磁性編碼器演示儀原理

李寶河,王立錦,王海成,陳曉白,李 文,張 勇

(1.北京工商大學機械工程學院,北京100048; 2.北京科技大學材料科學與工程學院,北京100083)

磁性編碼器演示儀原理

李寶河1,王立錦2,王海成2,陳曉白1,李 文1,張 勇1

(1.北京工商大學機械工程學院,北京100048; 2.北京科技大學材料科學與工程學院,北京100083)

介紹了磁性編碼器演示儀的整機結構,磁性編碼器內部核心部件——磁頭和磁鼓.詳細介紹了各向異性磁電阻磁頭和CoP磁鼓的制作方法以及工作原理.

各向異性磁電阻效應;磁性編碼器;磁鼓

1 引 言

旋轉編碼器是精密測量位置、角度或轉速的數字化儀器,廣泛用于數控機床等各類運動控制系統,旋轉編碼器分為光學編碼器和磁性編碼器.目前工業中普遍使用光學編碼器,但光學編碼器對環境要求高,潮濕、污染的惡劣環境會造成器件穩定性變差.磁性編碼器封裝成一體,可以克服環境影響,隨著磁頭技術的發展,靈敏度可以達到并超過光學編碼器,而且具有體積小、使用方便等有利條件,因此磁性編碼器的使用逐漸增多.

2 整機結構

筆者設計的磁性編碼器的樣機作為演示教具包含了磁性編碼器的核心部件:各向異性磁電阻磁頭、磁鼓等,并且加裝了光學編碼器用于對比.

整機結構如圖1所示.磁鼓和光學編碼器用中軸連接,用步進電機控制磁鼓旋轉,靠近磁鼓裝有各向異性磁電阻磁頭,磁頭信號經放大電路后送入示波器.同時光學編碼器的輸出信號也輸入示波器,可以比較光學編碼器和磁性編碼器角度或轉速測量的結果.

圖1 磁性編碼器演示儀結構圖

3 各向異性磁電阻磁頭的結構和原理

各向異性磁電阻磁頭是根據金屬薄膜材料的各向異性磁電阻(AMR)效應,利用金屬薄膜在不同的外磁場磁化下具有不同的電阻值而測量磁鼓上磁信號變化的.AMR效應是指鐵磁材料的電阻率隨磁化強度和電流方向的改變而變化的現象,英國科學家Thomson早在150年前就發現了鐵磁金屬的AMR效應,但直到1971年Hunt首次提出利用AMR效應來制造磁盤磁頭后,AMR薄膜材料才被廣泛地研究.NiFe薄膜具有較大的AMR效應,而且磁場靈敏度高、磁滯小,因此被廣泛應用于AMR磁場傳感器元件.

圖2顯示了AMR材料金屬Ni的電阻率與外磁場的關系.當外加與材料中電流密度垂直的磁場(H⊥J)時,其電阻率減小,發生負的磁電阻效應;當外加與材料中電流密度平行的磁場(H∥J)時,其電阻率增加,發生正的磁電阻效應.因此,把這種效應稱為各向異性磁電阻效應.

圖2 Ni金屬薄膜的磁電阻效應

各向異性磁電阻值R通常定義為

其中:ρav=(ρ∥+2ρ⊥)/3,ρ∥為磁場平行電流方向的電阻率,ρ⊥為磁場垂直電流方向的電阻率.

在磁性金屬(合金)中,磁電阻效應與疇壁位移、磁化矢量的方向有關,其電阻率可表示為

式中θ為磁化矢量與電流方向的夾角,ρ0為與θ無關的各向同性的電阻率,Δ ρ=ρs-ρ0,其中ρs為磁化矢量平行于電流方向被飽和磁化時的電阻率.AMR材料的磁電阻效應很小,金屬Fe,Co的MR在5 K時約為1%,坡莫合金(Ni81Fe19)的MR在室溫約為2.5%,其飽和磁場強度小于796 A/m.

