磁阻元件磁阻效應(yīng)用于金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量的作用

2.1 磁阻效應(yīng)的原理
 
磁阻效應(yīng)是指某些金屬或半導(dǎo)體的電阻值隨外加磁場(chǎng)變化而變化的現(xiàn)象。磁阻效應(yīng)是由于載流子在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力而產(chǎn)生的。當(dāng)半導(dǎo)體處于磁場(chǎng)中時(shí)，金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體的載流子將受洛侖茲力的作用，發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在兩端產(chǎn)生積聚電荷并產(chǎn)生霍耳電場(chǎng)。如果霍耳電場(chǎng)作用和某一速度載流子的洛侖茲力作用剛好抵消，那么小于或大于該速度的載流子將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因而沿外加電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)量將減少，電阻增大，表現(xiàn)出橫向磁阻效應(yīng)。由于磁阻傳感器電阻的相對(duì)變化率正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度，因此也可以用磁阻傳感器電阻的相對(duì)改變量來(lái)表示磁阻效應(yīng)的大小。若外加磁場(chǎng)與外加電場(chǎng)垂直，稱為橫向磁阻效應(yīng)；若外加磁場(chǎng)與外加電場(chǎng)平行，稱為縱向磁阻效應(yīng)。一般情況下，載流子有效質(zhì)量的馳豫時(shí)間與方向無(wú)關(guān)，則縱向磁感強(qiáng)度不引起載流子偏移，因而無(wú)縱向磁阻效應(yīng)。
 
材料的電阻會(huì)因?yàn)橥饧哟艌?chǎng)變化而增加或減少，將此電阻的變化稱為磁阻（MR）。磁阻效應(yīng)是1857 年由英國(guó)物理學(xué)家威廉·湯姆森發(fā)現(xiàn)的，它在金屬里可以忽略，在半導(dǎo)體中則可能由小到中等。從一般磁阻開始，磁阻發(fā)展經(jīng)歷了巨磁阻（GMR）、龐磁阻（CMR）、穿隧磁阻（TMR）、直沖磁阻（BMR）和異常磁阻（EMR）等階段。
 
2.2 磁阻元件應(yīng)用于金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)磁體角度檢測(cè)的研究
 
利用磁阻效應(yīng)構(gòu)成的電路元件即稱磁阻元件。磁阻元件的磁阻效應(yīng)在半導(dǎo)體中表現(xiàn)尤為明顯[16]。本論文選用不同磁阻元件，將其應(yīng)用于金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)的測(cè)量。
 
在實(shí)際應(yīng)用中，浮子在金屬錐管內(nèi)隨著流量的變化而上下移動(dòng)，能夠測(cè)量出浮子的位置，即可通過式（1-1）計(jì)算出通過流量計(jì)的流體體積流量。但直接測(cè)量浮子的縱向位移難度較大，通?？赏ㄟ^在浮子內(nèi)嵌入小磁鋼，在金屬錐管管體外安裝圓形磁體，如圖2-1，通過磁路耦合將浮子的縱向位移轉(zhuǎn)換成外部磁體的角度變化，并通過磁阻元件測(cè)量此角度。設(shè)計(jì)與磁阻元件配套的硬件電路，使其輸出為模擬電壓，其幅值是磁體角度的單值函數(shù)，且大小適合輸入單片機(jī)。
 
2.3 磁敏電阻和磁阻傳感器
 
本論文選用兩款磁阻元件， HB-QCZ111 型磁敏電阻和HMC1512 型磁阻傳感器，分別為它們?cè)O(shè)計(jì)配套的外圍電路，使之適用于測(cè)量磁體角度。對(duì)兩種磁阻元件設(shè)計(jì)的角度測(cè)量模塊進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)，并確定較適合的元件應(yīng)用于金屬管浮子流量計(jì)。
 
磁敏電阻是利用半導(dǎo)體的磁阻效應(yīng)制造的，常用InSb（銻化銦）材料加工而成。在一個(gè)長(zhǎng)方形半導(dǎo)體InSb 片中，沿長(zhǎng)度方向有電流通過時(shí)，若在垂直于電流片的寬度方向上施加一個(gè)磁場(chǎng)，半導(dǎo)體InSb 片長(zhǎng)度方向上就會(huì)發(fā)生電阻率增大的現(xiàn)象[17]。HB-QCZ111 型磁敏電阻為三端器件，內(nèi)部為兩個(gè)串聯(lián)的InSb 片。當(dāng)有20 mT 或20 mT 以上的磁信號(hào)作用于該元件表面時(shí)，即有一定幅值的正弦波信號(hào)輸出，其幅值只與磁信號(hào)的角度有關(guān)，與磁信號(hào)的強(qiáng)弱無(wú)關(guān)。
 
磁阻傳感器是由長(zhǎng)條鐵磁薄膜（如透磁合金、鎳鐵合金）制成的，這種合金磁膜的電阻性隨磁場(chǎng)的變化而變化。用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體技術(shù)將這些薄膜熔制在硅片上。板的厚度有幾百埃（150-500），寬度為幾十微米（10-50），長(zhǎng)度從幾百至幾千微米。磁阻傳感器具有一條明確的易磁化軸，可作為集成電路批量生產(chǎn)，靈敏度小于0.1 mGs，固態(tài)小尺寸封裝，且響應(yīng)時(shí)間小于1 ms。[18]HMC1512型磁阻傳感器內(nèi)部為雙路惠斯頓電橋，每個(gè)電橋用四個(gè)完全相同的磁控電阻器制成。