磁阻效應(yīng)試驗(yàn)研究開題

1、一、選題依據(jù)（研究課題的目的、意義及國內(nèi)外相關(guān)研究情況）：1、課題目的磁阻器件由于靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)、交通、儀器儀表、醫(yī)療器械、探礦等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，如：數(shù)字式羅盤、交通車輛檢測，導(dǎo)航系統(tǒng)、偽鈔檢測、位置測量等。90年代以來歷年發(fā)表的有關(guān)磁阻的科研文章較多，但是結(jié)合實(shí)驗(yàn)性進(jìn)行研究的文章較少;統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來自中國知網(wǎng)。然而，上述原因也導(dǎo)致了磁阻效應(yīng)的研究前沿處于飛速擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)中，不斷有相關(guān)的新物理現(xiàn)象和概念被發(fā)現(xiàn)或創(chuàng)造，不斷地有新的研究內(nèi)容被納入到磁阻效應(yīng)研究的領(lǐng)域。事實(shí)上，從2005年以來，平均每年已經(jīng)有近8篇左右關(guān)于磁阻效應(yīng)研究的綜述性文章發(fā)表在重要學(xué)術(shù)刊物上。即使這樣，受限于著

2、述者的研究背景和研究興趣，仍有不少研究內(nèi)容未能及時(shí)被這些綜述文章涉及，這就使得對(duì)磁阻效應(yīng)研究的熱點(diǎn)進(jìn)行全面追蹤十分困難。磁阻元件的發(fā)展經(jīng)歷了半導(dǎo)體磁阻（MR），各向異性磁阻（AMR），巨磁阻（GMR），龐磁阻（CMR）等階段。因此，本實(shí)驗(yàn)研究AMR的特性并利用它對(duì)磁場進(jìn)行測量。2、課題意義磁阻效應(yīng)是指某些金屬或半導(dǎo)體的電阻值隨外加磁場變化而變化的現(xiàn)象。同霍爾效應(yīng)一樣，磁阻效應(yīng)也是由于載流子在磁場中受到洛倫茲力而產(chǎn)生的。物質(zhì)在磁場中電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)，磁阻傳感器利用磁阻效應(yīng)制成。 磁場的測量可利用電磁感應(yīng)，霍爾效應(yīng)，磁阻效應(yīng)等各種效應(yīng)。其中磁阻效應(yīng)法發(fā)展最快，測量靈敏度最高。磁阻傳

3、感器可用于直接測量磁場或磁場變化，如弱磁場測量，地磁場測量，各種導(dǎo)航系統(tǒng)中的羅盤，計(jì)算機(jī)中的磁盤驅(qū)動(dòng)器，各種磁卡機(jī)等等。也可通過磁場變化測量其它物理量，如利用磁阻效應(yīng)已制成各種位移、角度、轉(zhuǎn)速傳感器，各種接近開關(guān)，隔離開關(guān)，廣泛用于汽車，家電及各類需要自動(dòng)檢測與控制的領(lǐng)域。3、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀郭鑫（2015）研究表示，地磁場是存在于地球表面以及近地空間的微弱磁場。作為一種天然的磁場，它在軍事導(dǎo)航、通訊、地質(zhì)勘探、地震預(yù)報(bào)等眾多領(lǐng)域有著重要的作用?；诖耍瑴?zhǔn)確高效的測量地磁場也就顯得至關(guān)重要。其以各向異性磁阻傳感器作為地磁場感知探頭，構(gòu)建了微弱磁信號(hào)提取放大集成電路并結(jié)合單片機(jī)控制和濾波軟件設(shè)計(jì)，

4、研究設(shè)計(jì)了具有低功耗、便攜、低成本等優(yōu)勢(shì)的地磁場探測系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)了一款基于各向異性磁阻效應(yīng)可有效測量地磁場的傳感探測系統(tǒng)。主要研究內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面:首先，介紹了各向異性磁阻效應(yīng)、惠斯通電橋等的工作原理，探討了采用AMR傳感單元(HMC1021Z和HMC1022)作為地磁場探測的工作原理。討論并驗(yàn)證測量地磁場的可行性和相關(guān)方案。其次，進(jìn)行探測系統(tǒng)部分電路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主要由磁場探測單元、置位/復(fù)位單元、信號(hào)處理單元、單片機(jī)控制及顯示單元和電源模塊組成。針對(duì)信號(hào)噪聲影響采取了軟件和硬件相結(jié)合方式進(jìn)行濾波，可以有效的消除mV級(jí)別噪聲的干擾。在信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)上，從芯片選擇到供電的不同做了多種方案進(jìn)

