基於龐磁電阻效應的磁感應強度測量裝置的製作方法

2024-01-26 20:06:15

專利名稱：基於龐磁電阻效應的磁感應強度測量裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種磁感應強度測量裝置，特別是一種基於龐磁電阻效應的磁感 應強度測量裝置。
背景技術：
磁感應強度測量應用很廣泛，現有技術主要採用霍爾傳感器或者感應線圈磁力計 來測量，特別是霍爾傳感器的使用極為廣泛，其結構簡單，易小型化。但是在使用中，霍爾傳 感器的噪聲水平和靜態偏移較大，因此對於弱磁測量靈敏度不足，精度不夠。而感應線圈磁 力計是一種根據法拉第電磁感應定律工作的器件，不能用於測量靜磁場，並且主要應用於 近距離探測。利用材料的磁電阻效應也可以進行磁感應強度的測量。所述磁電阻效應(MR)是指材料在磁場作用下電阻發生變化的現象，全稱磁致電阻 變化效應。磁性金屬和合金在室溫下MR —般小於8%。磁和非磁金屬多層膜的MR—般在 10左右，稱為巨磁電阻效應(GMR)，近年來，巨磁電阻效應已經在計算機磁碟、數控工具機等 方 面得到廣泛應用，但美中不足的是GMR材料的MR還不夠大。

實用新型內容本實用新型的目的在於克服現有技術的不足之處而提供一種測量效果好，可靠性 強、精度高的基於龐磁電阻效應的磁感應強度測量裝置。本實用新型所述的測量裝置是通過以下途徑來實現的基於龐磁電阻效應的磁感應強度測量裝置，其結構要點在於，包括有電磁屏蔽裝 置、第一迴路和第二迴路。第一迴路中包括有龐磁電阻器件、亥姆霍茲線圈以及第一電源裝 置，龐磁電阻器件放置於亥姆霍茲線圈軸線中點，安裝有龐磁電阻器件的亥姆霍茲線圈與 電源裝置連接，形成第一迴路；第二迴路中包括有惠更斯電橋和第二電源裝置，惠更斯電橋 與第二電源裝置連接，形成第二迴路；同時，龐磁電阻器件連接到惠更斯電橋的待測電阻位 置。上述基於龐磁電阻效應的磁感應強度測量裝置所使用的測量方法，包括如下步 驟1、將第一迴路開路，而第二迴路閉路，將整個測量裝置放入電磁屏蔽裝置中，此時 龐磁電阻器件處於零磁場的環境中，2、調節惠更斯電橋的電阻箱直到電橋平衡，3、保持惠更斯電橋的電阻箱阻值不變，移開電磁屏蔽裝置，使測量裝置處於待測 磁場中，4、由於龐磁電阻效應，龐磁電阻器件的電阻產生變化(大幅減小)，惠更斯電橋平 衡被破壞，5、接通第一迴路，亥姆霍茲線圈產生磁場，此時龐磁電阻器件處於待測磁場和亥姆霍茲線圈磁場的雙重作用下，兩磁場之和是環境總 磁場，6、調節第一電源裝置，改變亥姆霍茲線圈的電流方向和大小，直到惠更斯電橋再 次平衡，7、此時龐磁電阻器件的阻值等於零磁場時的阻值，說明龐磁電阻器件所在位置 的環境總磁場為零，待測磁場與亥姆霍茲線圈磁場平衡，兩者大小相等，方向相反，相互抵 消；8、根據亥姆霍茲線圈的匝數、電流大小和線圈半徑便可計算出亥姆霍茲線圈磁 場，從而得到待測磁場磁感應強度。所述龐磁電阻器件由龐磁電阻材料構成，該材料具有極其巨大的磁電阻效應，在 一定的溫度和磁場條件下，其使磁場從順磁性或反鐵磁性轉變為鐵磁性，且在磁場發生轉 變的同時氧化物從半導體導電特性轉變為金屬性，使電阻率發生幾個數量級巨大變化，其 磁電阻效應可以高達106，稱之為龐磁電阻效應(Colossal Magnetoresistance，簡稱CMR)， 是巨磁電阻效應的十萬倍，因此利用它來測量磁場，特別是測量弱磁場精度高。另外，本實用新型採用亥姆霍茲線圈提供反向磁場，用於平衡待測磁場；使用惠更 斯電橋來指示環境總磁場是否為零；當環境總磁場為零時，待測磁場與亥姆霍茲線圈磁場 平衡，兩者大小相等，方向相反；不需要計算龐磁電阻器件的電阻，簡化了計算過程，提高了 計算準確度和精度；由於惠更斯電橋具有極高的靈敏度，提高了磁場測量的準確度和精度。 