專利名稱：基于微處理器的巨磁實驗儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于微處理器的巨磁實驗儀，屬于大專院校的電磁學、物理學、電子技術等相關課程的實驗領域。
背景技術：
巨磁阻抗(Giant Magneto-impedance,簡稱GMI)效應，是20世紀90年代發現的新現象，是指材料的交流阻抗隨外加直流磁場的改變而發生劇烈變化的特性。巨磁阻抗一般定義為(Zh-Zci) /Zci，其中Ztl和Zh分別表示無外磁場和外加磁場下軟磁材料的交流阻抗，其比值的大小表示材料對磁場變化的敏感程度。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下材料的ΛΖ/Ζ。高達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,簡稱GMR)高一個數量級。巨磁阻抗效應具有快速響應，溫度穩定，無磁滯現象等特點，利用該效應制作的磁傳感器，不但繼承了傳統磁傳感器的優點，而且由于GMI磁阻抗變化率高，使它能探測微弱磁場，可廣泛應用于交通運輸、生物醫療、自動控制、安全生產等各行業，有著廣闊的應用前
旦
-5^ O現有巨磁阻抗的研究，大多集中于科研單位的實驗室或是研究生階段的學生進行研究，對巨磁阻抗現象的實驗研究，得動用恒流源、信號發生器等多種實驗器材，并進行復雜的組合，不方便于普通學生對巨磁阻抗效應的掌握。
發明內容針對現有的實驗儀器的不足，本實驗儀提出了一種將大電流恒流源、磁場線圈和高精度信號發生器、非晶絲巨磁阻抗傳感材料結合起來，并通過新型的微處理器進行精確控制的基于微處理器的巨磁實驗儀，可滿足高精度的實驗教學要求。同時通過對巨磁阻抗輸出隨磁感應強度變化等的多種關系的測量，使學生能了解與掌握巨磁阻抗效應的原理與應用。實驗儀能滿足大專院校的電磁學和物理等相關課程的教學實驗要求。本實驗儀由基于微處理器的巨磁實驗儀主機和外部可控磁場線圈、巨磁測量實驗平臺和非晶絲材料組成，基于微處理器的巨磁實驗儀主機上設置有五位數顯頻率表、四位數顯的電流表和電壓表、功能開關按鍵、八個數控按鍵、測量切換按鍵和兩個信號輸出端口，基于微處理器的巨磁實驗儀主機內設置有微處理器及其控制的大電流恒流源和高精信號發生器。本實驗儀采用的微處理器是德州儀器公司新開發的MSP430F149，它基于真正的正交16位RISCCPU內核，具有16個可單周期全尋址的16位寄存器，僅27條的精簡指令以及7種采用雙重取數據技術(DDFT)的一致性尋址方式。MSP430F149具有豐富的片上外圍模塊，片內包括有精密硬件乘法器、具有60KB的FLASH，2KB的RAM、I個看門狗、6個P端口(Pl和P2還具有中斷功能)、12位的A/D轉換器、2個16位定時器、高精度比較器、高速的USART通信端口，I個DCO內部振蕩器和2個外部時鐘等常用資源。[0008]實驗儀使用MSP430F149作為控制核心來實現對AD9851的控制，它具有編程簡便、接口簡單、小型化的特點。同時以微處理器為控制核心，控制由運算放大器和復合型大功率達林頓管構成的恒流源系統，實驗儀中的恒流源在20 2000mA輸出電流時，輸出電流誤差小于1mA，控制精度較高。微處理器經過運算形成相應的數字輸出量，再經D/A轉換器輸出相應的控制信號，實現對頻率輸出和恒流源電流輸出的精確調節。數控方式是采用鍵盤輸入方式，去設置所需的頻率值或電流值，并由LED數碼方式顯示出來。本實驗儀主機內具有了高精信號發生器，它主要采用了德州儀器公司的直接數字頻率(DDS)合成芯片AD9851。與早期的直接式頻率合成技術和鎖相環頻率合成技術相比較，其產生的信號具有波形穩定好、頻率分辨率高、頻率切換速度快等特點，并能實現編程控制。AD9851是ADI公司采用先進的DDS技術推出的高集成度DDS頻率合成器，它內部包括可編程DDS系統、高性能DAC及高速比較器，能實現全數字編程控制的頻率合成和時鐘 發生。AD9851接口功能控制簡單，可以用8位并行口或串行口直接輸入頻率、相位等控制數據。先進的CMOS工藝使AD9851性能一流，而且功耗低，在3. 3V供電時，功耗僅為155mW。本實驗儀在工作頻率為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AC/DC轉換電路后輸出為恒流源電路、微處理器控制系統以及恒壓源電路提供電源。恒流源電路完成輸出電流穩定的功能。微處理器系統完成人機交互功能，用戶通過鍵盤設定輸出電流值，經微處理器處理后經DAC轉換為控制電壓，傳入恒流源電路，從而控制輸出電流的大小。本實驗儀具有兩個可控磁場線圈，置于實驗儀主機上部，磁場線圈為空心結構，通入線圈的磁場電流由實驗儀主機內微處理器所控制的大電流恒流源提供。主機內恒流源所采用的運放芯片為LF353，LF353是一種帶內部微調輸入偏差電壓技術(BI-FET II technology)的高速運放，它輸入阻抗高，并具有極高的轉換率。同時為達到大電流輸出，在恒流源的輸出端采用了大功率的NPN型達林頓復合管電路。實驗儀采用獨立式鍵盤，即通過微處理器的I/O 口與按鍵相連，八個按鍵的設置為兩個菜單選擇鍵MENU，兩個選擇鍵SEL，向上變化鍵ADD，向下變化鍵INC，數值增加鍵UP和數值減小鍵DOWN。通過按鍵可對所需的頻率信號和電流大小進行控制和調節。實驗儀的非晶絲材料置于巨磁測量實驗平臺上，并置于磁場線圈的軸線上。實驗儀主機上的兩個信號輸出端口分別是非晶絲信號的輸出端口和取樣電阻信號的輸出端口。
