磁阻元件磁阻效應用于金屬管轉子流量計測量的作用

2.1 磁阻效應的原理
 
磁阻效應是指某些金屬或半導體的電阻值隨外加磁場變化而變化的現象。磁阻效應是由于載流子在磁場中受到洛倫茲力而產生的。當半導體處于磁場中時，金屬管轉子流量計導體或半導體的載流子將受洛侖茲力的作用，發生偏轉，在兩端產生積聚電荷并產生霍耳電場。如果霍耳電場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生偏轉，因而沿外加電場方向運動的載流子數量將減少，電阻增大，表現出橫向磁阻效應。由于磁阻傳感器電阻的相對變化率正比于磁場強度，因此也可以用磁阻傳感器電阻的相對改變量來表示磁阻效應的大小。若外加磁場與外加電場垂直，稱為橫向磁阻效應；若外加磁場與外加電場平行，稱為縱向磁阻效應。一般情況下，載流子有效質量的馳豫時間與方向無關，則縱向磁感強度不引起載流子偏移，因而無縱向磁阻效應。
 
材料的電阻會因為外加磁場變化而增加或減少，將此電阻的變化稱為磁阻（MR）。磁阻效應是1857 年由英國物理學家威廉·湯姆森發現的，它在金屬里可以忽略，在半導體中則可能由小到中等。從一般磁阻開始，磁阻發展經歷了巨磁阻（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 磁阻元件應用于金屬管轉子流量計磁體角度檢測的研究
 
利用磁阻效應構成的電路元件即稱磁阻元件。磁阻元件的磁阻效應在半導體中表現尤為明顯[16]。本論文選用不同磁阻元件，將其應用于金屬管轉子流量計的測量。
 
在實際應用中，浮子在金屬錐管內隨著流量的變化而上下移動，能夠測量出浮子的位置，即可通過式（1-1）計算出通過流量計的流體體積流量。但直接測量浮子的縱向位移難度較大，通?？赏ㄟ^在浮子內嵌入小磁鋼，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換成外部磁體的角度變化，并通過磁阻元件測量此角度。設計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，且大小適合輸入單片機。
 
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，分別為它們設計配套的外圍電路，使之適用于測量磁體角度。對兩種磁阻元件設計的角度測量模塊進行一系列實驗，并確定較適合的元件應用于金屬管浮子流量計。
 
磁敏電阻是利用半導體的磁阻效應制造的，常用InSb（銻化銦）材料加工而成。在一個長方形半導體InSb 片中，沿長度方向有電流通過時，若在垂直于電流片的寬度方向上施加一個磁場，半導體InSb 片長度方向上就會發生電阻率增大的現象[17]。HB-QCZ111 型磁敏電阻為三端器件，內部為兩個串聯的InSb 片。當有20 mT 或20 mT 以上的磁信號作用于該元件表面時，即有一定幅值的正弦波信號輸出，其幅值只與磁信號的角度有關，與磁信號的強弱無關。
 
磁阻傳感器是由長條鐵磁薄膜（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的變化而變化。用標準的半導體技術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，靈敏度小于0.1 mGs，固態小尺寸封裝，且響應時間小于1 ms。[18]HMC1512型磁阻傳感器內部為雙路惠斯頓電橋，每個電橋用四個完全相同的磁控電阻器制成。