採用電磁屏蔽裝置，以此有效屏蔽外界磁場，提供零磁場的測量環境，保證後繼測量的準確 性。本實用新型可以進一步具體為龐磁電阻器件包括一種AB03型鈣鈦礦結構的稀土錳氧化物薄膜，該薄膜使用脈 衝激光濺射法在Al2O3襯底上製備而成。該薄膜存在龐磁電阻效應，由此用於製作龐磁電阻 器件。龐磁電阻器件所用的稀土錳氧化物薄膜是LaxRhMnO3摻雜稀土錳氧化物，R是Ca 等二價金屬元素。使用摻雜稀土錳氧化物目的是提高CMR效應溫區到室溫附近，使檢測環 境得到大大優化，也方便用來製作弱磁檢測設備。亥姆霍茲線圈是一對相同的圓線圈，彼此平行且共軸，線圈間距等於線圈半徑。這樣，當這對線圈通以同方向電流時，兩個載流線圈的總磁場在軸線中點附近的 較大範圍內是均勻的，能夠均勻作用在龐磁電阻器件上，並與待測磁場平衡。第一電源裝置和第二電源裝置均為一種穩壓直流電源，電壓調節範圍為10-200V。電壓調節範圍應與亥姆霍茲線圈的參數相對應，方能調整亥姆霍茲線圈的電流大 小，方向由極性控制。電磁屏蔽裝置是一個金屬絲網殼體，用於屏蔽外界電磁場，提供零磁場強度的測 量環境。綜上所述，本實用新型利用龐磁電阻器件巨大的磁電阻效應，提供一種基於龐磁 電阻效應的高精度的磁感應強度測量裝置及其測量方法。採用亥姆霍茲線圈提供反向磁 場，用於平衡待測磁場；採用惠更斯電橋指示環境總磁場是否為零；當環境總磁場為零時， 待測磁場與亥姆霍茲線圈磁場平衡，兩者大小相等，方向相反；由於惠更斯電橋具有極高的 靈敏度，因此提高了測量的準確度和精度。採用電磁屏蔽裝置，以此有效屏蔽外界磁場，提供零磁場強度的測量環境，保證後繼測量的準確性。

圖1所示為本實用新型所述基於龐磁電阻效應的磁感應強度測量裝置第一迴路 的電路原理結構示意圖。圖2所示為本實用新型所述基於龐磁電阻效應的磁感應強度測量裝置第二迴路 的電路原理結構示意圖。圖3所示為本實用新型所述基於龐磁電阻效應的磁感應強度測量裝置的電路原 理結構示意圖，電磁屏蔽裝置隔離外界磁場時進行測量的原理圖。圖4所示為本實用新型所述基於龐磁電阻效應的磁感應強度測量裝置的電路原 理結構示意圖，移除電磁屏蔽裝置後進行測量的原理圖。下面結合實施例對本實用新型做進一步描述。
具體實施例最佳實施例基於龐磁電阻效應的磁感應強度測量裝置，包括有電磁屏蔽裝置、第一迴路和第 二迴路。參照附圖1，第一迴路中包括有龐磁電阻器件LaCaMnO、亥姆霍茲線圈以及第一電 源裝置U1，龐磁電阻器件LaCaMnO放置於亥姆霍茲線圈軸線中點，安裝有龐磁電阻器件的 亥姆霍茲線圈經由Kl與Ul連接，形成第一迴路；其中，龐磁電阻器件包括Laa7Rtl.^1103摻雜 稀土錳氧化物薄膜，該薄膜使用脈衝雷射濺射法在Al2O3襯底上製備而成；亥姆霍茲線圈是 一對相同的圓線圈，彼此平行且共軸，線圈間距等於線圈半徑r。參照附圖2，第二迴路中包括有惠更斯電橋和第二電源裝置，惠更斯電橋經由K2 與第二電源裝置U2連接，形成第二迴路。第一電源裝置Ul和第二電源裝置U2均為一種穩壓直流電源，電壓調節範圍為 10-200V。電磁屏蔽裝置是一個金屬絲網殼體，用於屏蔽外界電磁場，提供零磁場強度的測 量環境。