专利名称：巨磁阻抗液晶实验仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种巨磁阻抗液晶实验仪，属于大专院校的电磁学、物理学、电子技术等相关课程的实验领域。
背景技术：
巨磁阻抗(Giant Magneto-impedance,简称GMI)效应，是20世纪90年代发现的新现象，是指材料的交流阻抗随外加直流磁场的改变而发生剧烈变化的特性。巨磁阻抗一般定义为(Zh-Zci) /Zci，其中Ztl和Zh分别表示无外磁场和外加磁场下软磁材料的交流阻抗，其比值的大小表示材料对磁场变化的敏感程度。1992年，日本Mohri教授等人首先在FeCoSiB非晶软磁丝中观察到在磁场下材料的ΛΖ/Ζ。高达50%以上，灵敏度比金属多层膜Fe/Cr或Co/Ag中的巨磁电阻(Giant Magnetic Resistance,简称GMR)高一个数量级。巨磁阻抗效应具有快速响应，温度稳定，无磁滞现象等特点，利用该效应制作的磁传感器，不但继承了传统磁传感器的优点，而且由于GMI磁阻抗变化率高，使它能探测微弱磁场，可广泛应用于交通运输、生物医疗、自动控制、安全生产等各行业，有着广阔的应用前
旦
-5^ O现有巨磁阻抗的研究，大多集中于科研单位的实验室或是研究生阶段的学生进行研究，对巨磁阻抗现象的实验研究，得动用恒流源、信号发生器等多种实验器材，并进行复杂的组合，不方便于普通学生对巨磁阻抗效应的掌握。而随着电子技术和集成电路制造工艺的飞速发展，越来越多的领域应用到以微处理器为控制核心的现代仪器设备，同时能在这些仪器设备中能配上液晶的交互界面，通过液晶显示器和按键配合操作可更方便有效地完成各种功能选择、参数设置和分析结果显示。而高质量的点阵液晶显示模块更具有显示信息丰富、功耗低、体积小、质量小、无辐射以及使用寿命长等优点。
实用新型内容针对现有的实验仪器的不足，本实验仪提出了一种将大电流恒流源、磁场线圈和高精度信号发生器、非晶丝巨磁阻抗传感材料结合起来，并通过微处理器进行精确控制的巨磁阻抗液晶实验仪，可满足高精度的实验教学要求。同时通过对巨磁阻抗输出随磁感应强度变化等的多种关系的测量，使学生能了解与掌握巨磁阻抗效应的原理与应用。实验仪能满足大专院校的电磁学和物理等相关课程的教学实验要求。本实验仪由巨磁阻抗液晶实验仪主机和外部可控磁场线圈、巨磁测量实验平台和非晶丝材料组成，巨磁阻抗液晶实验仪主机上设置有功能选择按键、测量切换按键、八个数控按键、两个信号输出端口和液晶屏，巨磁阻抗液晶实验仪主机内设置有微处理器及其控制的液晶显示电路、大电流恒流源和高精信号发生器。本实验仪采用的微处理器是德州仪器公司新开发的MSP430F479，它基于真正的正交16位RISCCPU内核，具有16个可单周期全寻址的16位寄存器，仅27条的精简指令以及7种采用双重取数据技术(DDFT)的一致性寻址方式。MSP430F479具有丰富的片上外围模块，片内包括有精密硬件乘法器、具有60KB的FLASH，2KB的RAM、1个看门狗、48个I/O端口、16位的A/D转换器、3个16位定时器、高精度比较器、高速的USART通信端口，I个DCO内部振荡器和2个外部时钟等常用资源。实验仪使用MSP430F479作为控制核心来实现对液晶显示电路和信号发生器的控制，它具有编程简便、接口简单、小型化的特点。同时以微处理器为控制核心，控制由运算放大器和复合型大功率达林 顿管构成的恒流源系统，实验仪中的恒流源在20 2000mA输出电流时，输出电流误差小于1mA，控制精度较高。微处理器经过运算形成相应的数字输出量，再经D/A转换器输出相应的控制信号，实现对频率输出和恒流源电流输出的精确调节。