巨磁电阻实验报告 - (2)

三、 GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量

将GMR模拟传感器与比较电路，晶体管放大电路集成在一起，就构成GMR开关（数字）传感器，结构如图14所示。

比较电路的功能是，当电桥电压低于比较电压时，输出低电平。当电桥电压高于比较电压时，输出高电平。选 择适当的GMR电桥并结合调节比较电压，可调节开关传感器开关点对应的磁场强度。

输出 输出电压/V GMR 电桥 开 比较电路 关 关 开 磁场强度 /高斯 －20 －10 0 10 20 30 图14 GMR开关传感器结构图 图15 GMR开关传感器磁电转换特性

图15是某种GMR开关传感器的磁电转换特性曲线。当磁场强度的绝对值从低增加到12高斯时，开关打开（输出高电平），当磁场强度的绝对值从高减小到10高斯时，开关关闭（输出低电平）。

实验装置：巨磁阻实验仪，基本特性组件。

将GMR模拟传感器置于螺线管磁场中，功能切换按钮切换为“传感器测量”。实验仪的4伏电压源接至基本特性组件“巨磁电阻供电”，“电路供电”接口接至基本特性组件对应的“电路供电”输入插孔，恒流源接至“螺线管电流输入”，基本特性组件“开关信号输出”接至实验仪电压表。

从50mA逐渐减小励磁电流，输出电压从高电平（开）转变为低电平（关）时记录相应的励磁电流于表3“减小磁场”列中。当电流减至0后，交换恒流输出接线的极性，使电流反向。再次增大电流，此时流经螺线管的电流与磁感应强度的方向为负，输出电压从低电平（关）转变为高电平（开）时记录相应的负值励磁电流于表3“减小磁场”列中。将电流调至－50mA。

逐渐减小负向电流，输出电压从高电平（开）转变为低电平（关）时记录相应的负值励磁电流于表3“增大磁场”列中，电流到0时同样需要交换恒流输出接线的极性。输出电压从低电平（关）转变为高电平（开）时记录相应的正值励磁电流于表3“增大磁场”列中。 表3 GMR开关传感器的磁电转换特性测量 高电平＝ V 低电平＝ V

减小磁场 开关动作 关 开 励磁电流/mA 22.3 -26 磁感应强度/高斯 开关动作 关 开 增大磁场 励磁电流/mA 磁感应强度/高斯 -22 26 根据螺线管上标明的线圈密度，由公式（1）计算出螺线管内的磁感应强度B。 以磁感应强度B作横座标，电压读数为纵座标作出开关传感器的磁电转换特性曲线。

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利用GMR开关传感器的开关特性已制成各种接近开关，当磁性物体（可在非磁性物体上贴上磁条）接近传感器时就会输出开关信号。广泛应用在工业生产及汽车，家电等日常生活用品中，控制精度高，恶劣环境（如高低温，振动等）下仍能正常工作。 四、用GMR模拟传感器测量电流

从图11可见，GMR模拟传感器在一定的范围内输出电压与磁场强度成线性关系，且灵敏度高，线性范围大，可以方便的将GMR制成磁场计，测量磁场强度或其它与磁场相关的物理量。作为应用示例，我们用它来测量电流。

由理论分析可知，通有电流I的无限长直导线，与导线距离为r的一点的磁感应强度为：

B = μ0I/2πr =2 I×10-7/r （3） 磁场强度与电流成正比，在r已知的条件下，测得B，就可知I。

在实际应用中，为了使GMR模拟传感器工作在线性区，提高测量精度，还常常预先给传感器施加一固定已知磁场，称为磁偏置，其原理类似于电子电路中的直流偏置。

图16 模拟传感器测量电流实验原理图

实验装置：巨磁阻实验仪，电流测量组件

实验仪的4伏电压源接至电流测量组件“巨磁电阻供电”，恒流源接至“待测电流输入”，电流测量组件“信号输出”接至实验仪电压表。

将待测电流调节至0。

将偏置磁铁转到远离GMR传感器，调节磁铁与传感器的距离，使输出约25mV。 将电流增大到300mA，按表4数据逐渐减小待测电流，从左到右记录相应的输出电压于表格“减小电流”行中。由于恒流源本身不能提供负向电流，当电流减至0后，交换恒流输出接线的极性，使电流反向。再次增大电流，此时电流方向为负，记录相应的输出电压。

逐渐减小负向待测电流，从右到左记录相应的输出电压于表格“增加电流”行中。当电流减至0后，交换恒流输出接线的极性，使电流反向。再次增大电流，此时电流方向为正，记录相应的输出电压。

将待测电流调节至0。

将偏置磁铁转到接近GMR传感器，调节磁铁与传感器的距离，使输出约150mV。 用低磁偏置时同样的实验方法，测量适当磁偏置时待测电流与输出电压的关系。

表4 用GMR模拟传感器测量电流

待测电流/mA 输出电压

低磁偏置 (约25mV) 适当磁偏置 减小电流 增加电流 300 26.8 26.7 200 26.2 26.2 100 25.6 25.6 0 25.0 25.0 －100 －200 －300 24.4 24.4 23.8 23.8 23.2 23.2 减小电流 152.8 152.2 151.4 150.5 149.7 148.9 148.0 6

