专利名称：基于庞磁电阻效应的磁感应强度测量装置及其测量方法
技术领域：
本发明涉及一种磁感应强度测量装置和方法，特别是一种基于庞磁电阻效应的磁 感应强度测量装置及其测量方法。
背景技术：
磁感应强度测量应用很广泛，现有技术主要采用霍尔传感器或者感应线圈磁力计 来测量，特别是霍尔传感器的使用极为广泛，其结构简单，易小型化。但是在使用中，霍尔传 感器的噪声水平和静态偏移较大，因此对于弱磁测量灵敏度不足，精度不够。而感应线圈磁 力计是一种根据法拉第电磁感应定律工作的器件，不能用于测量静磁场，并且主要应用于 近距离探测。利用材料的磁电阻效应也可以进行磁感应强度的测量。所述磁电阻效应(MR)是指材料在磁场作用下电阻发生变化的现象，全称磁致电阻 变化效应。磁性金属和合金在室温下MR —般小于8%。磁和非磁金属多层膜的MR—般在 10左右，称为巨磁电阻效应(GMR)，近年来，巨磁电阻效应已经在计算机磁盘、数控机床等 方面得到广泛应用，但美中不足的是GMR材料的MR还不够大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处而提供一种测量效果好，可靠性强、 精度高的基于庞磁电阻效应的磁感应强度测量装置及其测量方法。本发明所述的测量装置是通过以下途径来实现的
基于庞磁电阻效应的磁感应强度测量装置，其结构要点在于，包括有电磁屏蔽装置、第 一回路和第二回路。第一回路中包括有庞磁电阻器件、亥姆霍兹线圈以及第一电源装置，庞 磁电阻器件放置于亥姆霍兹线圈轴线中点，安装有庞磁电阻器件的亥姆霍兹线圈与电源装 置连接，形成第一回路；第二回路中包括有惠更斯电桥和第二电源装置，惠更斯电桥与第二 电源装置连接，形成第二回路；同时，庞磁电阻器件连接到惠更斯电桥的待测电阻位置。上述基于庞磁电阻效应的磁感应强度测量装置所使用的测量方法，包括如下步 骤
1、将第一回路开路，而第二回路闭路，将整个测量装置放入电磁屏蔽装置中，此时庞磁 电阻器件处于零磁场的环境中，
2、调节惠更斯电桥的电阻箱直到电桥平衡，
3、保持惠更斯电桥的电阻箱阻值不变，移开电磁屏蔽装置，使测量装置处于待测磁场
中，4、由于庞磁电阻效应，庞磁电阻器件的电阻产生变化(大幅减小)，惠更斯电桥平衡被 破坏，
5、接通第一回路，亥姆霍兹线圈产生磁场，此时庞磁电阻器件处于待测磁场和亥姆霍 兹线圈磁场的双重作用下，两磁场之和是环境总磁场，
6、调节第一电源装置，改变亥姆霍兹线圈的电流方向和大小，直到惠更斯电桥再次平
7、此时庞磁电阻器件的阻值等于零磁场时的阻值，说明庞磁电阻器件所在位置的环境 总磁场为零，待测磁场与亥姆霍兹线圈磁场平衡，两者大小相等，方向相反，相互抵消；
8、根据亥姆霍兹线圈的匝数、电流大小和线圈半径便可计算出亥姆霍兹线圈磁场，从 而得到待测磁场磁感应强度。所述庞磁电阻器件由庞磁电阻材料构成，该材料具有极其巨大的磁电阻效应，在 一定的温度和磁场条件下，其使磁场从顺磁性或反铁磁性转变为铁磁性，且在磁场发生转 变的同时氧化物从半导体导电特性转变为金属性，使电阻率发生几个数量级巨大变化，其 磁电阻效应可以高达106，称之为庞磁电阻效应(Colossal Magnetoresistance，简称CMR)， 是巨磁电阻效应的十万倍，因此利用它来测量磁场，特别是测量弱磁场精度高。另外，本发明采用亥姆霍兹线圈提供反向磁场，用于平衡待测磁场；使用惠更斯电 桥来指示环境总磁场是否为零；当环境总磁场为零时，待测磁场与亥姆霍兹线圈磁场平衡， 两者大小相等，方向相反；不需要计算庞磁电阻器件的电阻，简化了计算过程，提高了计算 准确度和精度；由于惠更斯电桥具有极高的灵敏度，提高了磁场测量的准确度和精度。采用 电磁屏蔽装置，以此有效屏蔽外界磁场，提供零磁场的测量环境，保证后继测量的准确性。本发明可以进一步具体为