將AMR薄膜通過微加工技術制作成薄膜磁頭元件.圖3為薄膜磁頭光刻板結構圖,元件制作流程是:將AMR薄膜通過甩膠、曝光、離子刻蝕、蒸鍍電極、超聲壓焊等微加工工藝直接在薄膜上形成所需的材料形狀和電極連接,真正實現材料與器件一體化.磁頭讀出的磁鼓的磁化信號利用放大和整形電路,使其輸出標準的方波圖形.

圖3 薄膜磁頭光刻結構圖

4 磁鼓的結構和記錄原理

在鋁鼓上先鍍上一層非晶無磁的NiP做底層,再鍍上一層CoP形成磁鼓,NiP底層可以使磁性層CoP成膜均勻平滑.如圖4(a)所示.磁鼓經充磁裝置磁化,磁化后在磁鼓表面形成如圖4 (b)所示的磁化結構.我們使用的磁鼓表面共磁化有256對NS極.當磁鼓每旋轉1周則產生512個磁脈沖.磁鼓上1對NS極間相距為λ,磁頭上AMR磁阻條相距λ/2,與磁鼓磁極匹配則4個AMR磁阻條零場狀態和飽和磁化2種狀態下相當于大小2種阻值的4個電阻,磁頭等效電路如圖5所示(用黑白電阻符號區分處于高低狀態的2個AMR磁阻條).隨著磁鼓的轉動,磁條的電阻可由高阻狀態到低阻狀態交替變化,磁頭輸出信號經過放大電路和差分電路后就可反映出磁鼓的磁脈沖信號.通過單位時間產生的脈沖的個數,就可以計算出磁鼓的轉速和精確的角位移.受到磁頭響應時間和放大電路帶寬的影響,磁性編碼器可測量的信號脈沖范圍為0～10 kHz,當磁鼓表面磁極有256對時,磁鼓每轉動1周可以產生512個脈沖,則可測量的轉速范圍為0～70 312 r/h.

圖4 磁鼓結構和磁鼓表面的磁化結構

圖5 磁頭等效電路圖

5 結束語

本文綜述了磁編碼器的磁頭及磁鼓的結構和原理.我們研制的磁編碼器演示儀器可以演示AMR傳感器磁頭讀出磁鼓上的磁信號,并在示波器上顯示出磁鼓不同轉速下的方波信號,通過計算方波的周期,可以準確得到磁鼓的轉速和角位移,并可與光學編碼器給出的結果進行比較.

[1] 王海成,杜中美,王立錦,等.NiP底層對化學鍍CoP薄膜性能的影響[J].功能材料,2008,39:51-54.

[2] 朱名日,蔣存波,馬學文.高分辨率磁性編碼器的磁鼓研究[J].桂林工學院學報,2004,24:241-244.

[3] 王立錦,胡強,滕蛟.一種具有消諧波正弦輸出的AMR薄膜磁頭設計[J].電子器件,2006,29:134-138.

Principle of magnetic encoder

LI Bao-he1,W ANG Li-jin2,W ANG Hai-cheng2,CHEN Xiao-bai1,LI Wen1,ZHANG Yong1
(1.College of Mechanical Engineering,Beijing Technology and Business University,Beijing 100048,China; 2.School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)

This paper introduces the outline of a magnetic encoder demonstrator and its critical parts:magnetic head and magnetic drum.Preparation and principles of the magnetic head with anisotropic magnetoresistance and CoP magnetic drum are also presented.

anisotropic magnetoresistance;magnetic encoder;magnetic drum

TN762;O441.2

A

1005-4642(2010)06-0025-03

[責任編輯:尹冬梅]

“全國高等學校第9屆物理演示實驗教學研討會”論文

2009-08-27;修改日期:2009-10-25

北京市屬高等學校人才強教計劃項目(No.PHR201007122);北京市自然科學基金項目(No.2102014)

李寶河(1972-),男,河北保定人,北京工商大學機械工程學院教授,博士,從事磁性薄膜材料及器件研究.