5、行對(duì)比分析，最后選擇了AD623單電源供電放大電路設(shè)計(jì)方案。在電源設(shè)計(jì)上，為了測試的靈活性，做了電池供電和220V交流供電兩種方式。在輸出顯示上選擇LCD液晶顯示器，可以顯著減小功耗。在此基礎(chǔ)上，我們對(duì)傳感器進(jìn)行了標(biāo)定，得到電壓隨磁場變化特性曲線，克服了因?yàn)閭鞲衅鞅旧淼钠钤斐烧`差的問題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地磁場的探測，獲得了地磁場的典型測量結(jié)果為0.520Gauss，與實(shí)際相符。最后，在實(shí)現(xiàn)地磁場大小探測的基礎(chǔ)上，對(duì)二維磁阻式電子羅盤進(jìn)行了初步探究并完成設(shè)計(jì)，繪制出磁場隨角度的變化而變化的曲線?；谔綔y數(shù)據(jù)，此電子羅盤可有效識(shí)別角度，可為地磁導(dǎo)航提供技術(shù)支持。王善祥（2016）研究認(rèn)為，智能電網(wǎng)的快速

6、發(fā)展使其對(duì)高性能傳感器的需求日益強(qiáng)烈。為此，文中針對(duì)電力系統(tǒng)應(yīng)用需求設(shè)計(jì)了基于巨磁阻效應(yīng)的寬頻大電流傳感裝置，包括放大、濾波、退磁和供電等調(diào)理電路，并考慮智能電網(wǎng)中傳感器高壓、強(qiáng)干擾的應(yīng)用場合，對(duì)裝置進(jìn)行了電磁屏蔽設(shè)計(jì)和印刷電路板抗干擾設(shè)計(jì)。計(jì)算結(jié)果表明該裝置對(duì)工頻磁場的屏蔽效能達(dá)到41.6 d B，抗干擾測試結(jié)果表明所設(shè)計(jì)傳感器具備抵抗強(qiáng)電磁干擾能力，同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該裝置對(duì)雷電流測量準(zhǔn)確度93.9%?；诰薮抛栊?yīng)的寬頻大電流傳感裝置有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流到10 MHz帶寬的大電流的準(zhǔn)確測量，相對(duì)其他電流測量裝置具有更高的靈敏度和電流測量范圍，適應(yīng)了智能電網(wǎng)的發(fā)展需求。王蘊(yùn)杰（2015）對(duì)磁阻效

7、應(yīng)作用原理和磁阻傳感器原件的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，并借鑒數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)提出了一種利用曲率及K-means均值聚類算法對(duì)磁阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理的方法，結(jié)果顯示該方法具有高精確度、人為因素小、直觀性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。 Richard Engelkemeir（2010）介紹了巨磁阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展與目前的應(yīng)用情況，在自制的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，對(duì)國內(nèi)某公司生產(chǎn)的自旋閥型巨磁阻傳感器的線性區(qū)間、靜態(tài)靈敏度、分辨率、磁滯等方面進(jìn)行測試。在測試結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)巨磁阻傳感器的應(yīng)用進(jìn)行探討，并為以后其在渦流傳感器的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。二、研究方案（主要研究目標(biāo)、內(nèi)容、方法及步驟）：1、主要研究目標(biāo)1）磁阻傳感器的基本工作原理。 2）赫

8、姆霍茲線圈的磁場分布測量。 3）地磁場測量。4）了解AMR的原理并對(duì)其特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。2、研究內(nèi)容研究內(nèi)容安排如下:首先回顧一下磁阻效應(yīng)研究的歷史,介紹磁阻效應(yīng)和霍爾效應(yīng)的有關(guān)概念,然后評(píng)述到目前為止所揭示的產(chǎn)生磁阻效應(yīng)的物理機(jī)制,其中將重點(diǎn)介紹大學(xué)物理磁阻效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究,主要為一定條件下，導(dǎo)電材料的電阻值R隨磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化規(guī)律稱為磁阻效應(yīng)。當(dāng)半導(dǎo)體處于磁場中時(shí)，導(dǎo)體或半導(dǎo)體的載流子將受洛侖茲力的作用，發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在兩端產(chǎn)生積聚電荷并產(chǎn)生霍耳電場。如果霍耳電場作用和某一速度載流子的洛侖茲力作用剛好抵消，那么小于或大于該速度的載流子將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因而沿外加電場方向運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)量將減少，電阻增

9、大，表現(xiàn)出橫向磁阻效應(yīng)。通過實(shí)驗(yàn)研究這就有利于我們從更深刻的角度把握磁阻效應(yīng)的本質(zhì),從而擴(kuò)大研究范圍；接下來將介紹有關(guān)磁阻效應(yīng)的應(yīng)用,介紹ZKY-CC各向異性磁阻傳感器（AMR）與磁場測量儀,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，最后展望磁阻體的研究前景以及在其實(shí)用化進(jìn)展中存在的一些問題。3、研究方法本論文采用的研究方法主要有文獻(xiàn)研究法、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)法。1）文獻(xiàn)研究法：研究者通過分析比較磁阻效應(yīng)類的文獻(xiàn)，學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)成功案例。以此保證研究過程中不偏離研究核心，能夠在充分理論知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)踐。2）經(jīng)驗(yàn)總結(jié)法：總結(jié)課題研究的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，將理論與實(shí)踐相結(jié)合的學(xué)習(xí)方法，通過這一方法進(jìn)行學(xué)習(xí)，可以加深對(duì)磁阻效應(yīng)等基本知識(shí)的理解