圖I是基于微處理器的巨磁實驗儀，圖I中I是磁場線圈，2是巨磁測量實驗平臺，3是非晶絲材料，4是五位數顯頻率表，5是功能開關按鍵，6是八個數控按鍵，7是四位數顯的電流表和電壓表，8是測量切換按鍵，9是非晶絲信號的輸出端口，10是取樣電阻信號的輸出端口。圖2是微處理器控制框圖。圖3是信號發生電路圖。圖4是恒流源電路圖[0019]圖5是非晶絲信號放大電路圖具體實施方式
在巨磁阻抗測量實驗中，磁導率實際上是頻率的函數，當頻率升高時，趨膚效應增
強，這有利于磁阻抗效應，但另一方面，頻率升高會使有效磁導率下降，這使有效磁導率受
外磁場的影響減小，這又不利于磁阻抗效應。這導致在不同頻率下出現各種不同的GMI效
應，即阻抗在各種不同頻率下隨外磁場增大而改變的形式有所不同。
、ΔΖ Z(H)-Z(O),在頭驗中， 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為H時和為零時非晶絲兩端的電壓測量值，Ue(H)和Uk(O)分別為取樣電阻R兩端在外加磁場為H時和為零時的電壓測量值。在實驗中，可通過連續改變頻率，測量記錄非晶絲材料與取樣電阻的兩端電壓，研究Ue與f的函數關系及Ue與f的函數關系，并畫出UG-f和UR-f圖像，并可計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。并分別在外磁場為零與外磁場較大情況下測量。同樣，可進一步研究在不同的頻率下的變化規律，選取幾個固定頻率，通過改變磁場線圈中的電流，得到連續變化的磁場強度，測量記錄非晶絲材料與取樣電阻兩端電壓，根據GMI的定義計算，并畫出不同頻率下的GMI - B函數關系圖像。實驗儀上設置有兩個信號輸出端口，通過兩個信號輸出端口，可以分別將非晶絲和取樣電阻兩端的信號輸給示波器，能得到更好和更直觀的實驗結果。本實驗儀在采用的非晶絲GMI磁傳感器的敏感材料時，可采用典型的鈷基非晶絲薄帶，同時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傳感器的敏感材料，與傳統的晶態磁性材料相比，具有優異的電磁性能，具有體積小、性能指標高的特點。在實驗中應注意非晶絲材料應輕拿輕放，在測量和換取時應避免彎折、拉伸等機械形變。
權利要求1.一種基于微處理器的巨磁實驗儀，其特征是由基于微處理器的巨磁實驗儀主機和外部可控磁場線圈(I)、巨磁測量實驗平臺(2)和非晶絲材料(3)組成，基于微處理器的巨磁實驗儀主機上設置有五位數顯頻率表(4)、四位數顯的電流表和電壓表(7)、功能開關按鍵(5)、八個數控按鍵(6)、測量切換按鍵(8)、非晶絲信號的輸出端ロ(9)和取樣電阻信號的輸出端ロ(10)，基于微處理器的巨磁實驗儀主機內設置有微處理器及其控制的大電流恒流源和高精信號發生器。
2.根據權利要求I所述的基于微處理器的巨磁實驗儀，其特征是非晶絲材料(3)置于巨磁測量實驗平臺上(2)，井置于磁場線圈的軸線上。
3.根據權利要求I所述的基于微處理器的巨磁實驗儀，其特征是其外部可控磁場線圈(I)設置有兩個，置于實驗儀主機上部，磁場線圈為空心結構，通入線圈的磁場電流由實驗儀主機內微處理器所控制的大電流恒流源提供。
4.根據權利要求I所述的基于微處理器的巨磁實驗儀，其特征是基于微處理器的巨磁實驗儀主機內所米用的微處理器型號為MSP430F149。
5.根據權利要求I所述的基于微處理器的巨磁實驗儀，其特征是基于微處理器的巨磁實驗儀主機內的高精信號發生器采用了直接數字頻率合成芯片AD9851。
6.根據權利要求I所述的基于微處理器的巨磁實驗儀，其特征是基于微處理器的巨磁實驗儀主機內的大電流恒流源所采用的運放芯片為LF353，其輸出端采用大功率NPN型達林頓復合管電路。
專利摘要本實用新型涉及一種基于微處理器的巨磁實驗儀，由基于微處理器的巨磁實驗儀主機和外部可控磁場線圈、巨磁測量實驗平臺和非晶絲材料組成，基于微處理器的巨磁實驗儀主機上設置有五位數顯頻率表、四位數顯的電流表和電壓表、功能選擇按鍵、測量切換按鍵、八個數控按鍵和兩個信號輸出端口，基于微處理器的巨磁實驗儀主機內設置有大電流恒流源和高精信號發生器及微處理器和控制電路。實驗儀通過對非晶絲的巨磁阻抗的測量，使學生能更好的理解和掌握材料的GMI效應的規律和特點，深入理解磁疇、磁化、趨膚效應、阻抗等物理意義。本實驗儀結構合理，操作方便，教學效果好，適合于大專院校的電磁學、物理學、電子學等課程的教學實驗。
文檔編號G09B23/18GK202650373SQ20122023773
公開日2013年1月2日 申請日期2012年5月24日 優先權日2012年5月24日
發明者汪建, 王開明, 溫安祥, 杜世平, 孫萍 申請人:四川農業大學, 汪建