磁阻元件磁阻效应用于金属管转子流量计测量的作用

2.1 磁阻效应的原理
 
磁阻效应是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。磁阻效应是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。当半导体处于磁场中时，金属管转子流量计导体或半导体的载流子将受洛仑兹力的作用，发生偏转，在两端产生积聚电荷并产生霍耳电场。如果霍耳电场作用和某一速度载流子的洛仑兹力作用刚好抵消，那么小于或大于该速度的载流子将发生偏转，因而沿外加电场方向运动的载流子数量将减少，电阻增大，表现出横向磁阻效应。由于磁阻传感器电阻的相对变化率正比于磁场强度，因此也可以用磁阻传感器电阻的相对改变量来表示磁阻效应的大小。若外加磁场与外加电场垂直，称为横向磁阻效应；若外加磁场与外加电场平行，称为纵向磁阻效应。一般情况下，载流子有效质量的驰豫时间与方向无关，则纵向磁感强度不引起载流子偏移，因而无纵向磁阻效应。
 
材料的电阻会因为外加磁场变化而增加或减少，将此电阻的变化称为磁阻（MR）。磁阻效应是1857 年由英国物理学家威廉·汤姆森发现的，它在金属里可以忽略，在半导体中则可能由小到中等。从一般磁阻开始，磁阻发展经历了巨磁阻（GMR）、庞磁阻（CMR）、穿隧磁阻（TMR）、直冲磁阻（BMR）和异常磁阻（EMR）等阶段。
 
2.2 磁阻元件应用于金属管转子流量计磁体角度检测的研究
 
利用磁阻效应构成的电路元件即称磁阻元件。磁阻元件的磁阻效应在半导体中表现尤为明显[16]。本论文选用不同磁阻元件，将其应用于金属管转子流量计的测量。
 
在实际应用中，浮子在金属锥管内随着流量的变化而上下移动，能够测量出浮子的位置，即可通过式（1-1）计算出通过流量计的流体体积流量。但直接测量浮子的纵向位移难度较大，通常可通过在浮子内嵌入小磁钢，在金属锥管管体外安装圆形磁体，如图2-1，通过磁路耦合将浮子的纵向位移转换成外部磁体的角度变化，并通过磁阻元件测量此角度。设计与磁阻元件配套的硬件电路，使其输出为模拟电压，其幅值是磁体角度的单值函数，且大小适合输入单片机。
 
2.3 磁敏电阻和磁阻传感器
 
本论文选用两款磁阻元件， HB-QCZ111 型磁敏电阻和HMC1512 型磁阻传感器，分别为它们设计配套的外围电路，使之适用于测量磁体角度。对两种磁阻元件设计的角度测量模块进行一系列实验，并确定较适合的元件应用于金属管浮子流量计。
 
磁敏电阻是利用半导体的磁阻效应制造的，常用InSb（锑化铟）材料加工而成。在一个长方形半导体InSb 片中，沿长度方向有电流通过时，若在垂直于电流片的宽度方向上施加一个磁场，半导体InSb 片长度方向上就会发生电阻率增大的现象[17]。HB-QCZ111 型磁敏电阻为三端器件，内部为两个串联的InSb 片。当有20 mT 或20 mT 以上的磁信号作用于该元件表面时，即有一定幅值的正弦波信号输出，其幅值只与磁信号的角度有关，与磁信号的强弱无关。
 
磁阻传感器是由长条铁磁薄膜（如透磁合金、镍铁合金）制成的，这种合金磁膜的电阻性随磁场的变化而变化。用标准的半导体技术将这些薄膜熔制在硅片上。板的厚度有几百埃（150-500），宽度为几十微米（10-50），长度从几百至几千微米。磁阻传感器具有一条明确的易磁化轴，可作为集成电路批量生产，灵敏度小于0.1 mGs，固态小尺寸封装，且响应时间小于1 ms。[18]HMC1512型磁阻传感器内部为双路惠斯顿电桥，每个电桥用四个完全相同的磁控电阻器制成。