磁各向异性的测量
各向异性磁阻实验报告
各向异性磁阻实验报告
《各向异性磁阻实验报告》
在这个科技飞速发展的时代，磁性材料的研究和应用变得愈发重要。
各向异性
磁阻作为一种新型磁性材料，具有许多独特的特性，因此受到了广泛关注。
为
了更深入地了解各向异性磁阻的性能和特点，我们进行了一系列实验，并撰写
了本报告。
实验一：各向异性磁阻的磁化曲线测量
我们首先对各向异性磁阻样品进行了磁化曲线测量。
通过施加外加磁场，我们
观察到了各向异性磁阻样品的磁化过程，并得到了相应的磁化曲线。
实验结果
表明，各向异性磁阻样品在外加磁场作用下呈现出明显的磁化特性，具有较高
的矫顽力和饱和磁感应强度。
实验二：各向异性磁阻的磁阻率测量
接着，我们对各向异性磁阻样品进行了磁阻率测量。
实验结果显示，各向异性
磁阻样品在不同方向上的磁阻率存在显著差异，表现出明显的各向异性特点。
这一特性使得各向异性磁阻在磁传感器和磁存储器等领域具有广泛的应用前景。
实验三：各向异性磁阻的磁滞回线测量
最后，我们进行了各向异性磁阻样品的磁滞回线测量。
实验结果表明，各向异
性磁阻样品的磁滞回线呈现出非常规的形状，具有明显的非线性特性。
这一特
点为各向异性磁阻在磁存储器和磁传感器等领域的应用提供了新的可能性。
通过以上实验，我们对各向异性磁阻的性能和特点有了更深入的了解。
各向异
性磁阻作为一种新型磁性材料，具有许多独特的特性，因此在磁存储器、磁传
感器和磁电子器件等领域具有广泛的应用前景。
我们相信，随着对各向异性磁
阻的研究不断深入，其在各种领域的应用将会得到进一步拓展和发展。
磁晶各向异性常数的测量
转矩磁强计的原理是，当样品(片状或 球状)置于强磁场中，使样品磁化到饱和。 若易磁化方向接近磁化强度的方向，则磁
易磁化方向
H 磁场
晶各向异性将使样品旋转，以使易轴与磁
化强度方向平行这样就产生一个作用在样 品上的转矩。如果测量转矩与磁场绕垂直
轴转过的角度关系，就可以得到转矩曲线，
E 是易轴与磁化强度之间的夹角 T A 如果样品的体积为V，则平衡条件为 VT=L=k1
1
00
H
易轴
Is
适当选择扭力系数k，使1在较小的范围内变化。如果磁场的转 角为(0到360度)，则=-1，由于1很小，就可简化=。
右图为一个典型的转矩曲线( 100)面， =22.50时sin4=1由转矩曲线公式 1 L( ) K1 sin 4 2 得到：K1= 2 L (22.50)~4x105dyn cmcm-3(ergcm-3)
极大 =25031‘, -0.561K1 , 极小 =70021‘,+0.210K1
c. (111)面测定
3K K K 3K K T 1 2 sin 2 1 2 sin 4 2 sin 6 16 64 4 64 8
EA
K1 K ( 2 )(1 cos 6 ) 4 108
,
T
E A K 2 sin 6 18
B.六角晶系的转矩曲线
EA Ku1 sin 2 Ku 2 sin 4
T E A 1 Ku1 Ku 2 sin 2 Ku 2 sin 4 2
2 2 EA 2 3 sin2 cos2
sin 2 2sin cos
磁各向异性的测量PPT课件
Key Lab for Magnetism and Magnetic Materials of the Ministry of Education, Lanzhou University
易磁化方向与难磁化方向 易磁化方向是能量最低的方向，所以自发磁化形成 磁畴的磁矩取这些方向，在较弱的H下，磁化就很 强甚至饱和。
Fk
K0
Fk
K0
Fe的Fk矢量图
Ni的Fk矢量图
(001)晶面内
可见立方晶体的易磁化轴可以在几个晶轴方向上，所以 立方晶体具有多易磁化轴——简称多轴各向异性。K1>0 的立方晶体叫三易磁化轴晶体；K1<0的立方晶体叫四易 磁化轴晶体。
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(二)、六角晶体的磁晶各向异性（Co晶体、BaFe12O19）
4、磁晶各向异性常数K
（用以表示单位体积内单晶体磁各向异 性的强弱）
对于立方晶体，以[100]为参考
K 1 Ms HdM Ms HdM
V 0[111]
0[100 ]
∴ Fe： K>0， Ni： K<0
对于六角晶系，以[0001]为参考：
K 1 Ms HdM Ms HdM
V 0[1010]
∴六角晶体中磁晶各向异性能一般表示为：
Fku Ku0 Ku1 sin2 Ku2 sin4 .....
只考虑与 有关项时： Fku Ku1 sin2 Ku2 sin4 .....
讨论： 1、对于Ku1>0的六角晶体
如Co单晶：Ku1 4.10105 J/m3
0，Fku 0
900 , Fku Ku1,最大
易磁化轴为[0001]轴，其正反两个方向磁晶各向异性最
小——单轴各向异性。
各向异性磁电阻的测量
各向异性磁电阻的测量摘要：本文记述了各向异性磁电阻测量实验的基本原理、操作内容。
计算了材料的AMR 值，简单探讨了温度对于磁电阻的影响，并对实验改进提出一些看法。
关键词：磁电阻 A M R 热效应一，磁电阻测量基本介绍1.1实验原理材料的磁电阻和其在磁场中的磁化方向有关，即磁阻值是其磁化方向与电流方向之间夹角的函数。
外加磁场方向与电流方向的夹角不同，饱和磁化时电阻率不一样，通常取外磁场方向与电流方向平行和垂直两种情况测量AMR 。
即有：若退磁状态下磁畴是各向同性分布的，畴壁散射变化对磁电阻的贡献较小，将之忽略，通常取：)2(3/10//⊥+=≈ρρρρav ）（然而对于大多数材料，故：avav av avav av avav ρρρρρρρρρρρρρρ//////2100∆=∆<-=∆>-=∆⊥⊥⊥AMR 定义为：00//0//ρρρρρρρ⊥⊥∆-∆=-=AMR如果，则说明该样品在退磁状态下有磁畴结构，即磁畴分布非完全各项同性。
图（1）是曾用作磁盘读出磁头和磁场传感器材料的Ni 81Fe 19的磁电阻曲线，很明显 ρ∥>ρ（０），ρ⊥<ρ（０），各向异性明显。
图中的双峰是材料的磁滞引起的。
图2是一些铁磁金属与合金薄膜的各向异性磁电阻曲线。
1.2实验仪器亥姆霍兹线圈、大功率恒流电源、大功率扫描电源、精密恒流源、数字万用表二，实验数据记录与处理：2.1，分别算出垂直与平行条件下各电流对应的磁电阻，并分别作出图像 如图1、2所示：图1图22.2，图像分析与AMR 计算a ，如图中显示，利用得到的数据，考虑到科学计数的有效位数，对应较小电流值都为2位有效数字，所以分别得到垂直与平行下的均值：0ρ⊥= 0.89Ω，0ρ = 0.90Ωb ，如图看到，磁电阻曲线并非闭合，在6.00mA - -6.00mA -6.00mA 电流变化后，垂直和平行状态下磁电阻在6.00mA 是电阻分别是：0.873，0.8770.925，0.930 （单位：Ω，保留三位有效数字） 这里我们明显的看到温度对于磁电阻的影响； 也可以也测：磁电阻随温度的升高而升高。
磁致电阻.
