利用自旋電子學中的GMR效應的車輛探測裝置的設想課件

利用自旋電子學中的GMR效應的車輛探測裝置的設想

自動化系黃曉捷PB05210186指導老師：邵明利用自旋電子學中的GMR效應的車輛探測裝置的設想自動化系1引言隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城市交通面臨巨大的壓力。為了解決這個問題，現(xiàn)在大家都在研究智能交通系統(tǒng)。采集路況信息是其中重要的一環(huán)。高效的車輛探測器必不可少。引言隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城市交通面臨巨大的壓力。為了解決2傳統(tǒng)的車輛探測裝置有：地磁線圈探測器

超聲波探測器

雷達探測器

紅外探測器

被動聲音探測器

視頻探測器

安裝維護難、破壞路面、受冰凍鹽堿影響、壽命短受空氣影響、風速6級以上失效、容易誤檢成本太高易受灰塵、冰霧、雨雪等影響

易受噪音干擾

成本同樣很高，且易受天氣影響

傳統(tǒng)的車輛探測裝置有：地磁線圈探測器超聲3引言我們知道車輛會對它通過處地磁場產(chǎn)生擾動。從自旋電子學中的GMR（giantmagnetoresistance）效應，我們知道GMR納米結(jié)構(gòu)多層膜的電阻隨外磁場的變化而變化，且有很高的靈敏度。下面利用該原理，提出一種車輛探測器簡單模型的設想。引言4一.自旋電子學

電子除了具有電荷的特性，還具有自旋的特性。傳統(tǒng)的電子學和電子技術(shù)，僅利用電場來控制它的電荷特性。今天的信息時代是人類文明的極大進步。但是，今天的電子學即將達到它的技術(shù)極限。

一.自旋電子學電子除了具有電荷的特性，還具有自旋的特性。5一.自旋電子學上個世紀末，大家將目光投向了電子的自旋特性，試圖通過電子的自旋控制電子的輸運。制造新型自旋電子器件，取代傳統(tǒng)電子器件，獲得高運算速度、低功耗、高集成度，高穩(wěn)定性。自旋電子學應運而生，又稱磁電子學，是一門磁學和微電子學交叉的新學科。一.自旋電子學上個世紀末，大家將目光投向了電子的自旋特性，試6二.GMR效應GMR效應即巨磁電阻效應可用如下的簡易模型解釋。由量子理論知，鐵磁材料中電子的能帶分成兩個子帶，自旋向上子帶和自旋向下子帶。不同自旋取向的電子在界面處所受到的散射是不同的。二.GMR效應GMR效應即巨磁電阻效應可用如下的簡易模型解釋7二.GMR效應自旋取向與鐵磁層磁化方向相同時，電子所受到的散射較小，而另一種電子受到散射較大。相鄰鐵層的磁化方向是反向平行時，系統(tǒng)處于高電阻狀態(tài)。外磁場較大時，所有鐵層的磁化方向都和外場一樣，系統(tǒng)處于低電阻狀態(tài)。

