專利名稱：基于微處理器的巨磁實(shí)驗(yàn)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于微處理器的巨磁實(shí)驗(yàn)儀，屬于大專院校的電磁學(xué)、物理學(xué)、電子技術(shù)等相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
巨磁阻抗(Giant Magneto-impedance,簡(jiǎn)稱GMI)效應(yīng)，是20世紀(jì)90年代發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象，是指材料的交流阻抗隨外加直流磁場(chǎng)的改變而發(fā)生劇烈變化的特性。巨磁阻抗一般定義為(Zh-Zci) /Zci，其中Ztl和Zh分別表示無外磁場(chǎng)和外加磁場(chǎng)下軟磁材料的交流阻抗，其比值的大小表示材料對(duì)磁場(chǎng)變化的敏感程度。1992年，日本Mohri教授等人首先在FeCoSiB 非晶軟磁絲中觀察到在磁場(chǎng)下材料的ΛΖ/Ζ。高達(dá)50%以上，靈敏度比金屬多層膜Fe/Cr或Co/Ag中的巨磁電阻(Giant Magnetic Resistance,簡(jiǎn)稱GMR)高一個(gè)數(shù)量級(jí)。巨磁阻抗效應(yīng)具有快速響應(yīng)，溫度穩(wěn)定，無磁滯現(xiàn)象等特點(diǎn)，利用該效應(yīng)制作的磁傳感器，不但繼承了傳統(tǒng)磁傳感器的優(yōu)點(diǎn)，而且由于GMI磁阻抗變化率高，使它能探測(cè)微弱磁場(chǎng)，可廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、生物醫(yī)療、自動(dòng)控制、安全生產(chǎn)等各行業(yè)，有著廣闊的應(yīng)用前
旦
-5^ O現(xiàn)有巨磁阻抗的研究，大多集中于科研單位的實(shí)驗(yàn)室或是研究生階段的學(xué)生進(jìn)行研究，對(duì)巨磁阻抗現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究，得動(dòng)用恒流源、信號(hào)發(fā)生器等多種實(shí)驗(yàn)器材，并進(jìn)行復(fù)雜的組合，不方便于普通學(xué)生對(duì)巨磁阻抗效應(yīng)的掌握。
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)儀器的不足，本實(shí)驗(yàn)儀提出了一種將大電流恒流源、磁場(chǎng)線圈和高精度信號(hào)發(fā)生器、非晶絲巨磁阻抗傳感材料結(jié)合起來，并通過新型的微處理器進(jìn)行精確控制的基于微處理器的巨磁實(shí)驗(yàn)儀，可滿足高精度的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求。同時(shí)通過對(duì)巨磁阻抗輸出隨磁感應(yīng)強(qiáng)度變化等的多種關(guān)系的測(cè)量，使學(xué)生能了解與掌握巨磁阻抗效應(yīng)的原理與應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)儀能滿足大專院校的電磁學(xué)和物理等相關(guān)課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)要求。本實(shí)驗(yàn)儀由基于微處理器的巨磁實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)和外部可控磁場(chǎng)線圈、巨磁測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和非晶絲材料組成，基于微處理器的巨磁實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)上設(shè)置有五位數(shù)顯頻率表、四位數(shù)顯的電流表和電壓表、功能開關(guān)按鍵、八個(gè)數(shù)控按鍵、測(cè)量切換按鍵和兩個(gè)信號(hào)輸出端口，基于微處理器的巨磁實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)內(nèi)設(shè)置有微處理器及其控制的大電流恒流源和高精信號(hào)發(fā)生器。本實(shí)驗(yàn)儀采用的微處理器是德州儀器公司新開發(fā)的MSP430F149，它基于真正的正交16位RISCCPU內(nèi)核，具有16個(gè)可單周期全尋址的16位寄存器，僅27條的精簡(jiǎn)指令以及7種采用雙重取數(shù)據(jù)技術(shù)(DDFT)的一致性尋址方式。