磁电阻测量091120***本文阐述了各向异性磁电阻的实验原理及测量方法，分别测量了电流方向与磁场方向平行和垂直两种情况下电阻虽磁场的变化，最后对本实验进行了讨论。
关键字:各向异性磁电阻，AMR曲线，四探针样品夹具，磁电阻的测量。
引言:一般所谓磁电阻是指在一定磁场下材料电阻率改变的现象。
通常将磁场引起的电阻率变化写成（H）- p（0），其中P （H）和P（0）分别表示在磁场H中和无磁场时的电阻率。
磁电阻的大小常表示为:绝大多数非磁性导体的MR很小，约为10-5%，磁性导体的MR最大约为3%〜5%,且电阻率的变化与磁场方向与导体中电流方向的夹角有关，即具有各向异性，称之为各向异性磁电阻（AMR）。
1988年，在分子束外延制备的Fe/Cr多层膜中发现MR可达50%。
并且在薄膜平面上，磁电阻是各向同性的。
人们把这称之为巨磁电阻（GMR ），90年代，人们又在Fe/Cu、Fe/Al、Fe/Ag、Fe/Au、Co/Cu、Co/Ag和Co/Au等纳米多层膜中观察到了显著的巨磁电阻效应。
1992年人们又发现在非互溶合金（如Fe、Co与Cu、Ag、Au等在平衡态不能形成合金）颗粒膜如Co-Ag、Co-Cu中存在巨磁电阻效应，在液氮温度可达55%，室温可达到20%，并且有各向同性的特点。
图12.1-1为早期报道的Co-Cu颗粒膜磁电阻曲线。
电2|十"3 <.-i I[11/(• i引国也E o. pj 忙齡产 At tr.ipt ”[J 吐理iti iri ( . -1 , *a*"哺吃婶構卜彊n iR«7 I.一 _- '■- Lljt ：||hUI hl ' b :I n.j ! \ he .\1! I I E :\ "陽石硝:「•胡* 醪[|卜環1944年，人们又发现Fe/AI2O3/Fe 隧道结在4.2K 的MR 为30%，室温达18%，见图12.1-2。
磁畴和磁晶各向异性-20160516
施加偏场H
,畴壁移动
b
施加面内场H，磁畴转动
磁化方向垂直于原子排成的直线，邻近原子的电子运动区
偏光显微镜
偏光
显微镜
直流稳压
直流偏场
电磁铁
直流偏磁场H b ＝0b 升高至磁畴全部消失
直流偏磁场H 升高降低至0，回到迷宫畴
面内场H＝0
面内场H升高
升高至磁畴全部消失
降低至0，黑白泡畴共存
升高至磁畴全部消失面内场H＝0
面内场H升高
降低至0，平行条畴
in
偏光显微镜
切泡场H
B
=(H
N
-0.32)kA/m
= (H
N -0.02)A
直流偏磁
b 直流偏磁
b
直流偏磁场H
b
升高至饱和磁化
不是形核
形核场
畴形
直流偏磁场H＝H
直流偏磁场H升高成泡场，成泡直径
外切内切
用测微目镜测量磁泡直径时，目镜中的数字读百位，鼓轮上的刻度读十位和个位。
磁化率各向异性,实验报告
磁化率各向异性,实验报告磁化率的测定实验报告华南师范大学实验报告课程名称结构化学实验实验项目磁化率的测定一、【目的要求】1．掌握古埃（Gouy）磁天平测定物质磁化率的实验原理和技术。
2．通过对一些配位化合物磁化率的测定，计算中心离子的不成对电子数．并判断d电子的排布情况和配位体场的强弱。
二、【实验原理】（1）物质的磁性物质在磁场中被磁化，在外磁场强度H(A·m-1)的作用下，产生附加磁场。
这时该物质内部的磁感应强度B为：B=H+4πI= H+4πκH (1)式中,I称为体积磁化强度，物理意义是单位体积的磁矩。
式中κ=I/H称为物质的体积磁化率。
I和κ分别除以物质的密度ρ可以得到σ和χ，σ=I/ρ称为克磁化强度；χ=κ/ρ称为克磁化率或比磁化率。
χm=Κm/ρ称为摩尔磁化率。
这些数据是宏观磁化率。
在顺磁、反磁性研究中常用到χ和χm，帖磁性研究中常用到I、σ。
物质在外磁场作用下的磁化有三种情况1．χm＜o，这类物质称为逆磁性物质。
2．χm＞o，这类物质称为顺磁性物质。
（2）古埃法测定磁化率古埃法是一种简便的测量方法，主要用在顺磁测量。
简单的装置包括磁场和测力装置两部分。
调节电流大小，磁头间距离大小，可以控制磁场强度大小。
测力装置可以用分析天平。
样品放在一个长圆柱形玻璃管内，悬挂在磁场中，样品管下端在磁极中央处，另一端则在磁(来自: 写论文网:磁化率各向异性,实验报告)场为零处。
样品在磁场中受到一个作用力。
df=κHAdH式中，A表示圆柱玻璃管的截面积。
样品在空气中称重，必须考虑空气修正，即dF=(κ-κ0)HAdHκ0表示空气的体积磁化率，整个样品的受力是积分问题：F=HH0(0)HAdH?12(0)A(H2?H0) (2) 2因H0＜＜H,且可忽略κ0，则F=1AH2 (3) 2式中，F可以通过样品在有磁场和无磁场的两次称量的质量差来求出。
F=(?m样-m空)g（4）式中，?m样为样品管加样品在有磁场和无磁场时的质量差；?m空为空样品管在有磁场和无磁场时的质量差；g为重力加速度。
实验题目磁光克尔效应测量磁各向异性
实验题目：磁光克尔效应测量磁各向异性
指导老师：吴义政
一、实验目的、意义和要求
利用磁光克尔效应测量磁性薄膜的磁信号和磁滞回线，同时确定磁性薄膜的磁各向异性随薄膜厚度的影响。
希望通过实验，学生能够了解磁光效应的原理以及实验装置，同时掌握测量各向异性的方法，对特定材料体系了解决定磁各向异性的因素。
二、参考书籍与材料
1 《凝聚态磁性物理》，姜寿亭等，科学出版社
三、实验前需了解的相关知识
原理方面的问题：
1 检偏器，1/4波片等光学元件的原理。
2法拉第效应和磁光克尔效应的原理。
实验方面的问题：
1光学光路搭建
2 光探测器原理。
四、实验室可提供的器材
磁光测量所属的光学元件、磁铁和计算机。
五、实验内容和要求
1 原理上，了解磁光测量的三种配置，了解利用磁光效应测量各向异性的原理。
2. 实验上能够搭建磁光克尔效应所用的光路，并能够调试实验到最佳状态，并探索
提高实验精度的方法。
3. 能够分析不同方向的磁矩对于磁光克尔效应的影响。
六、实验报告的要求
1实验原理；
2 介绍所组装仪器的实验原理及实验方法；
3 记录实验中出现的各种实验现象，对其进行分析、讨论；
4 记录实验数据，并对结果进行分析讨论；
5 写出本实验的总结、收获和体会。
B504实验报告模板-各向异性磁阻传感器与磁场测量
姓名
学号
教师姓名
上课日期 2016 年 月 日 教室 7 教 B 段 602 房间 座位号
（以上信息请根据网络选课页面填写完整。） 任课教师签字：
最终成绩：
【预习要点】 1. 磁阻元件的发展与应用。 2. 了解以下概念：各向异性磁铁材料，磁阻，磁阻效应，各向异性磁阻传感器（AMR）可以测量什么。 3. 重点了解磁阻传感器的构成：磁阻元件、易磁化方向、磁敏感方向、磁阻电桥。 4. AMR 测量磁场的原理。 5. 了解磁场实验仪面板，特别注意：复位端（R/S）、补偿端(OFFSET)的作用。 6. 地磁场知识：地磁倾角，地磁场感应强度。 【实验目的】（见教材）
Ux 测（V）
Bx 测=Ux/0.25(Gs)
Bx/B0
4. <表 4> 赫氏线圈空间磁场分布测量（B0=4 Gs） X
Y
Vx
0
0.05R
0.10R
0
0.05R
0.10R
0.15R
0.20R
0.25R
0.30R
0.15R
0.20R
0.25R
5. <表 5> 地磁场的测量（选作） 磁偏角（度） 磁倾角（度）
。 （3） 确定所用传感器的灵敏度平均值。 灵敏度=（输出电压/放大倍数×磁感应强度）。
L=
(mV/V·Gs)
学号
贴坐标纸处
2、对表 2，判断所测输出电压是否符合余弦规律。
。 以角度 α 为横坐标，被测电压 U 测为纵坐标作图。
贴坐标纸处
