2121403372

32

2.5. Magnctore/.ystancyjne przetworniki pomiarowe

Od czasu odkrycia przez Thomsona magnetorezystancyjncgo efektu w materiałach ferromagnetycznych (załącznik Zl) w roku 1857 do opisania w literaturze pierwszego czujnika magnctorczystancyjnego upłynęło 109 lat. Badania nad materiałami i efektami magnetore-zystancyjnymi trwają nadal. Typowe parametry i składy chemiczne stopów mgnetorezys-tancyjnych przedstaw iono w tabeli 2.2 [141, 142).

Tablica 2.2

Klasyczne materiały magnctorc/ystancyjne

Matcnał	Ap'p	P	H,	H<	A
	•/.		Aż'm	A/m	to*
NiFe (81/19)	Mim	22	250	80	-0
NiFe (86 14)	3.0	15		100	-12
NiCo (70/30)	3.8	26	2500	1500	-20
NiCo (50'50)	22	24	2500	1000	-0
NiFeCo (60^f 10/30)	3.2	18	IWO	300	-5
NiFcCo(74/10'16)	2.8	23	100	250	-0

Ponieważ właściwości struktury elementów magnetorczystancyjnych narzucają sposób pomiaru, dlatego zostaną one szerzej omówione na przykładzie magnctorczystorów serii KMZ firmy Philips 1106).

Zmiana rezystancji magnetorezystora pod wpływem namagnesowania opisywana jest równaniem (141]:

(2.35)

R_t 2 p

gdzie: Ap/p - współczynnik magnetorezystywności,

9 - kąt pomiędzy kierunkiem przepływu prądu a kierunkiem magnetyzacji. Podstawowa zależność charakteryzująca magnetorezysior przedstawia się następująco:

AR)R = f{H).    (2.36)

Wartość rezystancji magnetorezystora jest ściśle uzależniona od:

<p - kąta między kierunkiem wektora magnetyzacji a osią anizotropii materiału, c-kąta ścieżki magnetorezystora utworzonego z osią anizotropii,

9-kąta pomiędzy kierunkiem przepływu prądu a kierunkiem magnetyzacji.

Związki pomiędzy kątami przedstawia rys. 2.7.

W zależności od kąta y zmiany rezystancji magnetorezystora opisuje zależność (2.35)

(112]:

SR, A£ R, " p

-cos 2y- cos 2

i

//.

H, + //

♦ sin 2y

H.

H, + H.

1--

H_t+H

(2.37)

gdzie: //„ //,- składowe zewnętrznego pola magnetycznego, H_k - pole anizotropii (//_k« 2K/J_t),

K - stała anizotropii materiału,

J% - magnetyzacja.

Rys. 2.8. Magnetorezystor R, umieszczony w polu magnetycznym: //„ H_r - składowe zewnętrznego pola magnetycznego. L - oś anizotropii (łatwego magnesowania). J -oś magnetyzacji. /*- kierunek przepływu prądu Fig. 2.8. Magnetoresistant element R, placed in magnetic field: H„ H_r - tangential and norma! of external magnetic field L - anisotropy axis (easy magnetisation). J -magnetisation axis,I_w direction of fiwc current

Podstawiając za HJH_y=h, oraz /////, =/»„ otrzymuje się zależność:

Mi R.

Ap

P

1 ^

COS2y~ y -■■■fi-

² M ⁺

\ + h

sin2y

(2.38)

Dla szczególnego przypadku ścieżki magnetorezystora wytrawionej pod kątem y =45 otrzymuje się charakterystykę w przybliżeniu liniową, opisaną zależnością:

_J_

P W. ♦ ",

H,.

(2.39)

Dla magnetorezystora usytuowanego pod kątem 45 stopni w stosunku do kierunku strumienia pola magnetycznego istnieje obszar pracy, w którym charakterystyka przetwarzania jest liniowa i symetryczna, jak pokazano na rysunku 2.9.

W sondach pomiarowych zastosowano mostkowe magnetorczystory Firmy Philips serii KMZ10A, KMZB.KMZIOC (88]. Są to przetworniki magnetorezystancyjne wielościeżkowc produkowane w technologii Barbcr-polc. Według tej technologii na ścieżce ferromagnetycznej naniesione są dodatkowe elektrody z materiału przewodzącego, ułożone pod kątem y - 45° do kierunku ścieżki materiału ferromagnetycznego, lincaryzującc charakterystykę przetwarzania. Charakterystykę przetwarzania wyznaczono w funkcji natężenia pola magnetycznego wewnątrz cewki długiej. Dla przetwornika pomiarowego KMZIOB wykonano serię pomiarów. Uśrednione wyniki przedstawiono na rysunku 2.9.

Parametry podstawowego typoszeregu przetworników mostkowych magnetorezystan-cyjnych serii KMZ przedstawiono w tabeli 2.3 [109, 141, 142]. Czułość magnetorezystora serii KMZ zależy od napięcia zasilania. Dane katalogowe opisują najczęściej czułość dla napięcia zasilania 5V lub czułość podstawową.

Magnetorczystory serii KMZ 10 mają następujące parametry:

1)    czułość do 140 mV/(kA/m),

2)    wartość szumu do 0.8-10 ⁵A/m,

3)    błąd temperatury przy zasilaniu prądowym - 0,1% K,

4)    błąd temperatury przy zasilaniu napięciowym - 0,4%/K,

5)    błąd pełzania zera 3 pV/V K.