二.GMR效應自旋取向與鐵磁層磁化方向相同時，電子所受到的散8三．GMR材料的外特性外加磁場中GMR材料的電阻與磁場的典型關(guān)系：B/Gs4000400R/Ω-300-1500150300三．GMR材料的外特性外加磁場中GMR材料的電阻與磁場的典型9三．GMR材料的外特性外磁場的正負對GMR電阻的作用一樣，如要進一步區(qū)分磁場的方向，可以給GMR一個永磁偏置，即給它先施加一磁場。B/Gs4000400R/Ω-300-1500150300三．GMR材料的外特性外磁場的正負對GMR電阻的作用一樣，如10三．GMR材料的外特性加磁場時，相當于磁滯線左移：B/Gs4000400R/Ω0150300-150-300三．GMR材料的外特性加磁場時，相當于11三．GMR材料的外特性加磁場時，相當于磁滯線右移：B/Gs4000400R/Ω0150300-150-300三．GMR材料的外特性加磁場時，相當于12四.惠斯通電橋采用惠斯通電橋可提高測量精度輸出輸入R1R2R1R2磁場向下為正四.惠斯通電橋采用惠斯通電橋可提高測量精度輸出輸入R113輸出輸入R1R2R1R2B/GsR/ΩB/GsR/Ω磁場向下為正輸出輸入R1R2B/GsR/ΩB/GsR/Ω磁場向下14輸出輸入R1R2R1R2外磁場輸出輸入R1R2外磁場15四.惠斯通電橋分析電路有：又四.惠斯通電橋分析電路有：16四.惠斯通電橋綜上有：所以，輸出U正比于外磁場B四.惠斯通電橋綜上有：17五.車輛通過對地磁場的影響在小范圍內(nèi)地磁場可看作均勻的，汽車對地磁的擾動可看作多個雙極性磁鐵組成的模型。這里為討論方便，僅以條形磁鐵為模型，討論它通過時對均勻場的影響。五.車輛通過對地磁場的影響在小范圍內(nèi)地磁場可看作均勻的，汽車18五.車輛通過對地磁場的影響水平放置的條形磁鐵磁場分布的側(cè)視圖BL0五.車輛通過對地磁場的影響水平放置的條形磁鐵磁場分布的側(cè)視圖19條形磁鐵通過時探測器UT0條形磁鐵通過時探測器UT020

微處理器

信號調(diào)理電路UT0獲得有用信息！UT0獲得有用信息！21UT0一個電橋可以探測一維的信息，用單電橋即可實現(xiàn)車流量、車道占用率、交通堵塞的監(jiān)測。探測器通過車輛數(shù)：1單車道車流量監(jiān)測：2345678nUT0一個電橋可以探測一維的信息，用單電橋即可實現(xiàn)車流量、車22探測器車流量單車道車流量監(jiān)測：探測器車流量單車道車流量監(jiān)測：23UT0探測器交通堵塞的監(jiān)測：UT0探測器交通堵塞的監(jiān)測：24六.多電橋組合探測通過多個電橋的組合探測，輔以科學高效的算法，可實現(xiàn)多種功能。六.多電橋組合探測通過多個電橋的組合探測，輔以科學高效的算25探測器車速車速的測量：探測器d探測器車速車速的測量：探測器d26車輛行進方向的測量：箭頭代表該電橋探測的外磁場的正方向

汽車對地磁場的擾動具有方向性為進一步簡化模型，這里將汽車的擾動看作方向為汽車行進方向的附加磁場。U1U2行進方向車輛行進方向的測量：箭頭代表該電橋探測的外磁場的正方向汽車27磁擾動的立體探測：立體探測可獲取車輛的更多信息，可能實現(xiàn)車輛身份識別。磁擾動的立體探測：立體探測可獲取車輛的更多信息，可能實現(xiàn)車輛28七.對車輛身份識別的設想由指紋識別、虹膜識別、人臉識別，獲得靈感。世界上沒有兩片葉子是一樣的，每一輛車對地磁的擾動是不同的。關(guān)鍵在于提取特征量，并在技術(shù)上實現(xiàn)對這種特征量的準確探測。七.對車輛身份識別的設想由指紋識別、虹膜識別、人臉識別，獲得29七.對車輛身份識別的設想滬R023823相對易實現(xiàn)的方法：在每一輛車的車牌上嵌入特征磁物質(zhì)，車輛通過探測器時的磁擾動產(chǎn)生特征性的差異。一輛車對應一個特征值。特征值與車牌號綁定。構(gòu)建城市機動車數(shù)據(jù)庫。

