非接触式新型测量电流的研究与实现..doc

06073 非接触式新型测量电流的研究与实现 非接触式新型测量电流的研究与实现 摘要: 本文阐述了一种用于工业测量大电流的非接触式装置的实现方案。将现代物理必威体育精装版的“巨磁电阻”能精确地检测电流产生的磁场并将之转化为电压信号体现出来原理，应用到工业测量大电流中。本课题通过大量实验论证，创新地设计了非接触式电流测量的方案及实物模型。此方案如应用到工业的大电流测量中，将能够使工业测量趋于精确化、简单化，减少人力资源的浪费，提高了生产效率，也符合中国当前新型工业的发展模式。 关键词：非接触式电流测量 巨磁电阻 工业大电流测量 一、前言： （一）课题的由来 在平时的劳技课上，许多同学都曾做过这种实验并有类似经验：在布设有照明电路暗线的墙壁上钉钉子时，要比较准确地找出电线的位置避开来，可不是件容易的事。如果想要迅速找出电线的位置，就要制造一个可以感应到微弱电压信号的高灵敏度的感应器。这使我产生了一种想法，能否制造一种更加方便的测量装置。于是我询问了我的物理老师，从他那里了解到现代工业上在工业设备和电力设备这方面的测量上都存在类似不够便捷、精确等缺点。之后我上网查找资料，得知今年诺贝尔物理学奖得主，德国人彼得?格林贝格尔和法国人阿贝尔?费尔发现的一种全新物理现象，即“巨磁电阻”效应。过去十年里，硬盘已经缩小到了一张邮票的大小，但是它的存储能力却提高了50倍——这项功劳归全功于这两个人的这项发现。 看到“巨磁电阻”效应的巨大优势和应用前景，我想到将这一技术应用到一种非接触式的测量电流大小的方案中去，尤其适用于测量大电流来达到通过磁场的测量测精确电流的目的。 （二）“巨磁电阻”效应概述和应用现状 所谓“巨磁电阻”效应，即在这一效应之下，极弱的磁场变化可以造成明显的电阻值变化，因而可以成为读取磁性介质内所存储的数据并转化为电流信号的理想工具。从MP3硬盘类小型音乐播放器的诞生到数码相机再到笔记本电脑，他们存储与我们日常生活密切相关的各种数据的功能大幅提高，这都得益于此项硬盘技术的突破。 磁电阻效应是指在一定磁场下磁性金属和合金电阻发生变化，“巨磁电阻”效应是指在一定的磁场下电阻急剧变化，变化的幅度比通常磁性金属与合金材料的磁电阻数值高10余倍。20世纪90年代，人们在多种纳米结构的多层膜中观察到了显著的“巨磁电阻”效应。 由于 “巨磁电阻”效应易使器件小型化，廉价化，除读出磁头外，同样应用于测量位移、角度等传感器中，并已广泛地应用于数控机床、汽车测速仪、非接触开关和旋转编码器中，与光电等传感器相比，它具有功耗小、可靠性高、体积小、能工作于恶劣的工作条件等优点。此外，利用“巨磁电阻”效应在不同的磁化状态具有不同电阻值的特点，可以制成随机存器。由于其具有可在无电源的情况下继续保留信息的优点，已经成为小型高科技电器必备的存储件。同时，巨磁电阻材料做成的高敏度磁传感器可对微弱磁场信号进行传感。此外，它在自动化技术、家用电器、商标识别、卫星定位导航系统以及精密测量技术等领域有广阔的应用前景。 （三）巨磁电阻（GMR）传感器的物理原理 1. AA002-02型巨磁电阻器件的构造和工作原理 0 图1：AA002-02型巨磁电阻器件构造 如图1所示，AA002-02型巨磁电阻器件由4个相同材料且阻值严格相等的巨磁电阻R接成直流电桥结构。其中R4和R2 有坡莫合金层屏蔽层，其阻值不随外界磁场变化。若V+和V- 作为芯片的输入端，输入电压为U，将Vout和0 间作为输出端，那么R1和R4的串联电阻阻值为R+R+△R=2R+△R,其中R为与磁场无关的单个电阻阻值，而△R为存在外磁场时，单个巨磁电阻的电阻改变量，△R=R(B)-R(0)。同样，R3+R2 =2R+△R，由此可知，Vout和0 间的输出电压为。 2．此类巨磁电阻材料的优点 ①磁电阻率ΔR/R可对外磁场的响应呈线性关系，频率特性好； ②操作磁通小，工作磁场小； ③电阻随磁场变化迅速，灵敏度高； ④利用层间转动磁化过程能有效地抑制噪声，信噪比高。 二、利用AA002-02巨磁电阻器件进行非接触式测量电流大小的装置和实验方案 （一）创新点 本研究的意义在于提出一种用于工业测量大电流的非接触式装置的现实方案。利用巨磁电阻器件有效便捷并精确地检测电流产生的磁场，并将之转化为电压信号体现出来。将现代物理必威体育精装版的“巨磁电阻”效应大，测量精确度高，易使器件小型化，廉价化等优点应用到工业测量大电流的方案中。一系列的调查证明，这种包含了磁性材料，纳米技术以及半导体集成的巨磁电阻测量精度可以达到一千万亿分之一，与霍尔元件测量精度和使用方式对比，可以说大幅改善了以往测量中的不足。本研究的创新和实用价值在于根据巨磁电阻器件的特点