10、和認(rèn)識(shí)，從而提高學(xué)習(xí)效果。通過對(duì)前人經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，將磁阻效應(yīng)等基本理論在實(shí)驗(yàn)中作進(jìn)一步檢驗(yàn)。3）觀察法：觀察實(shí)驗(yàn)中磁阻發(fā)生的變化以及磁阻傳感器特性、磁阻傳感器的各向異性特性等。4、研究步驟實(shí)驗(yàn)采用ZKY-CC各向異性磁阻傳感器（AMR）與磁場測量儀，核心部分是磁阻傳感器，輔以磁阻傳感器的角度、位置調(diào)節(jié)及讀數(shù)機(jī)構(gòu)，赫姆霍茲線圈等組成。本儀器所用磁阻傳感器的工作范圍為6高斯，靈敏度為1mV/V/Guass。靈敏度表示，當(dāng)磁阻電橋的工作電壓為1V，被測磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度為1高斯時(shí)，輸出信號(hào)為1mV。磁阻傳感器的輸出信號(hào)通常須經(jīng)放大電路放大后，再接顯示電路，故由顯示電壓計(jì)算磁場強(qiáng)度時(shí)還需考慮放大器的放大倍數(shù)

11、。本實(shí)驗(yàn)儀電橋工作電壓5V，放大器放大倍數(shù)50，磁感應(yīng)強(qiáng)度為1高斯時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出電壓為0.25伏。赫姆霍茲線圈是由一對(duì)彼此平行的共軸圓形線圈組成。兩線圈內(nèi)的電流方向一致，大小相同，線圈之間的距離d正好等于圓形線圈的半徑R。這種線圈的特點(diǎn)是能在公共軸線中點(diǎn)附近產(chǎn)生較廣泛的均勻磁場。連接實(shí)驗(yàn)儀與電源，開機(jī)預(yù)熱20分鐘。將磁阻傳感器位置調(diào)節(jié)至赫姆霍茲線圈中心，傳感器磁敏感方向與赫姆霍茲線圈軸線一致。調(diào)節(jié)赫姆霍茲線圈電流為零，按復(fù)位鍵，調(diào)節(jié)補(bǔ)償電流，使傳感器輸出為零。調(diào)節(jié)赫姆霍茲線圈電流至300mA，調(diào)節(jié)放大器校準(zhǔn)旋鈕，使輸出電壓為1.500伏。1磁阻傳感器特性測量a.測量磁阻傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性磁電

12、轉(zhuǎn)換特性是磁阻傳感器最基本的特性。磁電轉(zhuǎn)換特性曲線的直線部分對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，即磁阻傳感器的工作范圍，直線部分的斜率除以電橋電壓與放大器放大倍數(shù)的乘積，即為磁阻傳感器的靈敏度。切換電流換向開關(guān)（赫姆霍茲線圈電流反向，磁場及輸出電壓也將反向），逐步調(diào)大反向電流，記錄反向輸出電壓值。注意：電流換向后，必須按復(fù)位鍵消磁。作范圍及靈敏度。b.測量磁阻傳感器的各向異性特性AMR只對(duì)磁敏感方向上的磁場敏感，當(dāng)所測磁場與磁敏感方向有一定夾角時(shí)，AMR測量的是所測磁場在磁敏感方向的投影。由于補(bǔ)償調(diào)節(jié)是在確定的磁敏感方向進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)注意在改變所測磁場方向時(shí)，保持AMR方向不變。將赫姆霍茲線圈電流調(diào)節(jié)至2

13、00mA，測量所測磁場方向與磁敏感方向一致時(shí)的輸出電壓。松開線圈水平旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘，每次將赫姆霍茲線圈與傳感器盒整體轉(zhuǎn)動(dòng)10度后鎖緊，松開傳感器水平旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘，將傳感器盒向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)10度（保持AMR方向不變）后鎖緊，記錄輸出電壓數(shù)據(jù)于表2中。2赫姆霍茲線圈的磁場分布測量赫姆霍茲線圈能在公共軸線中點(diǎn)附近產(chǎn)生較廣泛的均勻磁場，在科研及生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。3 地磁場測量地球本身具有磁性，地表及近地空間存在的磁場叫地磁場。地磁的北極，南極分別在地理南極，北極附近，彼此并不重合，可用地磁場強(qiáng)度，磁傾角，磁偏角三個(gè)參量表示地磁場的大小和方向。磁傾角是地磁場強(qiáng)度矢量與水平面的夾角，磁偏角是地磁場強(qiáng)度矢