庞磁电阻器件包括一种AB03型钙钛矿结构的稀土锰氧化物薄膜，该薄膜使用脉冲激 光溅射法在Al2O3衬底上制备而成。该薄膜存在庞磁电阻效应，由此用于制作庞磁电阻器 件。庞磁电阻器件所用的稀土锰氧化物薄膜是LaxRhMnO3掺杂稀土锰氧化物，R是Ca 等二价金属元素。使用掺杂稀土锰氧化物目的是提高CMR效应温区到室温附近，使检测环 境得到大大优化，也方便用来制作弱磁检测设备。亥姆霍兹线圈是一对相同的圆线圈，彼此平行且共轴，线圈间距等于线圈半径。这样，当这对线圈通以同方向电流时，两个载流线圈的总磁场在轴线中点附近的 较大范围内是均勻的，能够均勻作用在庞磁电阻器件上，并与待测磁场平衡。第一电源装置和第二电源装置均为一种稳压直流电源，电压调节范围为10-200V。电压调节范围应与亥姆霍兹线圈的参数相对应，方能调整亥姆霍兹线圈的电流大 小，方向由极性控制。电磁屏蔽装置是一个金属丝网壳体，用于屏蔽外界电磁场，提供零磁场强度的测 量环境。综上所述，本发明利用庞磁电阻器件巨大的磁电阻效应，提供一种基于庞磁电阻 效应的高精度的磁感应强度测量装置及其测量方法。采用亥姆霍兹线圈提供反向磁场，用 于平衡待测磁场；采用惠更斯电桥指示环境总磁场是否为零；当环境总磁场为零时，待测 磁场与亥姆霍兹线圈磁场平衡，两者大小相等，方向相反；由于惠更斯电桥具有极高的灵敏度，因此提高了测量的准确度和精度。采用电磁屏蔽装置，以此有效屏蔽外界磁场，提供零 磁场强度的测量环境，保证后继测量的准确性。
图1所示为本发明所述基于庞磁电阻效应的磁感应强度测量装置第一回路的电 路原理结构示意图。图2所示为本发明所述基于庞磁电阻效应的磁感应强度测量装置第二回路的电 路原理结构示意图。图3所示为本发明所述基于庞磁电阻效应的磁感应强度测量装置的电路原理结 构示意图，电磁屏蔽装置隔离外界磁场时进行测量的原理图。图4所示为本发明所述基于庞磁电阻效应的磁感应强度测量装置的电路原理结 构示意图，移除电磁屏蔽装置后进行测量的原理图。下面结合实施例对本发明做进一步描述。
具体实施例最佳实施例
基于庞磁电阻效应的磁感应强度测量装置，包括有电磁屏蔽装置、第一回路和第二回 路。参照附图1，第一回路中包括有庞磁电阻器件LaCaMnO、亥姆霍兹线圈以及第一电源装 置U1，庞磁电阻器件LaCaMnO放置于亥姆霍兹线圈轴线中点，安装有庞磁电阻器件的亥姆 霍兹线圈经由Kl与Ul连接，形成第一回路；其中，庞磁电阻器件包括Iai.7Ra 3Μη03掺杂稀土 锰氧化物薄膜，该薄膜使用脉冲激光溅射法在Al2O3衬底上制备而成；亥姆霍兹线圈是一对 相同的圆线圈，彼此平行且共轴，线圈间距等于线圈半径r。参照附图2，第二回路中包括有惠更斯电桥和第二电源装置，惠更斯电桥经由K2 与第二电源装置U2连接，形成第二回路。第一电源装置Ul和第二电源装置U2均为一种稳压直流电源，电压调节范围为 10-200V。电磁屏蔽装置是一个金属丝网壳体，用于屏蔽外界电磁场，提供零磁场强度的测 量环境。参照附图3和附图4，上述基于庞磁电阻效应的磁感应强度测量装置所使用的测 量方法，包括如下步骤
1、见附图3，将第一回路开路，打开K1，而第二回路闭路，闭合K2，将整个测量装置放置 在电磁屏蔽装置内，由于第一回路中没有电流，亥姆霍兹线圈没有产生磁场，金属丝电磁屏 蔽装置又屏蔽了外界磁场，所以此时庞磁电阻器件LaCaMnO处于零磁场的环境中，
2、调节惠更斯电桥中电阻箱Rt的阻值，直到电流表G归零，此时惠更斯电桥平衡，
3、见附图4，保持惠更斯电桥的电阻箱阻值Rt不变，移开电磁屏蔽装置，使测量装置处 于待测磁场中，
4、在待测磁场作用下，庞磁电阻器件LaCaMnO因磁电阻效应，电阻产生变化(大幅减 小)，惠更斯电桥平衡被破坏，电流表G指示不再为零；5、闭合K1，接通第一回路，亥姆霍兹线圈产生磁场，此时庞磁电阻器件LaCaMnO处于待 测磁场和亥姆霍兹线圈磁场的双重作用下，两磁场之和是环境总磁场，
