基于LabVIEW 的GMI 效应多参数测量系统

中国测试CHINA MEASUREMENT &TESTVol.42No.2February ，2016第42卷第2期2016年2月基于LabVIEW 的GMI 效应多参数测量系统彭景（中国地质大学（武汉）自动化学院，湖北武汉430074）摘要:采用自动平衡电桥法,测量产生巨磁阻抗效应时软磁材料的阻抗和幅角值。

利用直流电源、亥姆霍兹线圈、阻抗分析仪等仪器搭建一套巨磁阻抗多参数测量系统,并采用虚拟仪器技术对测量系统进行编程控制。

通过对商用Vitrovac6025带材进行测量实验,发现材料在不同频率下均表现出很强的巨磁阻抗效应;并且材料的巨磁阻抗效应随频率的增大先增大再减小,在5MHz 达到最大160%;同时,发现材料的幅角也随磁场变化表现出与阻抗类似的变化规律。

实验结果表明该测量系统具有较高的准确性与高效性。

关键词:巨磁阻抗效应；LabVIEW ；多参数；自平衡电桥法；幅角值文献标志码:A文章编号:1674-5124(2016)02-0088-04LabVIEW-based GMI effect multi-parameter measurement systemPENG Jing（School of Automation ，China University of Geosciences ，Wuhan 430074，China ）Abstract:Automatic bridge balance was used to measure the impedance and argument of softmagnetic materials when Giant Magneto-Impedance （GMI ）effect was generated.A GMI measurement system was formed by DC power supply ，Helmholtz coils ，an impedance analyzer and other instruments and programmed by virtual instrument technology.According to the tests on commercial ribbons Vitrovac6025，found that the magnetic materials exhibited high GMI effects ，which first increased and then decreased with the frequency and reached the maximum （160%）at 5MHz.The arguments of these materials were seen varying with the magnetic field at the same pace as the impedance.The experimental results have proved the accuracy and efficiency of the system.Keywords:giant magneto-impedance ；LabVIEW ；multi-parameter ；automatic bridge balance method ；argument收稿日期:2015-05-29;收到修改稿日期:2015-07-02作者简介：彭景(1990-),男,湖北天门市人,硕士研究生,专业方向为磁传感器的模拟与研制。

doi :10.11857/j.issn.1674-5124.2016.02.0200引言1992年,日本名古屋大学Mohri 教授等[1-2]在CoFeSiB 软磁非晶丝中发现了巨磁阻抗效应(giant magneto-impedance,GMI),其阻抗变化率ΔZ /Z 在几Oe磁场作用下可达50%,比金属多层膜Fe/Cu 或Co/Ag在低温且高磁场强度下观察到的巨磁电阻效应高一个数量级。

由于巨磁阻抗效应具有灵敏度高、反应快和稳定性好等特点,所以其在传感器技术和磁记录技术中具有较大的应用潜能[3]。

郭成锐等[4]利用NI 公司的PXI-1000B 构建测试系统机箱,通过波形发生器产生信号,完成了在不第42卷第2期同频率下对非晶丝阻抗特性的研究。

杨介信等[5]利用隔离变换器、高频信号发生器、可变电源等器件设计了一套GMI 效应的测量系统,在测量的稳定性和灵敏度方面取得了较好的效果。

但是目前的GMI 测量系统测量范围过于狭窄,测量参数的种类过于单一,而且测量系统的自动化程度不高。

为了解材料的巨磁阻抗特性,本文设计了一套在不同外部条件下,能够对材料的各项参数进行测量的系统。

该系统的设计能够极大地提升研究效率,减少测量时间,为GMI 效应的研究提供方便快捷的研究平台。

1GMI 测量原理及硬件组成1.1GMI 测量原理当软磁材料通过一个小的交流电时,其交流阻抗随外界磁场的变化而变化[6]。

巨磁阻抗变化率Z GMI 可以定义为Z GMI =ΔZ Z =Z (H )-Z (0)Z (0)×100%=V (H )-V (0)V (0)×100%(1)式中:Z (0),Z (H )———外磁场为0和H 下材料的阻抗值;V (0),V (H )———外磁场为0和H 下材料两端的电压幅值[7]。

GMI 测量的关键是阻抗的测量,目前阻抗的测量方法主要有电桥法、谐振法、网络分析法以及自动平衡电桥法。

电桥法工作频率范围窄,平衡状态需要人为调节;谐振法测量准确度不高;网络分析法只能对300kHz 频率范围的阻抗进行准确测量。

因此,选择测量范围广、测量准确度高的自动电桥平衡法来对材料阻抗进行测量。

根据该方法,采用英国Wayne Kerr 公司生产的6550P 型号的阻抗分析仪。

阻抗分析仪通过电桥平衡原理来对材料的参数进行测量,如图1所示,电桥达到平衡后,根据测量公式Z x =R r V x V r 只需测得V x 和V r 就能求得被测器件(DUT)的阻抗值(R r 为量程电阻,阻值已知)。