14、量在水平面的投影與地球經(jīng)線（地理南北方向）的夾角。在現(xiàn)代的數(shù)字導(dǎo)航儀等系統(tǒng)中，通常用互相垂直的三維磁阻傳感器測量地磁場在各個(gè)方向的分量，根據(jù)矢量合成原理，計(jì)算出地磁場的大小和方位。實(shí)驗(yàn)用單個(gè)磁阻傳感器測量地磁場的方法。將赫姆霍茲線圈電流調(diào)節(jié)至零，將補(bǔ)償電流調(diào)節(jié)至零，傳感器的磁敏感方向調(diào)節(jié)至與赫姆霍茲線圈軸線垂直（以便在垂直面內(nèi)調(diào)節(jié)磁敏感方向）。調(diào)節(jié)傳感器盒上平面與儀器底板平行，將水準(zhǔn)氣泡盒放置在傳感器盒正中，調(diào)節(jié)儀器水平調(diào)節(jié)螺釘使水準(zhǔn)氣泡居中，使磁阻傳感器水平。松開傳感器水平旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘，在水平面內(nèi)仔細(xì)調(diào)節(jié)傳感器方位，使輸出最大。此時(shí)，傳感器磁敏感方向與地理南北方向的夾角就是磁偏角。松開傳感器

15、繞軸旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘，在垂直面內(nèi)調(diào)節(jié)磁敏感方向，至輸出最大時(shí)轉(zhuǎn)過的角度就是磁傾角，記錄此角度。三、文獻(xiàn)綜述內(nèi)容（附主要參考文獻(xiàn)）：1徐海英.用Origin8.5軟件處理磁阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)J.化學(xué)工程與裝備.2015(11)2丁鳴.銻化銦傳感器的磁阻效應(yīng)特性數(shù)據(jù)的回歸分析J.南京工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2011(01)3馬超,遲宗濤.雙極性巨磁阻傳感器性能測試與應(yīng)用前景分析J.硅谷.2012(11)4王善祥,王中旭,胡軍,歐陽勇,袁智勇,何金良.基于巨磁阻效應(yīng)的高壓寬頻大電流傳感器及其抗干擾設(shè)計(jì)J.高電壓技術(shù).2016(06)5李嬋虓,余占清,曾嶸,羅兵,陳喜鵬,何金良.沖擊電場作用下屏蔽體屏蔽效

16、能實(shí)驗(yàn)研究J.高電壓技術(shù).2014(09)6姚陳果,吳昊,王琪,龍羿,馬儀,申元.基于非接觸式雷電流測量裝置的新型線路分布式雷擊故障定位方法J.高電壓技術(shù).2014(09)7何金良,嵇士杰,劉俊,胡軍,王善祥.基于巨磁阻阻效應(yīng)的電流傳感器技術(shù)及在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用前景J.電網(wǎng)技術(shù).2011(05)8王蘊(yùn)杰.序列分段算法在普朗克常量測定中的應(yīng)用J.大學(xué)物理.2015(05)9王蘊(yùn)杰.序列分段算法在磁阻效應(yīng)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用J.計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件.2011(01)10郭鑫.基于磁阻效應(yīng)的地磁場探測研究J.電子科技大學(xué).2015(03)16911王善祥,王中旭,胡軍,歐陽勇,袁智勇,何金良.基于巨磁阻效應(yīng)

17、的高壓寬頻大電流傳感器及其抗干擾設(shè)計(jì)J.高電壓技術(shù).2016(06)12Richard Engelkemeir,Shuhab D.Khan,Kevin Burke.Surface deformation in Houston,Texas using GPSJ.Tectonophysics.2010(1)13I.I.Alexeev,Ya.I.Feldstein.Modeling of geomagnetic field during magnetic storms and comparison with observationsJ.Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics.2011(5)四、進(jìn)程計(jì)劃（各研究環(huán)節(jié)的時(shí)間安排、實(shí)施進(jìn)度、完成程度）：2017-3-01至2017-3-19：確定論文方向，寫出開題報(bào)告2017-3-22至2017-3-26：實(shí)習(xí)準(zhǔn)備工作，搜集相關(guān)資料2017-3-29至2017-4-04：完成論文第一章。2017-4-05至2017-4-18：完成論文第二章。通過瀏覽各網(wǎng)站和書籍了解磁阻效應(yīng)的內(nèi)容。2017-4-19至2017-5-02：完成論文第三、四章。2017-5-02至2017-5-09：完成論文五、六章。根據(jù)實(shí)際情況提出不足及改進(jìn)建議；結(jié)