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1、第11卷第2期集美大学学报(自然科学版)Vol.11No.22006年6月JournalofJimeiUniversity(NaturalScience)Jun.2006[文章编号]1007-7405(2006)02-0122-04非晶态合金材料磁化特性及其应用的研究解源,陈仅星,谢瑜,许鑫(集美大学信息工程学院,福建厦门361021)[摘要]描述了非晶态合金材料的电磁感应效应并推出反映被测磁场变化的输出电压关系式.论述了非晶态合金磁芯材料的磁化特性曲线,分析了磁化曲线的非线性特征形式、非线性区间宽度、磁芯磁化工作点与传感器灵敏度、线性输出特性、稳定性之间的关系.在此基础
2、上介绍了脉冲感应型磁场传感器的检测原理,并给出了部分实验结果.[关键词]非晶态合金;电磁感应效应;磁化曲线;非线性特性;磁场传感器[中图分类号]TP212[文献标识码]A0引言非晶态磁性合金是一种新型电磁功能材料,它组织结构独特,具有许多明显优于半导体、晶态合[1,2]金等传统敏感材料的性质,其低矫顽力、高磁导率及高机械强度等使之成为优良的敏感材料,促[3]使人们研究其功能效应,设计开发不同用途的传感器.在所有这些传感器中,非晶态合金材料大多是以检测线圈磁芯的形式出现,非晶态合金传感器敏感机理的基础是它完成各种转换所依据的物理效应和现象.本文对非晶态合金材料的典型磁效应—
3、——电磁感应效应及磁化特性进行分析,并对脉冲感应型磁场传感器检测原理进行介绍.1非晶态合金的电磁感应效应电磁感应效应泛指物质的电和磁相互感应的现象,它们构成了磁性材料工程的基础.如图1所示,采用钴基非晶态磁性合金材料作为线圈的磁芯,具有优异的软磁特性,主要表现为高饱和磁感应强度或高磁导率的应用磁性.当给线圈L通上重复的脉冲电流,使其磁芯磁化,那么在断开电流(即对应于脉冲电流下降沿)的瞬间,线圈L两端就会产生一个感应电压Ui,由Faraday电磁感应定律可以表示为:Ui=-Ndª/dt=-NAdB/dt=-NAd(μH)/dt(1)2式中,Ui—感应电压(V);N—线圈数(
4、匝);ª—磁芯的磁通量(Wb);A—磁芯的截面积(m);B—磁芯的磁感应强度(T);H—磁场强度(A/m);μ—磁芯的磁导率(H/m)由式(1)可见,无论磁芯磁导率μ的变化或者外部磁场H的变化,都能最终反映到感应电压Ui的变化上来,若非晶态合金材料的磁导率μ不随时间变化,则可以将它用来检测磁场的变化情况.实[收稿日期]2005-10-10[基金项目]福建省自然科学基金资助项目(A0440007);福建省教育厅科技计划项目(JA004244)[作者简介]解源(1956-),女,教授,从事工程测试与自动控制研究.第2期解源等:非晶态合金材料磁化特性及其应用的研究·123·际上
5、,在磁芯的长度方向上,磁场强度H由两部分构成,一是由脉冲电流产生的激励磁场He,二是被测磁场Hd.因为B=μ0(H+M),H=He+Hd,则:dB/dt=μ0(1+dM/dH)(dH/dt)(2)将式(2)代入式(1)可得:Ui=-NAμ0(1+dM/dH)(dHe/dt+dHd/dt)(3)式中:μ0—磁性常数(H/m);M—磁芯的磁化强度(A/m);He—激励磁场强度(A/m);Hd—被测磁场强度(A/m).由式(3)可见,无论磁芯的磁化特性dM/dH的变化或者外部磁场dH/dt的变化,最终都反映到感应电压Ui的变化上来,通过检测Ui的变化,即可反映出被测磁场的变化,
6、从而完成非电量到电量的变换.2非晶态合金材料的磁化曲线从非晶态磁性合金的基本性能可以了解到,虽然这种材料在微观结构上与相应的晶态合金不同,但其技术磁化曲线与晶态合金大致上相同,典型的磁化曲线(M2H曲线)如图2所示,显然这是一条非线性曲线,尤其在趋近于饱和时,曲线的非线性更加突出,磁化曲线的升高速度逐渐趋缓,外磁场的继续增加不会使磁化强度M再增高,最后逼近于一条水平线,即达到技术饱和.钴基非晶态软磁合金也服从与晶态材料相同的趋近饱和定律:2M=Ms[1-a/H-b/H-⋯].其中,a和b为实验常数,Ms为饱和值.通常要求用作磁芯的非晶态合金材料具有明显的非线性磁化特性,材
7、料M—H关系的非线性区间越宽,非线性越突出,就越有利于被测磁场的测量.因此,选择不同的线圈结构参数和电路参数,可以设定励磁磁场He及励磁参数,其大小应满足磁芯工作在非线性磁化区间的基本要求并保证磁芯磁化达到稳定状态,即确定非晶态合金磁芯在M2H曲线上的基本工作点.如果不存在偏置磁场,对于恒定的dH/dt,线图两端产生的感应电压Ui也是一个恒定值.如果被测磁场Hd不等于零,对磁芯就相当于一个偏置磁场.它的存在则使磁芯的工作点沿其磁化曲线发生移动.如果这种移动发生在M2H曲线的非线性部分,那么不同的Hd就会使dM/dH取不同的值,