3、 对表 3 以位置 X 为横坐标，Bx 为纵坐标作图，讨论
对表3以位置x为横坐标bx为纵坐标作图讨论赫氏线圈的轴向磁场分布特点是对表4数据讨论赫氏线圈的空间磁场分布特点是贴坐标纸处贴坐标纸处贴坐标纸处实验题目如何测量磁场的大小班级姓名学号警示
各向异性磁阻实验报告
各向异性磁阻实验报告各向异性磁阻实验报告引言：各向异性磁阻是指材料在不同方向上对磁场的电阻变化程度不同。
本实验旨在通过测量不同方向上的电阻，研究各向异性磁阻现象，并分析其原理和应用。
实验步骤：1. 实验前准备：准备一块各向异性磁阻材料样品、磁场强度计、电流源和电压表。
2. 将各向异性磁阻材料样品固定在实验台上，并连接电流源和电压表。
3. 通过电流源给样品通入一定大小的电流，记录电压表的读数。
4. 在不改变电流的情况下，将磁场强度计沿不同方向移动，并记录电压表的读数。
5. 重复步骤4，直到测量完所有方向的电压。
实验结果：根据实验数据，我们可以得到各向异性磁阻材料在不同方向上的电阻值。
通过对比不同方向上的电阻值，可以观察到各向异性磁阻现象的存在。
讨论与分析：各向异性磁阻现象是由于材料内部的微观结构导致的。
在各向异性磁阻材料中，存在着一定的磁畴结构。
当外加磁场方向与磁畴结构方向一致时，磁畴边界的移动受到阻碍，电阻增加；而当外加磁场方向与磁畴结构方向垂直时，磁畴边界的移动相对容易，电阻减小。
各向异性磁阻材料由于其特殊的磁畴结构，具有广泛的应用前景。
例如，在磁存储器领域，各向异性磁阻材料被用于读写头的设计，提高数据存取速度和容量。
此外，在传感器和磁性材料领域，各向异性磁阻材料也有着重要的应用，如磁敏传感器和磁性电阻随动器等。
各向异性磁阻的研究还涉及到材料的制备和性能优化。
通过调控材料的成分、晶体结构和磁畴结构，可以实现各向异性磁阻材料的定制化设计，以满足不同领域的需求。
结论：通过本次实验，我们成功地观察到了各向异性磁阻现象，并了解了其原理和应用。
各向异性磁阻材料在磁存储、传感器和磁性材料等领域具有广泛的应用前景。
进一步的研究和开发将有助于推动各向异性磁阻技术的发展。
致谢：感谢实验指导老师的悉心指导，使我们能够顺利完成本次实验。
同时，也感谢实验室的同学们在实验过程中的帮助与支持。
参考文献：[1] 张三, 李四. 各向异性磁阻材料的研究进展[J]. 物理学报, 2020, 69(8): 080101.[2] Wang, Y., & Li, S. (2019). Anisotropic magnetoresistance in magnetic tunnel junctions. Journal of Applied Physics, 125(5), 051101.。
用于地磁测量的各向异性磁阻传感器研究
华中科技大学硕士学位论文用于地磁测量的各向异性磁阻传感器研究姓名：王帅英申请学位级别：硕士专业：微电子学与固体电子学指导教师：杨晓非20080530华中科技大学硕士学位论文摘要地球磁场作为地球的基本资源之一，与人类生活、生产息息相关，它在地球科学、航空航天、资源探测、交通通讯、国防建设、地震预报等方面都有着重要的应用。
鉴于地磁场的重要应用价值，人们对地磁场的测量提出了更高的要求和希望。
选择或者设计一种符合地磁测量要求的弱磁传感器是问题的关键。
由于各向异性磁阻传感器具有高灵敏度、高可靠性、良好线性性、低功耗、易于微型化等优点，因而改进或者优化各向异性磁阻传感器的性能使其满足地磁测量的要求具有一定的现实意义。
本文以各向异性磁阻传感器（AMR sensor）作为研究对象，结合地磁测量的相关要求，对各向异性磁阻效应原理以及各向异性磁阻传感器的薄膜制备、器件结构设计、器件制备工艺等方面的内容进行了研究和探讨，主要内容包括以下几个方面：首先，在分析了各向异性磁阻效应原理的基础上，综述了各向异性磁阻材料的研究现状，并结合地磁场的特点，讨论了各向异性磁阻传感器的特性参数以及用于地磁测量的优势和挑战。
其次，在传感器材料方面，本文采用磁控溅射的方法制备了AMR薄膜，分别对膜层结构、薄膜厚度、退火温度等因素进行了研究。
利用NiFeCr或Al2O3作为辅助种子层、退火工艺对薄膜性能进行了优化，分析并讨论了材料本身和工艺方面对实验结果的影响。
实验制备出磁阻曲线光滑且峰值明显的磁阻材料，最大磁阻系数为1.5%。
最后，在器件结构方面，本文分别对惠斯通电桥、barber 电极、置位/复位电流带和偏置电流带等结构的设计思路进行了研究和探讨，然后利用L-edit设计了磁阻单元、惠斯通电桥和置位/复位电流带的掩膜版，讨论并梳理了器件制备的工艺流程。
关键词：地磁场各向异性磁阻传感器坡莫合金（Ni83Fe17）89Cr11 Al2O3华中科技大学硕士学位论文AbstractAs one of the important earth resources, the geomagnetic field is closely linked with the modern production and life. It is needed for many aspects such as the geosciences, aeronautics, astronautics, resource probing, transportation, national defense construction, earthquake prediction and so forth. However all the above mentioned are based on weak magnetic sensors to detect the geomagnetic field which changes with time and space. The anisotropic magnetoresistive sensor (AMR sensor) has the merits of high sensitivity, high reliability, good linearity, low power consumption, easy miniaturization and so on. Therefore, it is very important to improve or optimize the performances of the AMR sensor to satisfy the requirements of geomagnetic measurement. In regard to the requirements to detect the geomagnetic field, the principles, the material and the structures of the anisotropic magnetoresistive sensors were studied in the thesis. The main contents are as follows:Firstly, with the principle of the anisotropic magnetoresistance effect, current research progress of the anisotropic magnetoresistance material was introduced. Then based on the characteristics of geomagnetic field, the pros and cons of the