MSP430F149具有豐富的片上外圍模塊，片內(nèi)包括有精密硬件乘法器、具有60KB的FLASH，2KB的RAM、I個(gè)看門狗、6個(gè)P端口(Pl和P2還具有中斷功能)、12位的A/D轉(zhuǎn)換器、2個(gè)16位定時(shí)器、高精度比較器、高速的USART通信端口，I個(gè)DCO內(nèi)部振蕩器和2個(gè)外部時(shí)鐘等常用資源。[0008]實(shí)驗(yàn)儀使用MSP430F149作為控制核心來實(shí)現(xiàn)對(duì)AD9851的控制，它具有編程簡(jiǎn)便、接口簡(jiǎn)單、小型化的特點(diǎn)。同時(shí)以微處理器為控制核心，控制由運(yùn)算放大器和復(fù)合型大功率達(dá)林頓管構(gòu)成的恒流源系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)儀中的恒流源在20 2000mA輸出電流時(shí)，輸出電流誤差小于1mA，控制精度較高。微處理器經(jīng)過運(yùn)算形成相應(yīng)的數(shù)字輸出量，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率輸出和恒流源電流輸出的精確調(diào)節(jié)。數(shù)控方式是采用鍵盤輸入方式，去設(shè)置所需的頻率值或電流值，并由LED數(shù)碼方式顯示出來。本實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)內(nèi)具有了高精信號(hào)發(fā)生器，它主要采用了德州儀器公司的直接數(shù)字頻率(DDS)合成芯片AD9851。與早期的直接式頻率合成技術(shù)和鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)相比較，其產(chǎn)生的信號(hào)具有波形穩(wěn)定好、頻率分辨率高、頻率切換速度快等特點(diǎn)，并能實(shí)現(xiàn)編程控制。AD9851是ADI公司采用先進(jìn)的DDS技術(shù)推出的高集成度DDS頻率合成器，它內(nèi)部包括可編程DDS系統(tǒng)、高性能DAC及高速比較器，能實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成和時(shí)鐘 發(fā)生。AD9851接口功能控制簡(jiǎn)單，可以用8位并行口或串行口直接輸入頻率、相位等控制數(shù)據(jù)。先進(jìn)的CMOS工藝使AD9851性能一流，而且功耗低，在3. 3V供電時(shí)，功耗僅為155mW。本實(shí)驗(yàn)儀在工作頻率為180MHz的情況下，通過頻率控制，可輸出頻率分辨率為O. IHz的波形，且輸出頻率范圍是IHz 50MHz。輸入電壓經(jīng)AC/DC轉(zhuǎn)換電路后輸出為恒流源電路、微處理器控制系統(tǒng)以及恒壓源電路提供電源。恒流源電路完成輸出電流穩(wěn)定的功能。微處理器系統(tǒng)完成人機(jī)交互功能，用戶通過鍵盤設(shè)定輸出電流值，經(jīng)微處理器處理后經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換為控制電壓，傳入恒流源電路，從而控制輸出電流的大小。本實(shí)驗(yàn)儀具有兩個(gè)可控磁場(chǎng)線圈，置于實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)上部，磁場(chǎng)線圈為空心結(jié)構(gòu)，通入線圈的磁場(chǎng)電流由實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)內(nèi)微處理器所控制的大電流恒流源提供。主機(jī)內(nèi)恒流源所采用的運(yùn)放芯片為LF353，LF353是一種帶內(nèi)部微調(diào)輸入偏差電壓技術(shù)(BI-FET II technology)的高速運(yùn)放，它輸入阻抗高，并具有極高的轉(zhuǎn)換率。同時(shí)為達(dá)到大電流輸出，在恒流源的輸出端采用了大功率的NPN型達(dá)林頓復(fù)合管電路。實(shí)驗(yàn)儀采用獨(dú)立式鍵盤，即通過微處理器的I/O 口與按鍵相連，八個(gè)按鍵的設(shè)置為兩個(gè)菜單選擇鍵MENU，兩個(gè)選擇鍵SEL，向上變化鍵ADD，向下變化鍵INC，數(shù)值增加鍵UP和數(shù)值減小鍵DOWN。通過按鍵可對(duì)所需的頻率信號(hào)和電流大小進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)儀的非晶絲材料置于巨磁測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，并置于磁場(chǎng)線圈的軸線上。實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)上的兩個(gè)信號(hào)輸出端口分別是非晶絲信號(hào)的輸出端口和取樣電阻信號(hào)的輸出端口。

