基于多项式拟合的磁阻传感器温度补偿方法

《Journal of Materials Science & Technology》：Temperature compensation method of magnetoimpedance sensor based on polynomial fitting

　　

V.I. 奥丁佐夫|I.V. 科兹洛夫|G.N. 埃尔马诺夫|A.E. 萨拉库耶娃|V.P. 塔拉索夫|S.A. 古多什尼科夫

俄罗斯科学院地球磁层、电离层和无线电波传播普希科夫研究所（IZMIRAN），俄罗斯莫斯科特罗伊采克

摘要

基于非对角磁阻效应的磁传感器因其高磁灵敏度和小巧的体积，有望用于测量微弱的低频磁场。然而，其性能存在显著的温度依赖性，这限制了其在典型实验室温度范围内的应用。本研究提出了一种多项式校正方法，用于修正非对角磁阻传感器输出中的温度误差。研究建立了相应的数学模型，给出了计算替代多项式系数的算法，并评估了该方法的有效性。实验表明，应用这种多项式校正方法后，可在较宽的温度范围内将温度对磁场测量精度的影响降低80倍以上。

引言

近年来，人们对磁性软材料中的巨磁阻效应进行了大量研究。该效应指的是铁磁导体在外部磁场作用下的复电阻值Z(H)会发生变化[1]、[2]。人们之所以对巨磁阻效应如此感兴趣，主要是因为可以利用它制造出成本低、体积小且灵敏度高的磁强计。在具有巨磁阻效应的材料中，采用泰勒-乌利托夫斯基技术制造的玻璃涂层非晶态铁磁微线表现出了最佳的性能。最近，人们基于这类微线设计了实验室用的巨磁阻磁强计，其在0到1千赫兹的低频范围内的磁场灵敏度可达纳特级的百分之一水平[3]、[4]、[5]。不过，这类磁强计的一个问题是其温度稳定性较差，这主要是由于温度对巨磁阻传感器特性的显著影响所致[6]、[7]。

为减少温度的影响，人们正在开发一些特殊方法。其中一种稳定传感器特性的方法是对作为敏感元件的微线进行特殊的热处理[8]、[9]。这些研究中采用的较高温度下的处理和退火工艺，能够降低工作温度对传感器响应的影响[8]。另一种抑制温度漂移的方法则应用于基模正交磁通门[10]、[11]以及非对角巨磁阻磁强计[12]中。该方法建议用叠加在高频激励电流之上的低频交流电来替代常规的直流偏置电流。

为了实时修正温度误差，人们常常使用算法数字信号处理技术来补偿各类传感器中的温度效应[13]、[14]、[15]、[16]。本研究则提出了一种基于构建非对角巨磁阻传感器输出通用方程的程序化方法，该方法还会结合额外的温度传感器数据来进行修正。

章节节选

实验细节

实验中研究了基于Co₆₉Fe₄Cr₄Si₁₂B₁₁微线的非对角巨磁阻传感器的温度特性。这些微线经过额外的热处理后，其磁阻特性得到了显著提升。在测试非对角巨磁阻传感器的温度性能时，是使用一种专门设计的电阻温度传感器来测量温度的，该传感器是基于Co₇₃Fe₄Si₁₂B₁₁合金的结晶微线制成的。选择这种成分是因为

基于多项式近似的温度补偿方法

图4所示的伏特场特性清楚地表明，温度升高会导致非对角巨磁阻传感器的各向异性场大幅下降，同时也会产生较大的温度误差。为补偿这种温度影响，本研究提出了一种算法数字处理方法，该方法利用当前的输出值U(t)以及当前的温度值T(t)数据来进行修正。

通过所使用的测量系统（见

结论

这项研究结果表明，要有效补偿非对角巨磁阻传感器的温度误差，就必须考虑误差的非线性特征及其明显的温度依赖性。为应对这一挑战，我们建立了一个非线性近似模型，该模型能够很好地描述传感器在不同温度条件下的行为。我们还明确了模型系数与可测量磁场强度之间的关联关系。

CRediT作者贡献说明

V.I. 奥丁佐夫：软件开发、方法设计。I.V. 科兹洛夫：结果可视化、实验研究。S.A. 古多什尼科夫：论文撰写——初稿编写、概念构思。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文所述研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

V.P. 塔拉索夫想要感谢“MISIS”国立科技大学重点学科工业技术工程中心发展计划所提供的支持。根据俄罗斯联邦预算法第78.1条第4款的规定，该计划提供了联邦预算拨款作为补贴，用于支持那些从事科学研究与开发的机构的物质技术基础建设，相关协议签署日期为6月23日。