/mV (约150mV) 增加电流 153.1 152.2 151.4 150.5 149.7 148.9 148.0

以电流读数作横坐标，电压表的读数为纵坐标作图。分别作出4条曲线。

由测量数据及所作图形可以看出，适当磁偏置时线性较好，斜率（灵敏度）较高。由于待测电流产生的磁场远小于偏置磁场，磁滞对测量的影响也较小，根据输出电压的大小就可确定待测电流的大小。

用GMR传感器测量电流不用将测量仪器接入电路，不会对电路工作产生干扰，既可测量直流，也可测量交流，具有广阔的应用前景。

五、GMR梯度传感器的特性及应用

将GMR电桥两对对角电阻分别置于集成电路两端，4个电阻都不加磁屏蔽，即构成梯度传感器，如图17所示。

输出－ 输出＋ 图17 GMR梯度传感器结构图 这种传感器若置于均匀磁场中，由于4个桥臂电阻阻值变化相同，电桥输出为零。如果磁场

a 存在一定的梯度，各GMR电阻感受到的磁场不同，

磁阻变化不一样，就会有信号输出。图18以检测

齿轮的角位移为例，说明其应用原理。

b 将永磁体放置于传感器上方，若齿轮是铁磁

材料，永磁体产生的空间磁场在相对于齿牙不同

位置时，产生不同的梯度磁场。a位置时，输出

为零。b位置时，R1、R2 感受到的磁场强度大于R3、c R4，输出正电压。c位置时，输出回归零。d位置 时，R1、R2 感受到的磁场强度小于R3、R4，输出负 电压。于是,在齿轮转动过程中,每转过一个齿牙

d 便产生一个完整的波形输出。这一原理已普遍应

用于转速（速度）与位移监控，在汽车及其它工

图18 用GMR梯度传感器检测齿轮位移 业领域得到广泛应用。

实验装置：巨磁阻实验仪、角位移测量组件。

将实验仪4V电压源接角位移测量组件“巨磁电阻供电”，角位移测量组件“信号输出”接实验仪电压表。

逆时针慢慢转动齿轮，当输出电压为零时记录起始角度，以后每转3度记录一次角度与电压表的读数。转动48度齿轮转过2齿，输出电压变化2个周期。

表5 齿轮角位移的测量

转动7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 7

角度/度 输出电压/mV 0 -19.6 -33.6 -30.2 -17.1 2.0 17.2 19.7 2.2 -20.6 -33.1 -29.2 -15.2 2.3 18.7 20.0 3.8

以齿轮实际转过的度数为横坐标，电压表的读数为纵向坐标作图。 根据实验原理，GMR梯度传感器能用于车辆流量监控吗？ 六、磁记录与读出

磁记录是当今数码产品记录与储存信息的最主要方式，由于巨磁阻的出现，存储密度有了成百上千倍的提高。

在当今的磁记录领域，为了提高记录密度，读写磁头是分离的。写磁头是绕线的磁芯，线圈中通过电流时产生磁场，在磁性记录材料上记录信息。巨磁阻读磁头利用磁记录材料上不同磁场时电阻的变化读出信息。磁读写组件用磁卡做记录介质，磁卡通过写磁头时可写入数据，通过读磁头时将写入的数据读出来。

同学可自行设计一个二进制码，按二进制码写入数据，然后将读出的结果记录下来。 实验装置：巨磁阻实验仪，磁读写组件，磁卡。

实验仪的4伏电压源接磁读写组件“巨磁电阻供电”， “电路供电”接口接至基本特性组件对应的“电路供电”输入插孔，磁读写组件“读出数据”接至实验仪电压表。同时按下“0/1转换”和“写确认”按键约2秒将读写组件初始化，初始化后才可以进行写和读。

将需要写入与读出的二进制数据记入表6第2行。

将磁卡有刻度区域的一面朝前，沿着箭头标识的方向插入划槽，按需要切换写“0”或写“1”（按“0/1转换”按键，当状态指示灯显示为红色表示当前为“写1”状态，绿色表示当前为“写0”状态）按住“写确认”按键不放，缓慢移动磁卡，根据磁卡上的刻度区域线，。注意：为了便于后面的读出数据更准确，写数据时应以磁卡上各区域两边的边界线开始和结束。即在每个标定的区域内，磁卡的写入状态应完全相同。

完成写数据后，松开“写确认”按键，此时组件就处于读状态了，将磁卡移动到读磁头出，根据刻度区域在电压表上读出的电压，记录与表6中。

表6 二进制数字的写入与读出 十进制数字 二进制数字 磁卡区域号 读出电平 0 1 3.1mv 1 2 1.983v 0 3 3.1mv 1 4 1.983v 85 0 5 3.1mv 1 6 1.983v 0 7 3.1mv 1 8 1.983v 此实验演示了磁记录与磁读出的原理与过程.

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