application of AMR sensors in the geomagnetic field measurement were discussed.Secondly, the anisotropic magnetoresistance films (Permalloy films) were prepared with magnetron sputtering method. And their structure, thickness and annealing temperature were studied. The Permalloy films were optimized with NiFeCr or Al2O3 as assisted seed layers and annealing technique. Measurement showed that the magnetoresistance curve of the material was quite smooth, and obvious peaks were found. The best magnetoresistance coefficient (R/ R) of the material reached a maximum of 1.5%.In the last chapter, the structure of the AMR sensor, including the wheatstone bridge, barber pole and current strap was investigated, and the lithography masks were designed with L-edit, also the process for the devices preparation and lithography process were stated.Keywords: Geomagnetic field Anisotropic magnetoresistive sensorPermalloy film （Ni83Fe17）89Cr11Al2O3独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
电磁辐射场各向异性的判定
电磁辐射场各向异性的判定
电磁辐射场各向异性是指电磁辐射场分布存在垂直于波面的各种变化规律的散射特性。
它的存在可以帮助我们判断电磁波的方向，也可以进一步分析电磁辐射场的各种形态状况。
电磁辐射场的各向异性判定一般有三种方法：单点测量法、场数据测量法和场数据旋转法。
单点测量法是在任意方向上以固定步距（步长）测量电磁波的分布，根据测试结果映射成图形，在垂直于波面变化规律中判断是否存在各向异性。
场数据测量法是以某一特定方向为准点，测量电磁波分布在每个方向的数据，将测量的数据信号的变化情况做成柱状图，从中看出是否存在各向异性。
场数据旋转法是将在某一特定方向收集的各向异性电磁波的
相位关系，通过运算和计算，求出改变波源的实际方向和虚部，从而得出电磁辐射场是否
存在各向异性的判断结果。
每种判断方法都有它自身优势和弱点，如单点测量法准确性不如场数据测量法和场数据旋转法，但对于复杂电磁场的分析和调试，单点测量法仍有很大用处，可以给出大致的各向异性信息，作为后续深入分析和调试的参考。
场数据测量法比较简便，可以更好地发现并
分析电磁波的各向异性，可以提供准确的结果，但需要测量的数据更多，较为复杂；而场
数据旋转法最根本精确，无需测量数据，但比较耗时间。
因此，判断电磁辐射场是否存在各向异性不仅要看选择什么判断方法，还要看现场测量条件、环境噪声及采样数据精确度等因素的影响。
如果想要准确判断电磁辐射场的各向异性，还需要对现场环境因素、测量场地大小、波源形状等进行详细考虑和深入分析。
各向异性磁阻传感器与磁场测量
图5-10-1磁阻电实验5-10 各向异性磁阻传感器与磁场测量物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应，磁阻传感器利用磁阻效应制成。
磁场的测量可利用电磁感应，霍耳效应，磁阻效应等各种效应。
其中磁阻效应法发展最快，测量灵敏度最高。
磁阻传感器可用于直接测量磁场，如弱磁场测量，地磁场测量，各种导航系统中的罗盘，计算机中的磁盘驱动器，各种磁卡机等等。
磁阻传感器也可通过磁场变化测量其它物理量，如利用磁阻效应已制成各种位移、角度、转速传感器，各种接近开关，隔离开关，广泛用于汽车，家电及各类需要自动检测与控制的领域。
磁阻元件的发展经历了半导体磁阻（MR ），各向异性磁阻（AMR ），巨磁阻（GMR ），庞磁阻（CMR ）等阶段。
本实验研究AMR 的特性并利用它对磁场进行测量。
【实验目的】1． 了解AMR 的原理并对其特性进行实验研究。
2． 测量赫姆霍兹线圈的磁场分布。
3． 测量地磁场。
【实验原理】各向异性磁阻传感器AMR（AnisotropicMagneto-Resistivesensors ）由沉积在硅片上的坡莫合金（Ni80 Fe20）薄膜形成电阻。
沉积时外加磁场，形成易磁化轴方向。
易磁化轴是指各向异性的磁体能获得最佳磁性能的方向，也就是无外界磁干扰时磁畴整齐排列方向。
铁磁材料的电阻与电流和磁化方向的夹角有关，电流与磁化方向平行时电阻R max最大，电流与磁化方向垂直时电阻R min最小，电流与磁化方向成θ角时，电阻可表示为：R = R min＋(R max－R min)cos2θ（5-10-1）在磁阻传感器中，为了消除温度等外界因素对输出的影响，由4个相同的磁阻元件构成惠斯通电桥，结构如图5-10-1所示。
图5-10-1中，易磁化轴方向与电流方向的夹角为45度。
理论分析与实践表明，采用45度偏置磁场，当沿与易磁化轴垂直的方向施加外磁场，且外磁场强度不太大时，电桥输出与外加磁场强度成线性关系。
无外加磁场或外加磁场方向与易磁化轴方向平行时，磁化方向即易磁化轴方向，电桥的4个桥臂电阻阻值相同，输出为零。
各向异性磁电阻、巨磁电阻测量
各向异性磁电阻、巨磁电阻测量1. 实验目的(1) 初步了解磁性合金的AMR，多层膜的GMR，掺碱土金属稀土锰氧化物的CMR；(2) 初步掌握室温磁电阻的测量方法。
2.实验原理2.1 各向异性磁电阻(AMR)一些磁性金属和合金的AMR与技术磁化相对应，即与从退磁状态到趋于磁饱和过程的电阻变化相对应。
外加磁场与电流方向的夹角不同，饱和磁化时的电阻率不一样，即有各向异性。
通常取外磁场方向与电流方向平行和垂直两种情况测量AMR，即有∆ρ∥=ρ∥−ρ(0)和∆ρ⊥=ρ⊥−ρ(0)。
若退磁状态下磁畴是各向同性分布的，畴壁散射变化对磁电阻的贡献较小，将之忽略，则ρ(0)与平均值ρav=ρ∥+2ρ⊥3相等。
大多数都有材料ρ∥>ρ(0)。
AMR通常定义为AMR=ρ∥−ρ⊥ρ(0)(1)如果ρ0≠ρav，则说明该样品在退磁状态下有磁畴织构，即磁畴分布非完全各向同性。
2.2 多层膜的巨磁电阻(GMR)巨磁电阻效应首次在Fe/Cr多层膜中发现，其室温下的MR约11.3%，4.2K时约为42.7%；Co/Cu多层膜室温MR可达60%~80%，远大于AMR，故称为巨磁电阻。
其特点为：(1) 数值比AMR大得多。
(2) 基本上为各向同性。
(3) 多层膜磁电阻按传统定义MR=ρH−ρ(0)ρ(0)×100%是负值，恒小于100%；常采用另一定义GMR=ρ0−ρ(H)ρ(H)×100%，用此定义数值为正，且可大于100%。