很显然此时的V x 、V r 为复数量,所以需将其分成实部和虚部两部分分别测量。

阻抗分析仪中采用的方法如下:令V x =a+j b ,V r =c+j d ;首先,开关S 接到V x 端,V x 一路经过0°鉴相器分离出实部后A/D 对其进行采样,这样就得到了实部分量a ;另一路经过90°鉴相器得到虚部分量b ;开关S 切换到V r 后,同理得到V r 的实部、虚部分量c 、d 。

由下式:Z x =R r V x V r =R r a+j b c +j d =R r (ac +bd c 2+d 2+j bc -ad c 2+d 2)(2)得到Z x ,电阻分量R x =R r ac +bd c 2+d 2,电抗分量X x =R r bc-ad c 2+d 2,由此可以得出幅角的计算公式:tan θ=bc -ad ac +bd(3)由此,便能通过阻抗分析仪来测量材料的阻抗和幅角,阻抗、幅角均为无量纲参数。

1.2测量系统设计传统的GMI 测量是测量材料的阻抗随外加磁场的变化,为了能够更准确地确定GMI 传感器的静态工作点[8],需全面了解产生巨磁阻抗效应时,材料其他参数的变化规律,因此该测量系统必须能够对材料的多种参数进行测量。

图2为GMI 多参数测量系统的原理框图,主要由电流源、亥姆霍兹线圈、阻抗分析仪3部分构成。

通过电流源控制亥姆霍兹线圈产生磁场,材料放置方向与磁场方向一致。

阻抗分析仪给材料提供激励电流并记录材料的阻抗和幅角值。

在进行GMI 测量时,GMI 材料固定在夹具上,夹具中两根探针压在GMI 材料上用作电极,两针间的距离可随意调整以适应不同长度的材料。

整个夹具以及材料放置于亥姆霍兹线圈中心,所以阻抗分析仪需要通过测试线延伸到外面与夹具进行连接。

图2中亥姆霍兹线圈用于产生均匀的直流磁场,线圈中心匀强磁场区的磁感应强度可用下式计算:B =853/2μ0NI R ≈0.716μ0NI R(4)彭景：基于LabVIEW 的GMI 效应多参数测量系统图1高频时阻抗分析仪的自动平衡电桥电路89中国测试2016年2月当线圈半径R 、线圈匝数N 确定后,就可以通过控制电流I 来达到控制磁场的目的。

图3是测得亥姆霍兹线圈中心磁场与电流关系的曲线图,可以看出磁场与电流有较好的线性度。

电源部分采用YL2410直流稳流电源,电流输出范围-5~5A,步进分辨率1mA。

为了减小外界环境对测量的影响,将测量材料放置于磁屏蔽桶中,磁屏蔽桶能产生一个几乎零磁空间,方便对磁性材料进行测量[9]。

设计的磁屏蔽桶采用内外层为铝层、中间层为高导磁坡莫合金的结构,屏蔽腔内剩磁<1nT。

2GMI 测量系统软件设计GMI 测量系统设计的程序流程如下:1)初始化,主要检查计算机与测量仪器间的通信是否正常,并将所有控件恢复到默认状态。

2)设置测量系统基本参数值,包括阻抗分析仪的参数设置、GMI 效应测量频点的设置、测量磁场范围以及该范围内测量点数的设置等。

3)对材料的参数值进行测量,首先按上一步中设置的磁场范围和该范围内测量点数控制产生一个磁场,然后在该磁场下对GMI 材料按设置的频点进行阻抗扫频测量,计算机接收测量数据后进行数据处理并且在显示图中绘制曲线。

重复以上测量步骤,直到最后一个磁场下阻抗测量完毕,最后保存所有测量数据,结束程序运行。

测量系统由LabVIEW 语言[10]编程控制,整个软件系统包括系统设置、GMI 测量、保存曲线、记录查询4个部分。

系统设置模块对测量环境参数进行初始化设置,保存曲线模块对最终的曲线图进行保存操作,记录查询模块可以通过样片编号直接查找到相应的测量数据和图形。

GMI 测量模块为软件的核心部分,该部分不同于传统的单频率单参数测量,而是采用并行处理进行测量,在不同的外部条件下同时测量材料两组不同的参数值,构建出各参数值随外磁场变化的曲线图。

依次对8个不同频率下的参数进行循环测量,根据采样次数,同一频率下的参数值测量N 次,进行均方差处理,剔除大于3倍均方差的测量值,余下的值求平均值即为最终参数的测量值。

参数1、参数2通过并行处理同时测量,将得到的值分别与磁场值进行捆绑处理,为能实时动态显示两条曲线,在for 循环里创建移位寄存器,将捆绑后得到的簇与移位寄存器创建数组,得到的参数1和磁场构成的数组即为参数1曲线,同理,参数2和磁场构成的数组即为参数2曲线。

将两数组进行创建簇数组操作,就能在XY 图里动态地观察到两个参数随磁场值变化的趋势。