数控方式则是采用键盘输入方式，去设置所需的频率值或电流值，并由LCD液晶屏显示出来。本实验仪的液晶显示电路采用的液晶控制芯片为RA8835，RA8835是由台湾瑞佑公司出品的液晶显示控制器，它控制能力非常灵活，显示速度快，具有较强功能的I/O缓冲器和较强的管理显示缓冲区的能力，同时指令功能丰富，可以四位数据并行发送，最大驱动能力可达640*256点阵。本实验仪主机内具有高精信号发生器，它采用了德州仪器公司的直接数字频率(DDS)合成芯片AD9851。与早期的直接式频率合成技术和锁相环频率合成技术相比较，其产生的信号具有波形稳定好、频率分辨率高、频率切换速度快等特点，并能实现编程控制。AD9851是ADI公司采用先进的DDS技术推出的高集成度DDS频率合成器，它内部包括可编程DDS系统、高性能DAC及高速比较器，能实现全数字编程控制的频率合成和时钟发生。AD9851接口功能控制简单，可以用8位并行口或串行口直接输入频率、相位等控制数据。先进的CMOS工艺使AD9851性能一流，而且功耗低，在3. 3V供电时，功耗仅为155mW。本实验仪在工作频率为180MHz的情况下，通过频率控制，可输出频率分辨率为O. IHz的波形，且输出频率范围是IHz 50MHz。实验仪中的输入电压经AC/DC转换电路后输出为恒流源电路、微处理器控制系统以及恒压源电路提供电源。恒流源电路完成输出电流稳定的功能。微处理器系统完成人机交互功能，用户通过键盘设定输出电流值，经微处理器处理后经DAC转换为控制电压，传入恒流源电路，从而控制输出电流的大小。本实验仪具有两个可控磁场线圈，置于实验仪主机上部，磁场线圈为空心结构，通入线圈的磁场电流由实验仪主机内微处理器所控制的大电流恒流源提供。主机内恒流源所采用的运放芯片为LF353，LF353是一种带内部微调输入偏差电压技术(BI-FET
IItechnology)的高速运放，它输入阻抗高，并具有极高的转换率。同时为达到大电流输出，在恒流源的输出端采用了大功率的NPN型达林顿复合管电路。实验仪采用独立式键盘，即微处理器的I/O 口直接与按键相连。八个按键的设置为两个菜单选择键MENU，两个选择键SEL，向上变化键ADD，向下变化键INC，数值增加键UP和数值减小键DOWN。通过按键可对所需的频率信号和电流大小进行控制和调节。实验仪的非晶丝材料置于巨磁测量实验平台上，并置于磁场线圈的轴线上。实验仪主机上的两个信号输出端口分别是非晶丝信号的输出端口和取样电阻信号的输出端口。
图I是巨磁阻抗液晶实验仪，图I中I是磁场线圈，2是巨磁测量实验平台，3是非晶丝材料，4是功能选择按键，5是测量切换按键，6是非晶丝信号的输出端口，7是八个数控按键，8是取样电阻信号的输出端口，9是液晶屏。图2是微处理器控制框图。图3是液晶显不驱动接口电路图。图4是信号发生电路图。 图5是恒流源电路图图6是非晶丝信号放大电路图
具体实施方式在巨磁阻抗测量实验中，磁导率实际上是频率的函数，当频率升高时，趋肤效应增强，这有利于磁阻抗效应，但另一方面，频率升高会使有效磁导率下降，这使有效磁导率受外磁场的影响减小，这又不利于磁阻抗效应。这导致在不同频率下出现各种不同的GMI效
应，即阻抗在各种不同频率下随外磁场增大而改变的形式有所不同。
ΔΖ Z(H)-Z(O) Ur(H)U^(O),在实验中，磁阻抗比为^ = ^^…—L其中Uc(H)和Ug(O)
