电子领域中的高
度控制;安全传感器,心电图传感器,困意传
感器,VDT眼疲劳传感器等是与人类密切相
关的传感器,将它们称之为”信息化传感器”
三,对传感器磁体材料的评价
图I对坡奠合金,非晶,软磁铁氧体以及
超导体的块形磁铁从五个方面进行评价,传
感器的性能是由检测灵敏度,最高使用温度,
应答速度,耐冲击可靠性及尺寸的小型化等
所决定.传感器的性能是系统中的关键,所以
必须从以上五方面来评价材料.由图可看出,
非晶磁体(特别是非晶磁线)是比较好的材
料.
图1
兢冲击可靠性
作为传感器材料的非晶磁体有如下特
征:
1)在二维中形成极为相同的结构,在深
层中形成磁层结构,发挥出显着的磁效应.
2)最大抗拉强度达400kg/mm,是一种
高强度弹性体.即使直径20~30gm细线也
容易制成大画面的图形输入板.被覆线可直
接绕置在磁线上制成微小型线圈.
3)电阻率是坡奠合金的3—4倍,由于形
状微小,因此涡流损耗小,也能在MHz带励
磁即调制式磁性传感器其信号遮断频率达
几百千赫.
4)磁导率(特别是旋转磁化磁导率)高于
坡奠合金,旋转磁化范围内巴克豪森杂音小,
易制成磁场检测灵敏度高的(,10Oe)高
速响应式传感器.
5)采用不同材料成分能自由控制磁致伸
缩可控在一6,45×10范围.因XMs/Ku
很高,没有晶粒场,所以能制成微应力传感器
和利用磁致伸缩渡传播式的各种传感器.
另外,在使用非晶磁体时应注意以下几
点:
1)结晶温度虽在400,550?左右,但长
期使用有可能出现低温结晶.考虑到实用性,
尽量避免长时间在200?以上使用
2)铁系材料由于耐腐蚀性较差,一般情
况需要添加cr.
实用化的非晶磁体基本成分有,块形是
FeCoSiB,FeNiSiB}薄带中有FeCoZr,TbFe.
Co,GdFeCo等.
四,非晶磁体传感器
非晶磁体作为传感器材料大体分为零磁
致伸缩材料(1l?10)和高级磁致伸缩材
料零磁致伸缩材料(Fec0siB)是一种电磁
性能稳定且耐蚀性,耐磨损性较好的高磁导
率材料.它首先应用于音响磁头,接着又扩大
到磁场传感器,电流传感器,位移传感器以及
高档次的信息化传感器位移传感器是接触
式,具有0.1/.tin的分辨能力.
高级磁致伸缩材料具有晶质磁体无法得
到的高灵敏度磁致伸缩效应和逆效应,曾做
过各种独特应用的试验,但由于生锈,时效性
4】
1994年电工合金第2期
较差所以实用化较慢.后来又开发出非晶磁
线,它具有很大的巴克豪森(磁性)效应,即使
在0.1Oe微弱的交流磁场下,也能引起尖锐
的电压脉冲.长约10cm的安全(防盗)传感
器已在美国实用化,现年产量达几千万件,是
传感器材料最多的一种.数据输入是用磁体
来控制非晶磁致伸缩细带的超声波强度.最
近的光传感器引人注目,它是非晶RE—TM
薄带利用光磁效应制成的.
4+1非昌磁线传感器
非晶磁线(直径约120bu,n)是采用喷水
超冷方法制造.其磁畴结构(a)为正磁致伸缩
线(FeSiB),外表层为迷路形磁畴花纹,推断
是表面垂直磁化闭磁畴结构.中间处的长度
方向具有各向异性单畴结构.(b)负磁致伸
缩线,外层磁化方向是圆周形,所看到的为
180磁畴图形.这种磁畴结构在超冷时,由于
先在外层固化从而产生压缩应力(半径拉
力).中间处磁性比外表层弱,根据形状各向
异性原理,在磁线的长度方向可引发出各向
异性.Fe;.B】s磁线(直径120gm)长度
10cm接到物品上,通过门电路励磁(60Hz)
检测其高频电压,逸就是在各种店铺中所设
置的防盗传感器系统.还有磁线径30pm,长
10ram的磁头同旋转磁体相组合而成的高灵
敏度,高速应答式脉冲型旋转速度传感器已
实用化.用磁畴传播速度一致性好的磁线做
成的l米长距离传感器也已问世.
4.2利用非晶磁线Matteucci效应的文字
圉形输人装置(数据输人)
负磁致伸缩非晶磁线外层具有圆周方向
易磁化轴.Matteucci效应是根据磁线圆周磁
通时间变化d啦/,it,在磁线两端引发电压
(eu)的现象.e由下式表示t
d吼d‰.
M2S.dr/,.
一—一一阳—一—百
42
式中m:圆周磁导率;So:圆周磁通截面
积;K.:圆周各向异性;M.:饱和磁化强度;
Ho:圆周励磁场(FeCo.).SiBs(一一
0.1×10)材料的M:so/Ko值很高,但这种
材料的磁线若在拉力下进行加热处理的话,
&/Ke值还会增高.磁线用交流电产生的琢
与e频率相同.在非晶磁线上垂直外加交流
磁场H也能产生d%/dt.此时的dT./dt在
H一
一
周期内变化二次,e为二倍频率电压,
将这种效应叫做垂直Matteucci效应.
用垂直效应组成的新式数据输入系统.
将直径50gm,长40cm的FeCoSiB磁线折成
20cm长,在x方向每隔5ram放40根,在Y
方向放40根,组成20cm×20cm小平面.励
磁笔由2ramX20ram软磁铁氧体绕上线圈
自身起振式回路所组成.起振频率为
140kHz,笔尖磁场强度约10Gs.非晶磁线的
偏流为5mA,在使用前用多路调制器调好后
再通电.
对于生物微小振动信息传感器及大电流
传感器不再详述.
五结束语
本文在论述磁性传感器构成原理,过程
及传感器材料的基础上,归纳了非晶磁体的
优越性.对于在工业计量中很多重要的磁性
传感器未做介绍.目前,汽车,工业用机器手,
电机控制及各种检测等机械电子领域中已开
始大量采用磁性传感器如果再进一步与个
人计算机和安全等所谓的”信息产业”相结
合,磁性元件将有一个飞跃的发展.
赵宝德编译自《日末庙用磁丸学畚谴}1992.Nol