(4) 无外磁场时，多层膜相邻铁磁层磁化反平行排列，电阻最大；加外磁场后，各层磁化平行排列，电阻最小。
(5) 多种磁性材料多层膜都有GMR，但并不是所有多层膜都有大的磁电阻。
2.3掺碱土金属稀土锰氧化物的庞磁电阻(CMR)到目前为止，对RE1−x T x MnO3(RE=La，Pr，Nd，Sm；T=Ca，Sr，Ba，Pb)，在x=0.2~0.5范围内都观测到CMR和铁磁性。
其CMR的特点为：(1) 数值远大于多层膜的GMR。
一种检测铁磁材料应力的磁各向异性方法
㊀２０２０年㊀第４期仪表技术与传感器Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ２０２０㊀Ｎｏ ４㊀基金项目：河北省高等学校科学技术研究项目（Ｚ２０１９０１７）；中央高校基本科研业务费青年教师资助计划项目（Ｚ２０１９０１７）；国家重点研发计划项目（２０１８ＹＦＣ１５０３８０１）收稿日期：２０１９－０８－２４一种检测铁磁材料应力的磁各向异性方法邱忠超１，张瑞蕾２，李立新１，于瑞红１，杨敬松１（１．防灾科技学院电子科学与控制工程学院，河北廊坊㊀０６５２０１；２．防灾科技学院应急管理学院，河北廊坊㊀０６５２０１）㊀㊀摘要：对工程中广泛使用的铁磁材料进行应力检测与评估，一直都是无损检测领域研究的重点与难点㊂针对铁磁构件应力至今仍难以有效检测的问题，提出采用基于逆磁致伸缩效应的磁各向异性方法对铁磁构件应力进行检测㊂基于铁磁材料的逆磁致伸缩效应，研制了一种四足探头磁各向异性传感器，并通过１６ＭｎＲ钢平板试件单向静载拉伸实验，对传感器的有效性进行验证㊂结果表明，磁各向异性四足探头传感器可以有效检测１６ＭｎＲ钢平板试件的应力集中位置，且应力与磁信号存在较好的的线性相关性，这为铁磁构件的应力检测提供了一条新思路㊂关键词：磁各异性法；逆磁致伸缩效应；应力检测；四足探头中图分类号：ＴＧ１１５．２８㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０２０）０４－００９４－０４ＭａｇｎｅｔｉｃＡｎｉｓｏｔｒｏｐｙＭｅｔｈｏｄｆｏｒＤｅｔｅｃｔｉｎｇＳｔｒｅｓｓｏｆＦｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓＱＩＵＺｈｏｎｇ⁃ｃｈａｏ１，ＺＨＡＮＧＲｕｉ⁃ｌｅｉ２，ＬＩＬｉ⁃ｘｉｎ１，ＹＵＲｕｉ⁃ｈｏｎｇ１，ＹＡＮＧＪｉｎｇ⁃ｓｏｎｇ１（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＤｉｓａｓｔｅｒＰｒｅｖｅｎｔｉｏｎ，Ｌａｎｇｆａｎｇ０６５２０１，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｍｅｒｇｅｎｃｙＭａｎａｇｅｍｅｎｔ，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＤｉｓａｓｔｅｒＰｒｅｖｅｎｔｉｏｎ，Ｌａｎｇｆａｎｇ０６５２０１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｔｒｅｓｓｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｈａｓａｌｗａｙｓｂｅｅｎｔｈｅｆｏｃｕｓａｎｄｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙｏｆｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｎｏｎ⁃ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅｔｅｓｔｉｎｇ．Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｔｈａｔｔｈｅｓｔｒｅｓｓｏｆｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｍｅｍｂｅｒｓｉｓｓｔｉｌｌｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｄｅｔｅｃｔｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃａｎｉｓｏｔｒｏｐｙｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｉｎｖｅｒｓｅｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅｅｆｆｅｃｔｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｔｏｄｅｔｅｃｔｔｈｅｓｔｒｅｓｓｏｆｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｍｅｍｂｅｒｓ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｉｎｖｅｒｓｅｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅｅｆｆｅｃｔｏｆｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓ，ａｆｏｕｒ⁃ｌｅｇｇｅｄｐｒｏｂｅｍａｇ⁃ｎｅｔｉｃａｎｉｓｏｔｒｏｐｙｓｅｎｓｏｒｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ，ａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒｗａｓｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙａｏｎｅ⁃ｗａｙｓｔａｔｉｃｌｏａｄｔｅｎｓｉｌｅｔｅｓｔｏｆ１６ＭｎＲｓｔｅｅｌｆｌａｔｓｐｅｃｉｍｅｎｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃａｎｉｓｏｔｒｏｐｙｆｏｕｒ⁃ｆｏｏｔｐｒｏｂｅｓｅｎｓｏｒｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｄｅｔｅｃｔｔｈｅｓｔｒｅｓｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆ１６ＭｎＲｓｔｅｅｌｆｌａｔｓｐｅｃｉｍｅｎｓ，ａｎｄｔｈｅｒｅｉｓａｇｏｏｄｌｉｎｅａｒｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｓｔｒｅｓｓａｎｄｍａｇｎｅｔｉｃｓｉｇｎａｌ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｓａｎｅｗｉｄｅａｆｏｒｓｔｒｅｓｓｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍａｇｎｅｔｉｃａｎｉｓｏｔｒｏｐｙｍｅｔｈｏｄ；ｉｎｖｅｒｓｅｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅｅｆｆｅｃｔ；ｓｔｒｅｓｓｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｆｏｕｒ⁃ｌｅｇｇｅｄｐｒｏｂｅ０㊀引言在工作载荷作用下，机械装备关键零部件在役过程中由微观缺陷引发的应力集中是诱发结构失效，导致安全事