6、调节第一电源装置U1，改变亥姆霍兹线圈的电流方向和大小，直到电流表G归零，惠 更斯电桥再次平衡，
7、此时庞磁电阻器件的阻值等于零磁场时的阻值，说明环境总磁场为零，因此待测磁 场Bl与亥姆霍兹线圈磁场B2平衡，大小相等，方向相反，Bl=—B2，；
8、根据亥姆霍兹线圈的匝数、电流大小和线圈半径便可计算出亥姆霍兹线圈磁场，从 而得到待测磁场磁感应强度。本方法和装置可以用于电力设备等不同类型的电气设备。本方法和装置不仅可以测量磁感应强度，经改装也可容易地测量电场强度。本发明未述部分与现有技术相同。
权利要求
1.基于庞磁电阻效应的磁感应强度测量装置，其特征在于，包括有电磁屏蔽装置、第一 回路和第二回路，第一回路中包括有庞磁电阻器件、亥姆霍兹线圈以及第一电源装置，庞磁 电阻器件放置于亥姆霍兹线圈轴线中点，安装有庞磁电阻器件的亥姆霍兹线圈与电源装置 连接，形成第一回路；第二回路中包括有惠更斯电桥和第二电源装置，惠更斯电桥与第二电 源装置连接，形成第二回路；同时，庞磁电阻器件连接到惠更斯电桥的待测电阻位置。
2.如权利要求1所述的基于庞磁电阻效应的磁感应强度测量装置所使用的测量方法， 其特征在于，包括如下步骤将第一回路开路，而第二回路闭路，将整个测量装置放入电磁屏蔽装置中此时庞磁电 阻器件处于零磁场的环境中，调节惠更斯电桥的电阻箱直到电桥平衡，保持惠更斯电桥的电阻箱阻值不变，移开电磁屏蔽装置，使测量装置处于待测磁场中，由于庞磁电阻效应，庞磁电阻器件的电阻产生变化，惠更斯电桥平衡被破坏，接通第一回路，亥姆霍兹线圈产生磁场，此时庞磁电阻器件处于待测磁场和亥姆霍兹 线圈磁场的双重作用下，调节第一电源装置，改变亥姆霍兹线圈的电流方向和大小，直到惠更斯电桥再次平衡，此时庞磁电阻的阻值等于零磁场时的阻值，待测磁场与亥姆霍兹线圈磁场平衡，两者 大小相等，方向相反；根据亥姆霍兹线圈的匝数、电流大小和线圈半径便可计算出亥姆霍兹线圈磁场，从而 得到待测磁场磁感应强度。
3.根据权利要求1或2所述的基于庞磁电阻效应的磁感应强度测量装置，其特征在于， 庞磁电阻器件包括一种ABO3型钙钛矿结构的稀土锰氧化物薄膜，该薄膜使用脉冲激光溅射 法在Al2O3衬底上制备而成。
4.根据权利要求3所述的基于庞磁电阻效应的磁感应强度测量装置，其特征在于， 庞磁电阻器件所用的ABO3型稀土锰氧化物使用Ca元素对其进行A位元素替代，形成 LaxR1^xMnO3掺杂稀土锰氧化物。
5.根据权利要求1或2所述的基于庞磁电阻效应的磁感应强度测量装置，其特征在于， 亥姆霍兹线圈是一对相同的圆线圈，彼此平行且共轴，线圈间距等于线圈半径。
6.根据权利要求1或2所述的基于庞磁电阻效应的磁感应强度测量装置，其特征在于， 第一电源装置和第二电源装置均为一种稳压直流电源，电压调节范围为10-200V。
7.根据权利要求1或2所述的基于庞磁电阻效应的磁感应强度测量装置，其特征在于， 电磁屏蔽装置是一个金属丝网壳体。
全文摘要
本发明涉及一种磁感应强度测量装置和方法，特别是一种基于庞磁电阻效应的磁感应强度测量装置及其测量方法，测量装置包括有电磁屏蔽装置、第一回路和第二回路，第一回路中包括有庞磁电阻器件、亥姆霍兹线圈以及第一电源装置，第二回路中包括有惠更斯电桥和第二电源装置。本发明利用庞磁电阻效应的显著作用，采用了亥姆霍兹线圈提供反向磁场，用于平衡待测磁场，当惠更斯电桥平衡时，待测磁场在数值上与亥姆霍兹线圈磁场相等，而方向相反，不需要计算庞磁电阻器件的电阻，提高了计算准确度和精度；采用电磁屏蔽装置，以此有效屏蔽环境磁场，提供零磁场强度的测量环境，为后续测量提供无干扰的基础参数，有利于提高测量准确度。
文档编号G01R33/09GK102103193SQ201010591198
公开日2011年6月22日 申请日期2010年12月16日 优先权日2010年12月16日
发明者李宇胜, 王昕 , 王静怡 申请人:福建水口发电集团有限公司