參照附圖3和附圖4，上述基於龐磁電阻效應的磁感應強度測量裝置所使用的測 量方法，包括如下步驟1、見附圖3，將第一迴路開路，打開K1，而第二迴路閉路，閉合K2，將整個測量裝置 放置在電磁屏蔽裝置內，由於第一迴路中沒有電流，亥姆霍茲線圈沒有產生磁場，金屬絲電 磁屏蔽裝置又屏蔽了外界磁場，所以此時龐磁電阻器件LaCaMnO處於零磁場的環境中，2、調節惠更斯電橋中電阻箱Rt的阻值，直到電流表G歸零，此時惠更斯電橋平衡，3、見附圖4，保持惠更斯電橋的電阻箱阻值Rt不變，移開電磁屏蔽裝置，使測量裝 置處於待測磁場中，4、在待測磁場作用下，龐磁電阻器件LaCaMnO因磁電阻效應，電阻產生變化(大幅 減小)，惠更斯電橋平衡被破壞，電流表G指示不再為零；5、閉合K1，接通第一迴路，亥姆霍茲線圈產生磁場，此時龐磁電阻器件LaCaMnO處 於待測磁場和亥姆霍茲線圈磁場的雙重作用下，兩磁場之和是環境總磁場，6、調節第一電源裝置U1，改變亥姆霍茲線圈的電流方向和大小，直到電流表G歸零，惠更斯電橋再次平衡，7、此時龐磁電阻器件的阻值等於零磁場時的阻值，說明環境總磁場為零，因此待測磁場Bl與亥姆霍茲線圈磁場B2平衡，大小相等，方向相反，Bl=—B2，；8、根據亥姆霍茲線圈的匝數、電流大小和線圈半徑便可計算出亥姆霍茲線圈磁 場，從而得到待測磁場磁感應強度。本方法和裝置可以用於電力設備等不同類型的電氣設備。本方法和裝置不僅可以測量磁感應強度，經改裝也可容易地測量電場強度。本實用新型未述部分與現有技術相同。
權利要求1.基於龐磁電阻效應的磁感應強度測量裝置，其特徵在於，包括有電磁屏蔽裝置、第一 迴路和第二迴路，第一迴路中包括有龐磁電阻器件、亥姆霍茲線圈以及第一電源裝置，龐磁 電阻器件放置於亥姆霍茲線圈軸線中點，安裝有龐磁電阻器件的亥姆霍茲線圈與電源裝置 連接，形成第一迴路；第二迴路中包括有惠更斯電橋和第二電源裝置，惠更斯電橋與第二電 源裝置連接，形成第二迴路；同時，龐磁電阻器件連接到惠更斯電橋的待測電阻位置。
2.根據權利要求1所述的基於龐磁電阻效應的磁感應強度測量裝置，其特徵在於，龐 磁電阻器件包括一種ABO3型鈣鈦礦結構的稀土錳氧化物薄膜，該薄膜使用脈衝雷射濺射法 在Al2O3襯底上製備而成。
3.根據權利要求2所述的基於龐磁電阻效應的磁感應強度測量裝置，其特徵在於， 龐磁電阻器件所用的ABO3型稀土錳氧化物使用Ca元素對其進行A位元素替代，形成 LaxR1^xMnO3摻雜稀土錳氧化物。
4.根據權利要求1所述的基於龐磁電阻效應的磁感應強度測量裝置，其特徵在於，亥 姆霍茲線圈是一對相同的圓線圈，彼此平行且共軸，線圈間距等於線圈半徑。
5.根據權利要求1所述的基於龐磁電阻效應的磁感應強度測量裝置，其特徵在於，第 一電源裝置和第二電源裝置均為一種穩壓直流電源，電壓調節範圍為10-200V。
6.根據權利要求1所述的基於龐磁電阻效應的磁感應強度測量裝置，其特徵在於，電 磁屏蔽裝置是一個金屬絲網殼體。
專利摘要本實用新型涉及一種磁感應強度測量裝置，測量裝置包括有電磁屏蔽裝置、第一迴路和第二迴路，第一迴路中包括有龐磁電阻器件、亥姆霍茲線圈以及第一電源裝置，第二迴路中包括有惠更斯電橋和第二電源裝置。本實用新型利用龐磁電阻效應的顯著作用，採用了亥姆霍茲線圈提供反向磁場，用於平衡待測磁場，當惠更斯電橋平衡時，待測磁場在數值上與亥姆霍茲線圈磁場相等，而方向相反，不需要計算龐磁電阻器件的電阻，提高了計算準確度和精度；採用電磁屏蔽裝置，以此有效屏蔽環境磁場，提供零磁場強度的測量環境，為後續測量提供無幹擾的基礎參數，有利於提高測量準確度。
文檔編號G01R33/09GK201886140SQ201020663119
公開日2011年6月29日 申請日期2010年12月16日 優先權日2010年12月16日
發明者李宇勝, 王昕 , 王靜怡 申請人:福建水口發電集團有限公司