故发生的重要原因㊂对关键零部件进行现场检测，及时准确找出应力集中部位，对机械装备状态进行准确评估，进而避免造成重大事故，具有重要应用价值［１－２］㊂磁测应力方法是近几年得到快速发展的无损检测方法，因其独有的特点和生命力成为各国学者的研究热点㊂现行的几种磁测应力方法包括金属磁记忆法㊁磁巴克豪森噪声法㊁应力致磁各向异性方法等，这些方法都是基于应力在磁化场作用下表现出的力磁效应原理［３－４］㊂然而，磁记忆检测方法可定性检测，却达不到定量检测的目的，且表现为一定的随机性，可靠性较差；磁巴克豪森噪声方法有效测量范围较小，且干扰因素较多㊂磁各向异性方法是近年来发展起来的新技术，目前在该技术的研究与应用方面已取得了一定进展，但多数仍停留在理论与实验研究阶段［５－６］㊂针对铁磁构件应力至今仍难以有效检测的问题，提出采用基于逆磁致伸缩效应的磁各向异性方法对铁磁构件应力进行检测㊂基于铁磁材料的逆磁致伸缩效应，研制了一种四足探头磁各向异性传感器，并㊀㊀㊀㊀㊀第４期邱忠超等：一种检测铁磁材料应力的磁各向异性方法９５㊀㊀通过１６ＭｎＲ钢平板试件单向静载拉伸实验，对传感器的有效性进行验证㊂１㊀磁各向异性检测应力原理铁磁材料的磁化状态随其形状㊁大小等结构变化而发生变化的现象称为磁致伸缩效应㊂反之，铁磁材料在压力㊁拉力或扭转力等外力状态下，其磁化强度发生变化的现象称为逆磁致伸缩效应［７－８］㊂在这种情况下，铁磁材料产生基于逆磁致伸缩效应的磁各向异性，应力或应变状态的变化将会引起铁磁材料磁导率或磁阻发生变化㊂在向磁各向异性传感器提供稳恒的磁激励条件下，磁路中磁阻的变化将引起磁通的变化，传感器检测线圈感应出感生电动势的改变将反映这种变化，从而可将非电量的应力应变转换成可以测量的电量，达到应力检测的目的［９－１０］㊂这就是利用逆磁致伸缩效应测量应力的基本原理，即ＦңΔσңΔμңΔＲｍңΔＶ式中：Ｆ为外力；Δσ为应力变化量；Δμ为铁磁材料磁导率的变化量；ΔＲｍ为磁路中磁阻的变化量；ΔＶ为传感器输出电压的变化量㊂以磁各向异性四足探头传感器为例，其基本结构如图１所示㊂探头铁芯为圆柱形锰锌铁氧体，四足磁极呈对称分布，其中，１和３为激励线圈，通高频交流电；２和４为检测线圈，用来输出感应信号㊂图１㊀磁各向异性四足探头传感器当铁磁材料没有应力作用时，材料呈现磁各向同性，每个磁芯处于同一磁位点上，检测线圈输出感应信号为０，如图２（ａ）所示㊂当铁磁材料受应力作用时，此时受应力方向和垂直受应力方向呈现磁各向异性，表现为两个方向的磁导率不同，导致两检测线圈中的阻抗不同，进而在检测线圈中产生感应电压，如图２（ｂ）所示，此时输出的电压信号与应力成线性关系，即Ｖ＝Ｋσ式中Ｋ为灵敏系数㊂若应力方向与探头方向成θ角，则电压信号为Ｖ＝Ｋσｃｏｓ２θ若试件受两个相互垂直的主应力σ１和σ２作用，且探头方向与σ１方向成θ角，则电压为Ｖ＝Ｋ（σ１－σ２）ｃｏｓ２θ式中σ１－σ２为一点的主应力差㊂㊀（ａ）磁极对称㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀（ｂ）磁极不对称图２㊀磁探头磁极分布示意图这就是磁各向异性检测应力原理，根据的模型是主应力法，利用磁探头的输出电压既可以检测应力大小也可检测应力的方向［１１－１２］㊂２㊀磁各向异性检测实验２．１㊀检测系统磁各向异性检测系统如图３所示，系统由信号发生器㊁励磁传感器㊁被测试件㊁感应传感器㊁信号滤波放大电路㊁示波器等组成㊂其中，由信号发生器与励磁传感器构成的励磁系统主要用于产生稳恒的激励磁场；感应传感器用于接收由于电磁感应而产生的随外载荷变化而改变的电动势；信号滤波㊁放大电路构成的信号处理系统，对接收到的信号进行滤波㊁放大㊂图３㊀磁各向异性检测系统示意图磁各向异性检测探头一般由激励线圈㊁检测线圈㊁导磁磁芯组成，原理示意图如图４（ａ）所示㊂考虑到工作频率下具有较高的磁导率，并且市场上已有成型的用于制作电感或小型变压器的铁氧体磁棒㊁磁环，这样可根据需要设计和调整探头的形式，四足探头分布如图４（ｂ）所示㊂探头结构由铝质外壳㊁锰锌铁氧体磁环㊁锰锌铁氧体磁芯及尼龙定位薄片构成，如图４（ｃ）所示㊂激励线圈和检测线圈成对出现，所对应的引出线通过磁环中间的小孔引出，最后在外壳的尾部集中引出所有的信号线㊂外壳采用非导磁性材料，既起到支撑防护作用又不会对检测产生不利影响㊂由图４可知，四足探头一对激励线圈垂直于一对感应线圈，即Ｅ１－Ｅ２连线垂直于Ｐ１－Ｐ２连线，感应电压极性线圈方向反接，这表示电势相差㊂考虑到检测线圈的尺寸及铁氧体磁芯的大小，选用直径为０．２０ｍｍ㊀㊀㊀㊀㊀９６㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＡｐｒ２０２０㊀（ａ）探头原理示意图（ｂ）四足探头分布㊀（ｃ）四足探头实物图４㊀磁各向异性检测探头的漆包线绕制激励线圈，共缠绕１５０匝；选用０．０５ｍｍ的漆包线绕制检测线圈，共缠绕４００匝㊂２．２㊀检测实验实验采用１６ＭｎＲ钢，属于铁素体－珠光体微观结构的低合金钢，硬度低㊁延展性好，变形容易产生应力集中，对于研究疲劳损伤具有较好的效果，其抗拉强度为５４９．９ＭＰａ，屈服强度为３９８．０ＭＰａ㊂参照力学拉伸标准，将厚度为４ｍｍ的１６ＭｎＲ钢板加工制作成长ˑ宽为４００ｍｍˑ５０ｍｍ的平板试件，如图５所示㊂图５㊀试件结构图把平板试件装夹在静载拉伸机上沿长度方向进行静载拉伸，四足探头传感器紧贴在试件表面，并尽量减少中间的空隙㊂实验过程中，拉力从０ｋＮ开始到最大３２ｋＮ，每隔２ｋＮ对试件进行静载拉伸㊂每步应力加载到位后，保持应力在载状态，以每间隔１５ʎ旋转四足探头传感器进行３６０ʎ测量，之后再调整拉伸机加载至下一步应力值㊂其中，每次角度旋转到位后，先对试件进行消磁处理，再进行重新磁化，每次磁化停留１ｍｉｎ，以保证试件内部磁畴充分响应㊂３㊀实验结果分析与讨论四足探头是利用两个成对检测足间的磁势来进行应力检测的㊂当试件处于静载拉伸载荷时，铁磁材料呈现磁各向异性时，导致激励线圈的左右磁导率或磁阻不对称，即在应力位置出现磁势失稳，两个检测足间有磁通经过㊂当检测频率为１０ｋＨｚ，线圈激励电压为６Ｖ时，输出电压幅值随拉伸载荷的变化如图６所示㊂其中，角度１和角度２为测量时探头的周向位置，拉伸方向为上下垂直方向㊂图６㊀四足探头不同拉力作用下测量结果由图６可知，四足探头分别使用了垂直和水平两种测量角度㊂测量开始阶段，测量结果几乎相等，随着拉力变大，出现了相反的走势，且相对于初始测量值基本对称，超过２５ｋＮ后，趋于平衡；说明拉伸前未受力的铁磁试件磁各向同性状态较好，随着单轴拉力作用，这种状态逐渐向各向异性状态转变且逐步增大㊂既然在拉伸作用下试件产生磁各向异性，并随拉伸载荷增加而变大，那么某一点使用探头在不同角度方向测量结果就应该有所不同㊂图７为四足探头在两种载荷作用下，探头３６０ʎ旋转测量的结果，由图７可知，测量结果具有周期性，且周期性为１８０ʎ㊂考虑试件的沿各个方向磁导率分布，对某一点取对称点的局部范围内，磁导率基本相同，当探头旋转１８０ʎ时，理论上测量结果相同，由于测量间隙㊁重复度㊁采集等误差作用会导致一些偏差㊂对于图７（ｂ），因为采集的峰峰值全部为正；可以通过处理，用测量值减去初始值（即初始标定值），最后测量电压随检测角度的变化类似于一个正弦曲线㊂４㊀结论针对铁磁构件应力至今仍难以有效检测的问题，提出采用基于逆磁致伸缩效应的磁各向异性方法对铁磁构件应力进行检测㊂基于铁磁材料的逆磁致伸缩效应，研制出一种磁各向异性四足探头传感器，并通过对１６ＭｎＲ钢平板试件单向静载拉伸实验对其有效性进行验证㊂结果表明，磁各向异性四极探头传感器可以有效检测１６ＭｎＲ钢平板试件的应力集中位置，且应力与磁信号存在较好的的线性相关性，这为铁磁构件应力检测提供了一条新思路㊂㊀㊀㊀㊀㊀第４期邱忠超等：一种检测铁磁材料应力的磁各向异性方法９７㊀㊀（ａ）极坐标（ｂ）直角坐标图７ 四足探头不同频率㊁不同拉力时周向测量结果参考文献：［１］㊀ＬＩＨＭ，ＣＨＥＮＺＭ．Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｎｏｎ⁃ｕｎｉｆｏｒｍｓｔｒｅｓｓｅｓａｎｄｒｅｓｉｄｕａｌｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎｓｕｎｄｅｒｇｅｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｓ［Ｊ］．ＡＩＰＡｄｖａｎｃｅｓ，２０１６，６（７）：０７５３０９．［２］㊀张富臣，李红梅，景宗福，等．铁磁钢材应力致磁各向异性定量检测特性研究［Ｊ］．华中科技大学学报（自然科学版），２０１９，４７（５）：２２－２６．［３］㊀郝晨，丁红胜．磁测法检测残余应力的特点与适应性［Ｊ］．物理测试，２０１７，３５（６）：２５－２９．［４］㊀刘海顺．基于磁各向异性特性应力测试的理论与方法研究［Ｄ］．徐州：中国矿业大学，２００８．［５］㊀赵洲．焊接残余应力磁各向异性九探头检测方法与实验研究［Ｄ］．北京：北京化工大学，２０１２．［６］㊀文西芹，宁晓明．磁各向异性应力检测及其模型研究［Ｊ］．连云港化工高等专科学校学报，２００２，１５（１）：３２－３５．［７］㊀ＩＳＯＮＯＴ，ＡＢＵＫＵＳ．Ｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｂｙｍｅａｎｓｏｆｍａｇｎｅｔｉｃｐｒｏｂｅｗｉｔｈｎｉｎｅｌｅｇｓ［Ｊ］．Ｊ．ＮＤＩ，１９８９，３８（３）：２５３－２５６．［８］㊀谢大吉，冯升波，王增梅，等．双向载荷作用下试件应力分布的理论和实验分析［Ｊ］．实验力学，１９９７（１）：１３９－１４４．［９］㊀刘开绪，段玉波．铁磁材料单向应力无损检测实验研究［Ｊ］．力学与实践，２０１５，３７（２）：２２７－２３１．［１０］㊀曾杰伟，苏兰海，徐立坪，等．逆磁致伸缩效应钢板内应力检测技术研究［Ｊ］．机械工程学报，２０１４，５０（８）：１７－２２．［１１］㊀石延平，张永忠．六磁极差动式逆磁致伸缩效应应力传感器的设计［Ｊ］．仪器仪表学报，２００４（２）：１８３－１８６．［１２］㊀ＬＩＨＭ，ＣＨＥＮＨＥ，ＹＵＡＮＺＳ，ｅｔａｌ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓｏｆｄａｍ⁃ａｇｅ⁃ｉｎｄｕｃｅｄｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎｓｂｅｔｗｅｅｎａｕｓｔｅｎｉｔｉｃｓｔａｉｎｌｅｓｓａｎｄｃａｒｂｏｎｓｔｅｅｌ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＥｌｅｃｔｒｏ⁃ｍａｇｎｅｔｉｃｓａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃｓ，２０１４，４６：９９１－９９６．作者简介：邱忠超（１９８７ ），博士，讲师，研究方向为电磁无损检测㊁灾害监测技术与仪器㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｑｉｕｚｃ１９８７＠１６３．ｃｏｍ通讯作者：张瑞蕾（１９８６ ），博士，讲师，主要从事应急技术与管理㊁灾害监测技术与仪器相关研究㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｒｌ４２０＠１６３．ｃｏｍ（上接第９３页）ＰＩＤ算法具有更好的动态性能和抗干扰能力，可以有效抵抗外界干扰信号以及三轴稳定平台自身的框架耦合影响㊂参考文献：［１］㊀蒋孝勇，李锡广，安永泉，等．基于微小型稳定平台的ＭＥＭＳ陀螺信号调理电路设计与测试［Ｊ］．电子器件，２０１８，４１（２）：３５１－３５５．［２］㊀张晓峰，张加书，包旭馨，等．基于Ｋａｌｍａｎ滤波器的ＭＥＭＳ陀螺随机误差分析与建模补偿［Ｊ］．电子器件，２０１８，４１（３）：７３０－７３３．［３］㊀于爽，付庄，赵辉，等．三轴惯性平台耦合问题研究［Ｊ］．机械科学与技术，２０１０，２９（６）：８３２－８３５．［４］㊀唐博．高速三轴转台的控制技术研究［Ｄ］．北京：北京理工大学，２０１６．［５］㊀董期林．三轴陀螺稳定平台的惯量耦合问题研究［Ｊ］．航空精密制造技术，２００７（６）：１７－１８＋９．［６］㊀张云超，刘昆．三框架惯性稳定平台动力学分析［Ｊ］．硅谷，２０１１（２０）：１４５－１４７．［７］㊀梅志千，杨汝清，周兵，等．平面三自由度并联机构的惯性力平衡［Ｊ］．机械科学与技术，２００３（６）：９６８－９７０．［８］㊀刘光星，贺刚，张毅．模糊ＰＩＤ控制在电机调速系统中的应用［Ｊ］．电子测试，２０１９（２）：２１－２３．［９］㊀于文妍，杨坤林．四旋翼无人机串级模糊自适应ＰＩＤ控制系统设计［Ｊ］．机械设计与制造，２０１９（１）：２２７－２３１．［１０］㊀卢勇威，黄良永．基于模糊ＰＩＤ的单连杆旋转机器人鲁棒控制［Ｊ］．微特电机，２０１７，４５（１０）：５３－５６．［１１］㊀张建学．基于四旋翼无人机模糊ＰＩＤ控制系统研究［Ｊ］．电子测试，２０１９（７）：２４－２５．［１２］㊀叶金鑫．基于模糊ＰＩＤ的智能小车控制算法研究［Ｊ］．实验科学与技术，２０１６，１４（１）：４６－４７．作者简介：徐文武（１９９５ ），硕士研究生，主要从事惯性仪器仪表，稳定平台设计等方面的研究工作㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｘｕｗｅｎｗｕ１４０８＠１６３．ｃｏｍ李孟委（１９７５ ），副教授，主要开展新原理ＭＥＭＳ惯性传感器及导航研究，专注于ＭＥＭＳ陀螺研究㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｌｍｗｐｒｅｗ＠１６３．ｃｏｍ。
磁各向异性
[100]：1=1,2=0, 3=0
EA=0
[110]： 1 0,2 3 1/ 2 EA=K1/4
y [111]：1 2 3 1/ 3 EA=K1/3+K2/27
Fe: K1=4.72x104Jm-3 Ni: K1=-5.7x103Jm-3
K2=-0.075x104Jm-3
K2=-2.3x103Jm-3
Wij 2JSi S j 2JS 2 cos 其中，为S自旋的大小，而是Si 和Sj 间的夹 角。右图自旋从a旋转到b所有自旋保持平行，因 而=0,交换能没有改变。故交换能是各向同性。
要解释磁晶各向异性，必须考虑含有晶轴的 能量项。如果假设自旋与原子連线的夹角为， 则自旋对的能量经勒让德多项式展开为
磁晶各向异性与磁致伸缩
一、磁晶各向异性 二、磁晶各向异性常数的测量方法 三、磁晶各向异性的机理 四、磁致伸缩 五、磁致伸缩的机理 六、磁致伸缩的测量方法 七、感生磁各向异性 八、非晶态
一、磁晶各向异性
序言：在磁性物质中，自发磁化主要来源于自旋间的交 换作用，这种交换作用本质上是各向同性的，如果没有附 加的相互作用存在，在晶体中，自发磁化强度可以指向任 意方向而不改变体系的内能。 实际上在磁性材料中:自发磁化强度总是处于一个或几个特 定方向，该方向称为易轴。当施加外场时，磁化强度才能 从易轴方向转出，此现象称为磁晶各向异性。
w(cos) g l(cos2 1) q(cos4 6 cos2 3 ) ......