分别表示在外加磁场为H时和为零时非晶丝两端的电压测量值，Uk(H)和Uk(O)分别为取样电阻R两端在外加磁场为H时和为零时的电压测量值。在实验中，可通过连续改变频率，测量记录非晶丝材料与取样电阻的两端电压，研究Ue与f的函数关系及Ue与f的函数关系，并画出UG-f和UR-f图像，并可计算出不同频率下阻抗Z的大小，画出Z-f曲线，频率的变化范围为IMHz到50MHz。并分别在外磁场为零与外磁场较大情况下测量。同样，可进一步研究在不同的频率下的变化规律，选取几个固定频率，通过改变磁场线圈中的电流，得到连续变化的磁场强度，测量记录非晶丝材料与取样电阻两端电压，根据GMI的定义计算，并画出不同频率下的GMI - B函数关系图像。本实验仪的液晶屏可选用香港信利公司生产的MST-G320240DBSW型5. 7寸液晶显示模块，可显示的点阵为320 X 240，蓝膜高亮、LED背光、板载5V负压、同时内部含有RA8835控制芯片。实验仪上设置有两个信号输出端口，通过两个信号输出端口，可以分别将非晶丝和取样电阻两端的信号输给示波器，能得到更好和更直观的实验结果。本实验仪在采用的非晶丝GMI磁传感器的敏感材料时，可采用典型的钴基非晶丝薄带，同时也可采用铁基非晶丝、纳米非晶丝等。采用非晶丝材料作为磁场传感器的敏感材料，与传统的晶态磁性材料相比，具有优异的电磁性能，具有体积小、性能指标高的特点。在实验中应注意非晶丝材料应轻拿轻放，在测量和换取时应避免弯折、拉伸等机械形变。
权利要求1.一种巨磁阻抗液晶实验仪，其特征是由巨磁阻抗液晶实验仪主机和外部可控磁场线圈(I)、巨磁测量实验平台(2)和非晶丝材料(3)组成，巨磁阻抗液晶实验仪主机上设置有功能选择按键(4)、测量切换按键(5)、八个数控按键(7)、两个信号输出端口(6、8)和液晶屏(9)，巨磁阻抗液晶实验仪主机内设置有微处理器及其控制的液晶显示电路、大电流恒流源和高精信号发生器。
2.根据权利要求I所述的巨磁阻抗液晶实验仪，其特征是非晶丝材料(3)置于巨磁测量实验平台上(2)，并置于磁场线圈的轴线上。
3.根据权利要求I所述的巨磁阻抗液晶实验仪，其特征是其外部可控磁场线圈(I)设置有两个，置于实验仪主机上部，磁场线圈为空心结构，通入线圈的磁场电流由实验仪主机内微处理器所控制的大电流恒流源提供。
4.根据权利要求I所述的巨磁阻抗液晶实验仪，其特征是巨磁阻抗液晶实验仪主机内所采用的微处理器型号为MSP430F479。
5.根据权利要求I所述的巨磁阻抗液晶实验仪，其特征是巨磁阻抗液晶实验仪主机内的液晶显示电路采用的液晶控制芯片为RA8835。
6.根据权利要求I所述的巨磁阻抗液晶实验仪，其特征是巨磁阻抗液晶实验仪主机内高精信号发生器采用直接数字频率合成芯片AD9851。
7.根据权利要求I所述的巨磁阻抗液晶实验仪，其特征是巨磁阻抗液晶实验仪主机上的两个信号输出端口分别是非晶丝信号的输出端口(6)和取样电阻信号的输出端口(8)。
专利摘要本实用新型涉及一种巨磁阻抗液晶实验仪，由巨磁阻抗液晶实验仪主机和外部可控磁场线圈、巨磁测量实验平台和非晶丝材料组成，巨磁阻抗液晶实验仪主机上设置有功能选择按键、测量切换按键、八个数控按键和两个信号输出端口，巨磁阻抗液晶实验仪主机内设置有微处理器及其控制的液晶显示电路、大电流恒流源和高精信号发生器。实验仪通过对非晶丝的巨磁阻抗的测量，使学生能更好的理解和掌握材料的GMI效应的规律和特点，深入理解磁畴、磁化、趋肤效应、阻抗等物理意义。本实验仪结构合理，操作方便，教学效果好，适合于大专院校的电磁学、物理学、电子学等课程的教学实验。
文档编号G09B23/18GK202632603SQ201220242830
公开日2012年12月26日 申请日期2012年5月28日 优先权日2012年5月28日
发明者汪建, 詹永欣, 黄昕, 孙希媛, 冯兴 申请人:四川农业大学, 汪建