城市機動車數(shù)據(jù)庫特征向量{x,y,z,…}車輛信息車牌號：滬R023823車型：×××車主：×××……七.對車輛身份識別的設想滬R023823相對易實現(xiàn)的方法30七.對車輛身份識別的設想建立在車輛身份識別基礎(chǔ)上的交通監(jiān)控管理系統(tǒng)，效率將得到極大提高!七.對車輛身份識別的設想建立在車輛身份識別基礎(chǔ)上的交通監(jiān)控管31結(jié)語粗略地介紹了利用GMR效應設想的一種車輛探測器。具有體積小、靈敏度高、安裝方便、壽命長、環(huán)境適應性強的優(yōu)點。限于知識水平，運用了許多簡易理想的模型，可能有不嚴謹之處。結(jié)語粗略地介紹了利用GMR效應設想的一種車輛探測器。32結(jié)語按照GMR電阻的發(fā)展方向，GMR材料的磁靈敏度必將不斷提高，對于磁場的探測精度也將逐漸提高。GMR效應的應用將會隨著自旋電子學、材料科學、信息科學研究的深入越來越普遍。自旋電子器件替代傳統(tǒng)電子器件，掀起電子學、電信學的革命，實現(xiàn)量子信息時代，更會讓我們興奮不已！結(jié)語按照GMR電阻的發(fā)展方向，GMR材料的磁靈敏度必將不斷提33[1]磁電子學浙江大學出版社[2]游彪等自旋電子學的發(fā)展及應用科技進展2006[3]陳光華鄧權(quán)祥新型電子薄膜材料化學工業(yè)出版社[4]季海濱車輛探測器的實現(xiàn)技術(shù)紅外[5]朱濤自旋－21世紀信息的新載體基礎(chǔ)科學[6]顏沖等自旋電子學研究進展固體電子學研究與進展[7]湯玉林等利用GMR效應的電子指南針數(shù)據(jù)采集與處理參考文獻：參考文獻：34謝謝！祝大家新年快樂！謝謝！祝大家新年快樂！35樹立質(zhì)量法制觀念、提高全員質(zhì)量意識。12月-2212月-22Wednesday,December28,2022人生得意須盡歡，莫使金樽空對月。14:57:2714:57:2714:5712/28/20222:57:27PM安全象只弓，不拉它就松，要想保安全，常把弓弦繃。12月-2214:57:2714:57Dec-2228-Dec-22加強交通建設管理，確保工程建設質(zhì)量。14:57:2714:57:2714:57Wednesday,December28,2022安全在于心細，事故出在麻痹。12月-2212月-2214:57:2714:57:27December28,2022踏實肯干，努力奮斗。2022年12月28日2:57下午12月-2212月-22追求至善憑技術(shù)開拓市場，憑管理增創(chuàng)效益，憑服務樹立形象。28十二月20222:57:27下午14:57:2712月-22嚴格把控質(zhì)量關(guān)，讓生產(chǎn)更加有保障。十二月222:57下午12月-2214:57December28,2022作業(yè)標準記得牢，駕輕就熟除煩惱。2022/12/2814:57:2714:57:2728December2022好的事情馬上就會到來，一切都是最好的安排。2:57:27下午2:57下午14:57:2712月-22一馬當先，全員舉績，梅開二度，業(yè)績保底。12月-2212月-2214:5714:57:2714:57:27Dec-22牢記安全之責，善謀安全之策，力務安全之實。2022/12/2814:57:27Wednesday,December28,2022相信相信得力量。12月-222022/12/2814:57:2712月-22謝謝大家！樹立質(zhì)量法制觀念、提高全員質(zhì)量意識。12月-2212月-2236樹立質(zhì)量法制觀念、提高全員質(zhì)量意識。12月-2212月-22Wednesday,December28,2022人生得意須盡歡，莫使金樽空對月。14:57:2714:57:2714:5712/28/20222:57:27PM安全象只弓，不拉它就松，要想保安全，常把弓弦繃。12月-2214:57:2714:57Dec-2228-Dec-22加強交通建設管理，確保工程建設質(zhì)量。14:57:2714:57:2714:57Wednesday,December28,2022安全在于心細，事故出在麻痹。12月-2212月-2214:57:2714:57:27December28,2022踏實肯干，努力奮斗。2022年12月28日2:57下午12月-2212月-22追求至善憑技術(shù)開拓市場，憑管理增創(chuàng)效益，憑服務樹立形象。28十二月20222:57:27下午14:57:2712月-22嚴格把控質(zhì)量關(guān)，讓生產(chǎn)更加有保障。十二月222:57下午12月-2214:57December28,2022作業(yè)標準記得牢，駕輕就熟除煩惱。2022/12/2814:57:2714:57:2728December2022好的事情馬上就會到來，一切都是最好的安排。2:57:27下午2:57下午14:57:2712月-22一馬當先，全員舉績，梅開二度，業(yè)績保底。12月-2212月-2214:5714:57:2714:57:27Dec-22牢記安全之責，善謀安全之策，力務安全之實。2022/12/2814:57:27Wednesday,December28,2022相信相信得力量。12月-222022/12/2814:57:2712月-22謝謝大家！樹立質(zhì)量法制觀念、提高全員質(zhì)量意識。12月-2212月-2237利用自旋電子學中的GMR效應的車輛探測裝置的設想