3
7
35
w(cos) g l(cos2 1) q(cos4 6 cos2 3 ) ......
3
7
35
第一项与无关，对应于交换相互作用，第二项称为偶极相互作
用，因为若系数是
各向异性磁电阻测量_南京大学
实验10.1 各向异性磁电阻测量某某大学物理学院一、实验目的〔1〕初步了解磁性合金的各向异性磁电阻〔AMR 〕；〔2〕初步掌握室温磁电阻的测量方法。
二、实验原理一些磁性金属和合金的AMR 与技术磁化相对应，即与从退磁状态到趋于磁饱和的过程相应的电阻变化。
外加磁场方向与电流方向的夹角不同，饱和磁化时电阻率不一样，即有各向异性。
通常取外磁场方向与电流方向平行和垂直两种情况测量AMR 。
即有(0)ρρρ=-与(0)ρρρ⊥⊥=- 。
假如退磁状态下磁畴是各向同性分布的，畴壁散射变化对磁电阻的贡献较小，将之忽略，如此//(0)1/3(2)av ρρρρ⊥≈=+ 。
对于大多数材料(0)ρρ>，故0012av av avav av avav avρρρρρρρρρρρρρρ⊥⊥⊥-=>-=<=-AMR 常定义为：000AMR ρρρρρρρ⊥⊥-∆∆==- 如果0av ρρ≠，如此说明该样品在退磁状态下有磁畴结构，即磁畴分布非完全各项同性。
图1是曾用作磁盘读出磁头和磁场传感器材料的Ni 81Fe 19的磁电阻曲线，很明显(0)ρρ>，(0)ρρ⊥<，各向异性明显。
图中的双峰是材料的磁滞引起的。
图2是一些铁磁金属与合金薄膜的各向异性磁电阻曲线。
图1 Ni 81Fe 19薄膜的磁电阻曲线图2一些铁磁金属与合金薄膜的AMR 曲线，实线和曲线分别表示横向和纵向的磁电阻二、实验仪器亥姆霍兹线圈、大功率恒流电源、大功率扫描电源、精细恒流源、数字微伏表、四探针样品夹具。
四、实验内容1. 方法〔1〕将样品切成窄条，这在测AMR 时是必需的。
对磁性合金薄膜，饱和磁化时，样品电阻率有如下关系：20()cos ρθρρθ=+∆其中θ是磁场方向与电流方向的夹角。
为保证电流有一确定方向，常用的方法是：①将样品刻成细线，使薄膜样品的宽度远远小于长度。
②用平行电极，当电极间距远小于电极长度时，忽略电极端效应，认为两电极间的电流线是平行的。
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CoO薄膜
Co
• 感生磁各向异性：
包Co粒子
许多铁磁性合金与铁氧体中，通过对磁体施以某种
方向性处理的工艺，可以感生出磁各向异性。
感生各向异性又可分为：
感生各向异性
• 辐照感生各向异性
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∴可将B3、B5项并入B0及B6项 最后，立方晶体的磁晶各向异性能
易磁化方向与难磁化方向
易磁化方向是能量最低的方向，所以自发磁化形成 磁畴的磁矩取这些方向，在较弱的H下，磁化就很 强甚至饱和。
易磁化轴与难磁化轴： Fe：易轴 [100]，难轴 [111] Ni： 易轴 [111]，难轴 [100] Co：易轴 [0001]，难轴 [1010]
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2、磁化功——铁磁体磁化时所需要的磁化能
沿铁磁晶体不同的晶轴方向上，磁化到饱和时 所需要的磁化能不同：
W Ms HdM 0
3、磁晶各向异性能
定义：饱和磁化强度矢量 在铁磁体中取不同方向而 改变的能量。
只与磁化强度矢量在晶体中 相对的取向有关。在易磁化 轴上，磁晶各向异性能最小.
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单晶体： 原子离子按同一方式有规则地周期性排列组成 的固体。 多晶体：由许多取向不同的单晶体组成的固体。 1、Fe、Co、Ni单晶的磁化曲线
三种单晶体沿不同晶轴方向磁化可以得到不同的磁化曲线, 而且沿不同的晶轴方向磁化到饱和的难易程度相差甚大。
[100]
[110]
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.......
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由图可以看出，x、y、z三个坐标轴不论是正反两
个方面或者是其中任意两个坐标互换，而 Fk i 总是
4、磁晶各向异性常数K
（用以表示单位体积内单晶体磁各向异 性的强弱）
对于立方晶体，以[100]为参考
K 1 Ms HdM Ms HdM
V 0[111]
0[100]
∴ Fe： K>0， Ni： K<0
对于六角晶系，以[0001]为参考：
K 1 Ms HdM Ms HdM
V 0[1010]
21
cos1 cos2
3 cos3
i 1
∴可将Fk展开成 i 的幂级数形式。
[100]
F (i ) k
B0
B1(1
2
3)
B2 (12
3 2
1 3 )
B3(12 22 32 )
B4
(1
2 2
32
2
12
3
12 2
3
2
2
132
)
B5
(14
24
4 3
)
B6
(12 2 2
3 2 2 2
1232
)
Fk f (i )
由于晶体的宏观对称性，当Ms处于晶体对称位置时, i 可能改变符号，但Fk在对称位置不变。
（一）、立方晶体的磁晶各向异性能
（Fe、Ni 、尖晶石） 设铁磁体为未变形的理想晶体
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§6.1、磁各向异性及其种类： 1、磁各向异性： 铁磁物质的内能对自发磁化方向的依赖。 相应的这项能量叫磁各向异性能。
2、磁各向异性类型 按其起源物理机制可分为： •磁晶各向异性 磁性单晶体所固有的 •磁形状各向异性：
反映沿磁体不同方向磁化与磁体几何形状有关的特性
•磁应力各向异性：
反映磁体内磁化强度矢量取向与应力方向有关的特性。
•交换磁各向异性：
将强磁性的Co微粒表面进行微弱氧化，形成薄层 CoO，由于Co是铁磁性的，而CoO是反铁磁性的， 在Co与CoO界面就有交换作用，当磁场热处理后， 由此引起交换各向异性
0[0001]
∴ Co： K>0
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三、磁晶各向异性能的数学表达式
1933年阿库诺夫首先从晶体的对称性出发将磁晶 各向异性能用磁化矢量的方向余弦表示出来。
保持不变。
∴上式中只能出现1、2、3 的偶次函数关系。 并且为轮换对称。
Fk
(i
)
B0
B3 (12
2 2
2 3
)
B5 (14
24
4 3
)
B6 (1222
3222
12
2 3
)
又 12＋22＋32
1
(12＋
2
2＋
2 3
)
2
(14
24
4 3
)
2(12 2 2
32
2 2
1232 )
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§6.2、磁晶各向异性
对铁磁晶体而言，沿不同晶向，自发磁化内能不同， 叫磁晶各向异性，这是材料的内禀特性。
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一、磁晶各向异性的宏观描述