一类新型非晶丝微磁探测器在坦克静态磁场分析中的应用

　　目前,磁探测机理多是以磁膜/片探测、霍尔效应、巨磁阻效应以及金属涡流效应等为主[1].作者抛开这些传统的磁探测手段,以非晶丝作为磁敏感元件,把基于巨磁阻抗效应的非晶丝脉冲激励电路[2]和多谐振荡桥路有效结合在一起,设计出新型的微磁探测器.该探测器具有传统磁传感器所欠缺的高灵敏度、强抗干扰能力以及快速响应的特性,对于5 000 nT-100 T范围的磁场具有很高的分辨率,为微磁近感技术的发展提供了技术保障.

　　1　非晶丝巨磁阻抗效应

　　非晶丝是一种新型磁性材料,该磁性材料的显著特点在于:在没有高频交变电流或脉冲激励的前提下,它不会显示出任何的磁特性,因此该材料用于传感器可抵御各种有源和无源干扰[3].

　　巨磁阻抗效应是指材料的交流阻抗随外加磁场的改变而快速响应[4].通过试验,当非晶丝的磁致伸缩系数接近0且交流频率大于10 kHz时,巨磁阻抗效应非常明显.GMI效应与在外磁场作用下软磁导体的交流(AC)阻抗的变化密切相关,可以在经典电动力学的理论框架下予以解释[5-6].其原理为:当射频电流流过导体时,在导体的横截面上其电流分布并不均匀,由于趋肤效应,电流主要集中在导体表面[7].

　　1·1　GMI效应数学模型

　　利用傅里叶分析方法对非晶丝的阻抗进行定性分析.

　　在磁场中,磁性材料的交流复阻抗为[8]

式中:ω为交变电流的角频率;μeff为材料的有效磁导率;Hex代表外加磁场.当交变电流I=I0e-^i2πft通过非晶丝,产生圆周磁场在足够高频率下,电流将会集中到丝的表面,阻抗可以表示为

式中:μ为圆周的磁导率;ρ为非晶丝的电阻率;a为丝的半径,Rdc=ρl/πa2为材料直流电阻,l为丝的长度,J0(ka)和J1(ka)分别是零阶和一阶贝塞尔函数.

　　最后得出巨磁阻抗效应的数学模型为

式(3)包含了强趋肤效应和不考虑趋肤效应的情况.可见阻抗是随着励磁电流频率和微分磁率的变化而变化的.故巨磁阻抗率为

　　1·2　GMI效应数学模型的仿真验证

　　根据上述模型计算GMI效应随有关参量变化的曲线.实验中采用的非晶丝分子式为Fe4·35Co68·15Si12·5B15.考虑实际数据,计算中所取参数如下:θk=π/10,L=20 mm,a=75μm,ρ=130μΩ·cm,Mζ=700 kA/m,I0=10 mA.利用HP4 192 A阻抗分析仪,实验测量非晶丝纵向磁阻抗效应.

　　如图1所示,实线为根据数学模型计算出来的阻抗与外磁场变化关系曲线,虚线为利用阻抗分析仪对非晶丝进行阻抗测量得到的实验数值.实验曲线的变化趋势与理论模型的变化趋势基本相同,当外磁场小于30×10-4T时,阻抗变化率在100%~300%之间,实验与理论误差不超过2%,这就证明了巨磁阻抗效应数理建模的精确度,模型完全可以表征非晶丝阻抗和外磁场之间的变化关系.