【文章內(nèi)容簡介】 SNR nosie signal 2 / / ? ? 六、結(jié)構(gòu)完整性檢測 安全檢測與監(jiān)控 霍爾效應緣于洛倫茲力對磁場中電子軌道的的作用。在霍爾器件中，電壓與通過導體或半導體載流產(chǎn)生的磁場成正比?；魻杺鞲衅鞣浅１阋饲液苋菀自诩呻娐分薪M合。然而，霍爾器件與磁阻元件相比靈敏度要低得多 ,正逐步為磁阻元件所替代 .霍爾傳感器已成功地在無損檢測中得到廣泛應用，其主要缺點在于靈敏度有限，也正是由于這個原因，霍爾傳感器的檢測效果很容易受檢測距離變化的顯著影響，提離效應比較嚴重。 六、結(jié)構(gòu)完整性檢測 安全檢測與監(jiān)控 （ MR） 磁阻元件是利用磁阻效應感應磁場的磁敏元件 。 當磁性或半導體材料受到外部磁場作用時 ， 其電阻發(fā)生變化的現(xiàn)象 ， 即磁阻效應 。 磁阻效應的發(fā)現(xiàn) ， 推動了能夠在多種場合替代應用成本較高的線圈傳感器的固態(tài)測磁傳感器的發(fā)展 。 材料的磁阻效應品質(zhì)一般采用磁阻率來表示 ， 其定義為： % 100 min min max % 180。 ? ? R R R MR 六、結(jié)構(gòu)完整性檢測 安全檢測與監(jiān)控 磁阻率反映出通過磁阻傳感器可獲得的最大信號強度 。 一般 各向異性磁阻傳感器 （ AMR） 的磁阻率為 12%， 而 巨磁阻元件 （ GMR） 的磁阻率可達 2050%。 由于磁阻率較為顯著 ， 在實際磁場檢測中得到廣泛應用的是 各向異性磁阻敏感元件 （ AMR） ， 這種元件的磁致電阻變化取決于通過薄膜電阻條的電流與外場磁化方向之間的夾角；當外磁場方向與電流方向平行時 ， 磁致電阻達到最大值 ， 而當外磁場方向與電流方向垂直時 ， 磁致電阻具有最小值；若外磁場與電流方向之間的夾角為 ?時 ， AMR磁敏元件的電阻為： ) ( cos 2 0 ? R R R D + ? 六、結(jié)構(gòu)完整性檢測 安全檢測與監(jiān)控 圖 21 AMR的磁阻變化機理解釋 顯然， AMR在外磁場與電流方向之間成 45?夾角時，具有最高的靈敏度且線性度最佳。因此，實際磁阻元件中 AMR材料普遍作成 45?斜條狀結(jié)構(gòu)。 六、結(jié)構(gòu)完整性檢測 安全檢測與監(jiān)控 圖 22 AMR的結(jié)構(gòu)形式及經(jīng)適當偏置時的磁電阻與磁場關系 六、結(jié)構(gòu)完整性檢測 安全檢測與監(jiān)控 (a)四個 AMR構(gòu)成的惠斯登電橋 (b)電橋中具有不同方位結(jié)構(gòu)電阻 圖 23 惠斯登電橋與磁阻傳感器工作原理 六、結(jié)構(gòu)完整性檢測 安全檢測與監(jiān)控 為減小外界環(huán)境對傳感器穩(wěn)定性的影響 ， 集成的磁阻傳感器芯片中一般采用四個相同的 AMR電阻器制成惠斯登電橋 ， 這樣 ，當有外磁場作用時 ， 不同結(jié)構(gòu)方位布置的電阻器因磁化而發(fā)生關于角對稱的增減 （ 圖 23） ， 電橋產(chǎn)生的輸出為： 在線性范圍內(nèi) ， 傳感器的輸出與外加磁場成正比 ， 即： 其中 ， S為傳感器的靈敏度 ， H為外加磁場的大小 。 磁阻傳感器的其靈敏度與線性范圍的大小成反比 ， 既線性范圍越寬 ， 其靈敏度越差 。 bout VRRV D?Dbo ut SHVV ?D六、結(jié)構(gòu)完整性檢測 安全檢測與監(jiān)控 磁阻傳感器具有以下特點： （ 1） 尺寸?。? （ 2） 高靈敏度 ， 允許傳感器距被測鐵磁工件有一段較長的距離； （ 3） 內(nèi)阻抗小 ， 對電磁噪聲和干擾不敏感； （ 4） 可靠性高； （ 5） 可方便地裝入線路板中 ， 實施成本低 。 AMR磁阻傳感器存在的最大問題是磁場檢測范圍偏低（最大 10 Oe）。 六、結(jié)構(gòu)完整性檢測 安全檢測與監(jiān)控 （ GMR） GMR是法國的 Baibich等人于 1988年在多層薄膜中發(fā)現(xiàn)的一種新的磁致電阻效應，與傳統(tǒng)的磁阻效應相比，這種效應產(chǎn)生的磁阻率高出一個數(shù)量級，可達 2050%。 巨磁阻元件由兩層或多層鐵磁性金屬（如 NiFe, CoFe等）膜組成，各層之間為超薄的非磁性金屬隔離層?？梢詫㈣F磁層看成電子自旋的極化過濾器，隔離層可在允許電子穿過的同時，允許薄膜層的磁場方向相反。 六、結(jié)構(gòu)完整性檢測 安全檢測與監(jiān)控 （ GMR） 當磁性層的按相同方向排列時，一層膜當中產(chǎn)生的電子可以相當自由地穿過到另一層。