圖I是基于微處理器的巨磁實(shí)驗(yàn)儀，圖I中I是磁場(chǎng)線圈，2是巨磁測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，3是非晶絲材料，4是五位數(shù)顯頻率表，5是功能開關(guān)按鍵，6是八個(gè)數(shù)控按鍵，7是四位數(shù)顯的電流表和電壓表，8是測(cè)量切換按鍵，9是非晶絲信號(hào)的輸出端口，10是取樣電阻信號(hào)的輸出端口。圖2是微處理器控制框圖。圖3是信號(hào)發(fā)生電路圖。圖4是恒流源電路圖[0019]圖5是非晶絲信號(hào)放大電路圖具體實(shí)施方式
在巨磁阻抗測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，磁導(dǎo)率實(shí)際上是頻率的函數(shù)，當(dāng)頻率升高時(shí)，趨膚效應(yīng)增
強(qiáng)，這有利于磁阻抗效應(yīng)，但另一方面，頻率升高會(huì)使有效磁導(dǎo)率下降，這使有效磁導(dǎo)率受
外磁場(chǎng)的影響減小，這又不利于磁阻抗效應(yīng)。這導(dǎo)致在不同頻率下出現(xiàn)各種不同的GMI效
應(yīng)，即阻抗在各種不同頻率下隨外磁場(chǎng)增大而改變的形式有所不同。
、ΔΖ Z(H)-Z(O),在頭驗(yàn)中， 茲阻抗比為Z(O)~ Z(O)— I/,,(H)U,,(O)—,其中和
Ug(O)分別表示在外加磁場(chǎng)為H時(shí)和為零時(shí)非晶絲兩端的電壓測(cè)量值，Ue(H)和Uk(O)分別為取樣電阻R兩端在外加磁場(chǎng)為H時(shí)和為零時(shí)的電壓測(cè)量值。在實(shí)驗(yàn)中，可通過連續(xù)改變頻率，測(cè)量記錄非晶絲材料與取樣電阻的兩端電壓，研究Ue與f的函數(shù)關(guān)系及Ue與f的函數(shù)關(guān)系，并畫出UG-f和UR-f圖像，并可計(jì)算出不同頻率下阻抗Z的大小，畫出Z-f曲線，頻率的變化范圍為IMHz到50MHz。并分別在外磁場(chǎng)為零與外磁場(chǎng)較大情況下測(cè)量。同樣，可進(jìn)一步研究在不同的頻率下的變化規(guī)律，選取幾個(gè)固定頻率，通過改變磁場(chǎng)線圈中的電流，得到連續(xù)變化的磁場(chǎng)強(qiáng)度，測(cè)量記錄非晶絲材料與取樣電阻兩端電壓，根據(jù)GMI的定義計(jì)算，并畫出不同頻率下的GMI - B函數(shù)關(guān)系圖像。實(shí)驗(yàn)儀上設(shè)置有兩個(gè)信號(hào)輸出端口，通過兩個(gè)信號(hào)輸出端口，可以分別將非晶絲和取樣電阻兩端的信號(hào)輸給示波器，能得到更好和更直觀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本實(shí)驗(yàn)儀在采用的非晶絲GMI磁傳感器的敏感材料時(shí)，可采用典型的鈷基非晶絲薄帶，同時(shí)也可采用鐵基非晶絲、納米非晶絲等。采用非晶絲材料作為磁場(chǎng)傳感器的敏感材料，與傳統(tǒng)的晶態(tài)磁性材料相比，具有優(yōu)異的電磁性能，具有體積小、性能指標(biāo)高的特點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意非晶絲材料應(yīng)輕拿輕放，在測(cè)量和換取時(shí)應(yīng)避免彎折、拉伸等機(jī)械形變。
權(quán)利要求1.一種基于微處理器的巨磁實(shí)驗(yàn)儀，其特征是由基于微處理器的巨磁實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)和外部可控磁場(chǎng)線圈(I)、巨磁測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(2)和非晶絲材料(3)組成，基于微處理器的巨磁實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)上設(shè)置有五位數(shù)顯頻率表(4)、四位數(shù)顯的電流表和電壓表(7)、功能開關(guān)按鍵(5)、八個(gè)數(shù)控按鍵(6)、測(cè)量切換按鍵(8)、非晶絲信號(hào)的輸出端ロ(9)和取樣電阻信號(hào)的輸出端ロ(10)，基于微處理器的巨磁實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)內(nèi)設(shè)置有微處理器及其控制的大電流恒流源和高精信號(hào)發(fā)生器。