自動化系黃曉捷PB05210186指導老師：邵明利用自旋電子學中的GMR效應的車輛探測裝置的設想自動化系38引言隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城市交通面臨巨大的壓力。為了解決這個問題，現(xiàn)在大家都在研究智能交通系統(tǒng)。采集路況信息是其中重要的一環(huán)。高效的車輛探測器必不可少。引言隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城市交通面臨巨大的壓力。為了解決39傳統(tǒng)的車輛探測裝置有：地磁線圈探測器

超聲波探測器

雷達探測器

紅外探測器

被動聲音探測器

視頻探測器

安裝維護難、破壞路面、受冰凍鹽堿影響、壽命短受空氣影響、風速6級以上失效、容易誤檢成本太高易受灰塵、冰霧、雨雪等影響

易受噪音干擾

成本同樣很高，且易受天氣影響

傳統(tǒng)的車輛探測裝置有：地磁線圈探測器超聲40引言我們知道車輛會對它通過處地磁場產(chǎn)生擾動。從自旋電子學中的GMR（giantmagnetoresistance）效應，我們知道GMR納米結(jié)構(gòu)多層膜的電阻隨外磁場的變化而變化，且有很高的靈敏度。下面利用該原理，提出一種車輛探測器簡單模型的設想。引言41一.自旋電子學

電子除了具有電荷的特性，還具有自旋的特性。傳統(tǒng)的電子學和電子技術(shù)，僅利用電場來控制它的電荷特性。今天的信息時代是人類文明的極大進步。但是，今天的電子學即將達到它的技術(shù)極限。

一.自旋電子學電子除了具有電荷的特性，還具有自旋的特性。42一.自旋電子學上個世紀末，大家將目光投向了電子的自旋特性，試圖通過電子的自旋控制電子的輸運。制造新型自旋電子器件，取代傳統(tǒng)電子器件，獲得高運算速度、低功耗、高集成度，高穩(wěn)定性。自旋電子學應運而生，又稱磁電子學，是一門磁學和微電子學交叉的新學科。一.自旋電子學上個世紀末，大家將目光投向了電子的自旋特性，試43二.GMR效應GMR效應即巨磁電阻效應可用如下的簡易模型解釋。由量子理論知，鐵磁材料中電子的能帶分成兩個子帶，自旋向上子帶和自旋向下子帶。不同自旋取向的電子在界面處所受到的散射是不同的。二.GMR效應GMR效應即巨磁電阻效應可用如下的簡易模型解釋44二.GMR效應自旋取向與鐵磁層磁化方向相同時，電子所受到的散射較小，而另一種電子受到散射較大。相鄰鐵層的磁化方向是反向平行時，系統(tǒng)處于高電阻狀態(tài)。外磁場較大時，所有鐵層的磁化方向都和外場一樣，系統(tǒng)處于低電阻狀態(tài)。