然而，如果磁化方向相反，一層膜中產(chǎn)生的電子，將受到鄰近層的封鎖，電子的自由運動受到阻礙，導致電阻的增加。如圖 24(c)的曲線所示，當外磁場為零時，處于正反磁化方向排列的薄膜層存在大量電子散射，電子自由運動受到阻斷，元件具有最大的電阻；當受到外磁場作用達到飽和時，電子可以自由地穿過隔離層，電阻最小。 六、結(jié)構(gòu)完整性檢測 安全檢測與監(jiān)控 圖 24 多層膜 GMR 電阻變化機理解釋 六、結(jié)構(gòu)完整性檢測 安全檢測與監(jiān)控 多層膜元件的一種改進結(jié)構(gòu)如圖 25所示，這種結(jié)構(gòu)的巨磁阻僅由兩層磁性金屬薄膜組成，底層膜直接沉積在一個抗磁性固化層上?？勾艑颖旧聿黄鸫?，但能夠保持鄰近的鐵磁層磁化方向固定。而另一鐵磁層則可以響應外磁場作用，自由改變磁化方向，這種結(jié)構(gòu)的可形象地稱作“自旋閥”，它可以像一個閥門一樣，通過外磁場的作用改變上層薄膜的磁化方向，控制著通過元件的自旋電子流量。在一個經(jīng)過適當偏置的自旋閥中，自由層的靜態(tài)位置設置成與固定鐵磁層垂直，以取得最大的靈敏度和信號振蕩。自旋閥沿固定層方向?qū)ν饧哟艌龅捻憫谙喈攲挼姆秶鷥?nèi)呈線性。這使得磁致電阻 R與磁場 H之間的關系為奇函數(shù)且通過零點。 六、結(jié)構(gòu)完整性檢測 安全檢測與監(jiān)控 圖 25 自旋閥 GMR工作原理解釋 六、結(jié)構(gòu)完整性檢測 安全檢測與監(jiān)控 巨磁阻傳感器一般也采用由四個電阻器構(gòu)成惠斯登電橋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其中兩個電阻為巨磁電阻，另外兩個為磁屏蔽電阻（電阻值不隨磁場變化）。對圖 26所示的惠斯登電橋，設 R1為巨磁電阻， R2為磁屏蔽電阻，當受到外磁場作用時，R1因巨磁阻效應而降低，此時電橋的輸出電壓為： b out V R R R R V 2 1 2 1 + ? ? 六、結(jié)構(gòu)完整性檢測 安全檢測與監(jiān)控 電流輸入端 R1 R1 R2 R2 輸出端 輸出端 R1 R2 R1 R2 當無外磁場作用時 ， R1=R2 當存在外磁場作用時 ， R1R2 圖 26 巨磁阻傳感器工作原理 六、結(jié)構(gòu)完整性檢測 安全檢測與監(jiān)控 巨磁阻傳感器擁有磁阻傳感器的優(yōu)點，還具備如下顯著的優(yōu)越性： （ 1）可實現(xiàn)更高的靈敏度，高達 18mV/ V/Oe； （ 2）更寬的磁場檢測范圍，可在 ?200 Oe的范圍內(nèi)保持良好的線性度。 利用巨磁阻效應的數(shù)據(jù)讀出磁頭技術已經(jīng)成為當今磁盤記錄的核心技術，巨磁阻效應在這一領域的應用已經(jīng) 使磁盤記錄的面密度超過 Gb/in2，極大地提高了磁盤的存儲容量。 六、結(jié)構(gòu)完整性檢測 安全檢測與監(jiān)控 六、結(jié)構(gòu)完整性檢測 電磁檢測技術 磁粉檢測技術 基本原理： 將鐵磁工件置于磁場內(nèi)，工件被磁化，其磁感應強度為： B = ?H, B— 工件的磁感應強度，直接影響磁粉檢測質(zhì)量及靈敏度 ?— 材料的磁導率，越高越容易磁化。 磁粉檢測的必備步驟： （ 1）被測工件必須磁化； （ 2）磁化的工件上必須施加合適的磁粉； （ 3）任何磁粉堆積必須加以觀察和解釋。 當工件被磁化后，若在其表面或近表面存在缺陷時，就會在該處形成一漏磁場，對該處的磁粉吸引積聚，形成缺陷顯示 安全檢測與監(jiān)控 六、結(jié)構(gòu)完整性檢測 電磁檢測技術 把鐵磁工件放在磁極之間，工件中就會有磁力線通過。如工件內(nèi)部沒有缺陷且各處的磁導率一致，則磁力線在工件中分布是均勻的。 N S 完整工件的磁力線分布 N S 含表面缺陷工件的磁力線分布 當工件中有氣孔、夾渣、裂紋等缺陷存在時，構(gòu)成缺陷的是非磁性物質(zhì)，磁導率很低，磁阻很大，必將引起磁力線在工件中的分布發(fā)生變化，在缺陷處的磁力線發(fā)生彎曲。 磁粉（粒度 510?m):Fe3O4,Fe2O3 顏色：黑、紅、白，顯示缺陷位置 熒光磁粉，用紫外燈照射 近表面缺陷工件磁力線分布 安全檢測與監(jiān)控 六、結(jié)構(gòu)完整性檢測 電磁檢測技術 影響漏磁場的因素 （ 1）外加磁場 外加磁場強度越大，工件中感應出的磁場強度也越大，磁力線分布越密集，受缺陷阻礙的磁力線彎曲的強度和數(shù)量越多，形成的漏磁場強度隨之增加。 一般工件中磁感應強度達到 左右即可保證缺陷處的漏磁場能夠吸附磁粉。 （ 2）材料的磁導率：不同的磁導率是不一樣的，磁導率高的材