北大普通物理综合实验课件1 NVE AA005-02型巨磁电阻传感器特性研究与应用

综合物理实验NVEAA005-02型巨磁电阻传感器特性研究与应用巨磁电阻传感器（GMR）各向异性磁电阻（anisotropicmagnetoresistance,AMR）效应材料。AMR电磁阻率变化低，在检测微弱磁场时受到限制。巨磁电阻（giantmagnetoresistance,GMR）效应是源于磁性金属的电子有自旋取向。GMR磁电阻变化率高，使它能传感微弱磁场，扩大了磁阻式传感器的测量范围和应用面。巨磁电阻传感器的原理磁性多膜层的巨磁电阻效应（GMR）的两流模型解释反铁磁耦合时（外加磁场为0）处于高阻态的导电输运特性。r电阻：R1/2巨磁电阻传感器的原理磁性多膜层的巨磁电阻效应（GMR）的两流模型解释外加磁场是该行多层薄膜处于饱和状态时相邻磁性层磁矩平行分布，而电阻处于低阻态的导电输运特性。电阻：R2×R3/(R2+R3)R2R1R3巨磁电阻传感器的原理NVEAA005-02巨磁电阻（GMR）传感器原理输出电压=输入电压*2121RRRR芯片性能说明稳定的电压源型号选用应根据使用环境的磁场大小来决定灵敏度与方向有关S(θ)=S(0)COSθ外磁场为偶函数电路原理（电源）C1C2：滤波整形C3C4：稳压输出V212VU1LM7805C123INOUTGNDC422UC30.1U12V-0C122U12V+C20.1UV112V5V放大器：同相减法器理想运放工作在线性区时i-=i+=0i-=if1i+=if2111foRUURUU222fRURUUU-=U+Uo=RRf(2'RRU2-1RRU1)R=R1//Rf1R`=R2//Rf2若R1=R2,Rf1=Rf2Uo=RRf(U2-U1)12V+U3BNE553256847+-V+V-OUTOUT012V-R130KV+12V+Rf1120KRf2120KV-U3ANE553232841+-V+V-OUT12V-R230K放大器：反相减法器第一级反相器：Uo1=-11RRfU1第二级反相加法器：Uo2=-(22RRfU2+02RRfUo1)Uo=Uo2=02RRf11RRfU1-22RRfU2若Rf1=R1Rf2=R0=R2则Uo=U1-U2U1BNE553256847+-V+V-OUTR210k12V-Vout+R010kRf220kVoutU1ANE553232841+-V+V-OUTRp210kVout-012V-Rp110k12V+R110k012V+Rf110k放大器通过改变阻值实现对放大器放大倍数的改变。通过跳线控制电阻的并联。当R3R4开路，放大倍数为120/30=4倍；当R3R4闭合，并联电阻值为12KΩ，放大倍数为120/12=10倍。由于运放为正负12V供电，因此10倍放大仅对小电压时有效。0R130K12V+R420kOUTU3BNE553256847+-V+V-OUTRf2120KRf1120KR230KV-12V-U3ANE553232841+-V+V-OUT12V+V+R320K12V-数据测量（传感器的线性感应区）测试过程中使用永磁铁作为磁源。数据测量（传感器的线性感应区）传感器对磁铁磁场的特性曲线00.20.40.60.811.21.4-10.1-9.4-9-8.5-8-7.5-7-6.5-6-5.5-5-4.5-4-3.5-3-2.5-2-1.5-1-0.5-0.1磁场强度（mT）电压（V）传感器对磁场感应的线性区约为0-80Gs，即小于8mT。Helmholtz线圈Helmholtz线圈中心磁场强度的计算：Bo=B1+B2=232220])2([π2π2RRIR=RI5580其中0数值为4π×10-7N/A2实验中中心点磁场的计算公式为：B=10Bo=RI5100数据测量（对小磁场的感应）数据测量（对小磁场的感应）数据测量（对小磁场的感应）本实验使用Helmholtz线圈来测量微弱的变化磁场。利用Helmholtz线圈通入电流时在对称点附近产生一个均匀的磁场，记录其中通过的电流，可以计算出其产生的磁场。传感器对小磁场的特性曲线01234567891000.050.10.150.20.250.30.350.40.450.50.550.60.650.70.750.80.850.90.9511.051.11.151.21.25电流（A）磁场强度（Gauss）数据测量（对较大磁场的感应）数据测量（对较大磁场的感应）数据测量（对较大磁场的感应）实验中采用霍尔效应仪作为磁源，产生可调范围在0-250mT的磁场以供测量。较大磁场的响应曲线5.15.155.25.255.35.355.45.4518.326.743.159.375.992.6109.7127.3144.4161.6178.4195.5212.2230.4245磁场强度（mT）输出电压（V）实验结论Nveaa005-02型传感器，有足够大的灵敏度。测量的最小磁场为10-6(T)量级，最大的测量值为80高斯（8mT）。此芯片线性度很好，从测量数据中可以看到从0～80Gs都表现了很好的线性。对磁场的方向也极为敏感。背景噪声较大。测量很大磁场时，线性度不好。GMR的应用可以用来测量小磁场，取代特斯拉计成为新一代工具。GMR磁场传感器可用来导航及用于高速公路的车辆监控系统。测速仪、定向仪结束