二.GMR效應自旋取向與鐵磁層磁化方向相同時，電子所受到的散45三．GMR材料的外特性外加磁場中GMR材料的電阻與磁場的典型關(guān)系：B/Gs4000400R/Ω-300-1500150300三．GMR材料的外特性外加磁場中GMR材料的電阻與磁場的典型46三．GMR材料的外特性外磁場的正負對GMR電阻的作用一樣，如要進一步區(qū)分磁場的方向，可以給GMR一個永磁偏置，即給它先施加一磁場。B/Gs4000400R/Ω-300-1500150300三．GMR材料的外特性外磁場的正負對GMR電阻的作用一樣，如47三．GMR材料的外特性加磁場時，相當于磁滯線左移：B/Gs4000400R/Ω0150300-150-300三．GMR材料的外特性加磁場時，相當于48三．GMR材料的外特性加磁場時，相當于磁滯線右移：B/Gs4000400R/Ω0150300-150-300三．GMR材料的外特性加磁場時，相當于49四.惠斯通電橋采用惠斯通電橋可提高測量精度輸出輸入R1R2R1R2磁場向下為正四.惠斯通電橋采用惠斯通電橋可提高測量精度輸出輸入R150輸出輸入R1R2R1R2B/GsR/ΩB/GsR/Ω磁場向下為正輸出輸入R1R2B/GsR/ΩB/GsR/Ω磁場向下51輸出輸入R1R2R1R2外磁場輸出輸入R1R2外磁場52四.惠斯通電橋分析電路有：又四.惠斯通電橋分析電路有：53四.惠斯通電橋綜上有：所以，輸出U正比于外磁場B四.惠斯通電橋綜上有：54五.車輛通過對地磁場的影響在小范圍內(nèi)地磁場可看作均勻的，汽車對地磁的擾動可看作多個雙極性磁鐵組成的模型。這里為討論方便，僅以條形磁鐵為模型，討論它通過時對均勻場的影響。五.車輛通過對地磁場的影響在小范圍內(nèi)地磁場可看作均勻的，汽車55五.車輛通過對地磁場的影響水平放置的條形磁鐵磁場分布的側(cè)視圖BL0五.車輛通過對地磁場的影響水平放置的條形磁鐵磁場分布的側(cè)視圖56條形磁鐵通過時探測器UT0條形磁鐵通過時探測器UT057

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信號調(diào)理電路UT0獲得有用信息！UT0獲得有用信息！58UT0一個電橋可以探測一維的信息，用單電橋即可實現(xiàn)車流量、車道占用率、交通堵塞的監(jiān)測。探測器通過車輛數(shù)：1單車道車流量監(jiān)測：2345678nUT0一個電橋可以探測一維的信息，用單電橋即可實現(xiàn)車流量、車59探測器車流量單車道車流量監(jiān)測：探測器車流量單車道車流量監(jiān)測：60UT0探測器交通堵塞的監(jiān)測：UT0探測器交通堵塞的監(jiān)測：61六.多電橋組合探測通過多個電橋的組合探測，輔以科學高效的算法，可實現(xiàn)多種功能。六.多電橋組合探測通過多個電橋的組合探測，輔以科學高效的算62探測器車速車速的測量：探測器d探測器車速車速的測量：探測器d63車輛行進方向的測量：箭頭代表該電橋探測的外磁場的正方向