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于微處理器的巨磁實(shí)驗(yàn)儀，其特征是非晶絲材料(3)置于巨磁測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上(2)，井置于磁場(chǎng)線圈的軸線上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于微處理器的巨磁實(shí)驗(yàn)儀，其特征是其外部可控磁場(chǎng)線圈(I)設(shè)置有兩個(gè)，置于實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)上部，磁場(chǎng)線圈為空心結(jié)構(gòu)，通入線圈的磁場(chǎng)電流由實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)內(nèi)微處理器所控制的大電流恒流源提供。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于微處理器的巨磁實(shí)驗(yàn)儀，其特征是基于微處理器的巨磁實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)內(nèi)所米用的微處理器型號(hào)為MSP430F149。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于微處理器的巨磁實(shí)驗(yàn)儀，其特征是基于微處理器的巨磁實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)內(nèi)的高精信號(hào)發(fā)生器采用了直接數(shù)字頻率合成芯片AD9851。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于微處理器的巨磁實(shí)驗(yàn)儀，其特征是基于微處理器的巨磁實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)內(nèi)的大電流恒流源所采用的運(yùn)放芯片為LF353，其輸出端采用大功率NPN型達(dá)林頓復(fù)合管電路。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于微處理器的巨磁實(shí)驗(yàn)儀，由基于微處理器的巨磁實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)和外部可控磁場(chǎng)線圈、巨磁測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和非晶絲材料組成，基于微處理器的巨磁實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)上設(shè)置有五位數(shù)顯頻率表、四位數(shù)顯的電流表和電壓表、功能選擇按鍵、測(cè)量切換按鍵、八個(gè)數(shù)控按鍵和兩個(gè)信號(hào)輸出端口，基于微處理器的巨磁實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)內(nèi)設(shè)置有大電流恒流源和高精信號(hào)發(fā)生器及微處理器和控制電路。實(shí)驗(yàn)儀通過對(duì)非晶絲的巨磁阻抗的測(cè)量，使學(xué)生能更好的理解和掌握材料的GMI效應(yīng)的規(guī)律和特點(diǎn)，深入理解磁疇、磁化、趨膚效應(yīng)、阻抗等物理意義。本實(shí)驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)合理，操作方便，教學(xué)效果好，適合于大專院校的電磁學(xué)、物理學(xué)、電子學(xué)等課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。
文檔編號(hào)G09B23/18GK202650373SQ20122023773
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月24日
發(fā)明者汪建, 王開明, 溫安祥, 杜世平, 孫萍 申請(qǐng)人:四川農(nóng)業(yè)大學(xué), 汪建