汽車對地磁場的擾動具有方向性為進一步簡化模型，這里將汽車的擾動看作方向為汽車行進方向的附加磁場。U1U2行進方向車輛行進方向的測量：箭頭代表該電橋探測的外磁場的正方向汽車64磁擾動的立體探測：立體探測可獲取車輛的更多信息，可能實現(xiàn)車輛身份識別。磁擾動的立體探測：立體探測可獲取車輛的更多信息，可能實現(xiàn)車輛65七.對車輛身份識別的設想由指紋識別、虹膜識別、人臉識別，獲得靈感。世界上沒有兩片葉子是一樣的，每一輛車對地磁的擾動是不同的。關(guān)鍵在于提取特征量，并在技術(shù)上實現(xiàn)對這種特征量的準確探測。七.對車輛身份識別的設想由指紋識別、虹膜識別、人臉識別，獲得66七.對車輛身份識別的設想滬R023823相對易實現(xiàn)的方法：在每一輛車的車牌上嵌入特征磁物質(zhì)，車輛通過探測器時的磁擾動產(chǎn)生特征性的差異。一輛車對應一個特征值。特征值與車牌號綁定。構(gòu)建城市機動車數(shù)據(jù)庫。

城市機動車數(shù)據(jù)庫特征向量{x,y,z,…}車輛信息車牌號：滬R023823車型：×××車主：×××……七.對車輛身份識別的設想滬R023823相對易實現(xiàn)的方法67七.對車輛身份識別的設想建立在車輛身份識別基礎(chǔ)上的交通監(jiān)控管理系統(tǒng)，效率將得到極大提高!七.對車輛身份識別的設想建立在車輛身份識別基礎(chǔ)上的交通監(jiān)控管68結(jié)語粗略地介紹了利用GMR效應設想的一種車輛探測器。具有體積小、靈敏度高、安裝方便、壽命長、環(huán)境適應性強的優(yōu)點。限于知識水平，運用了許多簡易理想的模型，可能有不嚴謹之處。結(jié)語粗略地介紹了利用GMR效應設想的一種車輛探測器。69結(jié)語按照GMR電阻的發(fā)展方向，GMR材料的磁靈敏度必將不斷提高，對于磁場的探測精度也將逐漸提高。GMR效應的應用將會隨著自旋電子學、材料科學、信息科學研究的深入越來越普遍。自旋電子器件替代傳統(tǒng)電子器件，掀起電子學、電信學的革命，實現(xiàn)量子信息時代，更會讓我們興奮不已！結(jié)語按照GMR電阻的發(fā)展方向，GMR材料的磁靈敏度必將不斷提70[1]磁電子學浙江大學出版社[2]游彪等自旋電子學的發(fā)展及應用科技進展2006[3]陳光華鄧權(quán)祥新型電子薄膜材料化學工業(yè)出版社[4]季海濱車輛探測器的實現(xiàn)技術(shù)紅外[5]朱濤自旋－21世紀信息的新載體基礎(chǔ)科學[6]顏沖等自旋電子學研究進展固體電子學研究與進展[7]湯玉林等利用GMR效應的電子指南針數(shù)據(jù)采集與處理參考文獻：參考文獻：71謝謝！祝大家新年快樂！謝謝！祝大家新年快樂！72樹立質(zhì)量法制觀念、提高全員質(zhì)量意識。12月-2212月-22Wednesday,December28,2022人生得意須盡歡，莫使金樽空對月。14:57:2714:57:2714:5712/28/20222:57:27PM安全象只弓，不拉它就松，要想保安全，常把弓弦繃。12月-2214:57:2714:57Dec-2228-Dec-22加強交通建設管理，確保工程建設質(zhì)量。14:57:2714:57:2714:57Wednesday,December28,2022安全在于心細，事故出在麻痹。12月-2212月-2214:57:2714:57:27December28,2022踏實肯干，努力奮斗。2022年12月28日2:57下午12月-2212月-22追求至善憑技術(shù)開拓市場，憑管理增創(chuàng)效益，憑服務樹立形象。28十二月20222:57:27下午14:57:2712月-22嚴格把控質(zhì)量關(guān)，讓生產(chǎn)更加有保障。十二月222:57下午12月-2214:57December28,2022作業(yè)標準記得牢，駕輕就熟除煩惱。2022/12/2814:57:2714:57:2728December2022好的事情馬上就會到來，一切都是最好的安排。2:57:27下午2:57下午14