TMR效應(yīng)在時(shí)柵傳感器中的應(yīng)用

魏家琦， 田 躍， 張 超， 張 波

(北京科技大學(xué) 弱磁檢測(cè)及應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，北京 100083)

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TMR效應(yīng)在時(shí)柵傳感器中的應(yīng)用

魏家琦， 田 躍， 張 超， 張 波

(北京科技大學(xué) 弱磁檢測(cè)及應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，北京 100083)

現(xiàn)有時(shí)柵主要還是利用變耦合系數(shù)變壓器的原理，采用纏繞感應(yīng)線圈于測(cè)頭上的方法來(lái)提取測(cè)頭與齒之間磁耦合系數(shù)變化的信號(hào)。但實(shí)驗(yàn)表明：這種方法所提取到的電信號(hào)相對(duì)較弱而且檢測(cè)距離極小。為了解決上述問(wèn)題，又提出一種基于隧道磁阻(TMR)磁性隧道結(jié)的信號(hào)提取方法，TMR是一種對(duì)于微弱磁場(chǎng)變化有著極高靈敏度的磁阻效應(yīng)，在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)這種方法取得了良好的效果，提高了檢測(cè)距離以及信號(hào)幅值。

時(shí)柵； 磁耦合系數(shù)； 隧道磁阻

0 引 言

隨著科技的不斷進(jìn)步，工業(yè)生產(chǎn)及教學(xué)科研對(duì)于位移測(cè)量的精度要求也在不斷提高。超聲波技術(shù)、磁致伸縮技術(shù)、光纖技術(shù)等被大量應(yīng)用于位移測(cè)量傳感器中。由于光柵精度較高且目前技術(shù)較為成熟，成為當(dāng)下應(yīng)用最廣泛的柵式傳感器，但仍有許多缺點(diǎn),其根本原因在于柵線數(shù)難以進(jìn)一步提高,只能依靠復(fù)雜的電子倍頻細(xì)分電路，除結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本提高外,對(duì)光柵的運(yùn)動(dòng)速度還附加了限制,必須運(yùn)行平穩(wěn)、無(wú)突變和相對(duì)低速等[1]。與其他嚴(yán)重依賴高精度空間刻劃的位移測(cè)量方法不同，時(shí)柵傳感器將對(duì)于空間的劃分轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)時(shí)間的細(xì)分，從而徹底擺脫了長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)位移測(cè)量領(lǐng)域的慣有思路。

時(shí)柵采用了“時(shí)空轉(zhuǎn)換”的思維方式,用時(shí)間量去完成空間位移測(cè)量。最初的單齒式機(jī)械時(shí)柵初步實(shí)現(xiàn)了“無(wú)刻線分度器件進(jìn)行角度測(cè)量”和“以時(shí)間測(cè)量空間”的功能，但還有嚴(yán)重缺點(diǎn)即V的恒定性，直接影響測(cè)量精度，電機(jī)加單齒引起的振動(dòng)、摩擦、空氣阻力都會(huì)影響測(cè)量精度[2]。后來(lái)的場(chǎng)式時(shí)柵則克服了諸多缺陷，利用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度上的穩(wěn)定性以及帶來(lái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)上的簡(jiǎn)化使時(shí)柵得到了更好的實(shí)際應(yīng)用效果。但是旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)是通過(guò)電機(jī)內(nèi)分布的線圈產(chǎn)生的，所以從某種意義上來(lái)說(shuō)，場(chǎng)式時(shí)柵是將光柵的空間均勻刻劃難題,轉(zhuǎn)移到了電機(jī)均勻開槽的難題上[3]。比之兩者，變耦合系數(shù)時(shí)柵則更好地解決了這些問(wèn)題。

1 現(xiàn)有變耦合系數(shù)式時(shí)柵位移傳感器

變耦合系數(shù)式時(shí)柵位移傳感器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸有上下兩組線圈纏繞，每組分別由激勵(lì)線圈和感應(yīng)線圈組成，并且轉(zhuǎn)軸中間隔離了磁場(chǎng)，使得兩組線圈互不干擾。

圖1 變耦合系數(shù)式時(shí)柵位移傳感器圖Fig 1 Time grating distance sensor with variable coupling coefficient

(1)

由于下面一組端面齒與上端面齒錯(cuò)開了半個(gè)齒的角度，感應(yīng)線圈II產(chǎn)生的另一路拍頻駐波信號(hào)為

(2)

由上述公式可以看到磁路的變化調(diào)制了感應(yīng)線圈所產(chǎn)生信號(hào)的幅值，且由于上下2組端面齒錯(cuò)開了半個(gè)齒寬，感應(yīng)線圈I和II信號(hào)幅值的變化也產(chǎn)生了90°的位相差。仔細(xì)觀察2組感應(yīng)信號(hào)的表達(dá)式，可以看到，通過(guò)式(3)這個(gè)簡(jiǎn)單的“和差化積”三角函數(shù)變換公式，可以得到疊加后的信號(hào)如式(4)

Asinα·Bcosβ+Acosα·Bsinβ=

Ksin(α+β)

(3)

(4)

由此得到了能反映齒輪空間位置的電行波。由式(4)可知，由2組拍頻駐波疊加得到的電行波頻率和激勵(lì)線圈內(nèi)的激勵(lì)信號(hào)頻率相同，相位則由動(dòng)定齒的相對(duì)位置x/w決定。最后通過(guò)單片機(jī)捕捉到電行波與一路激勵(lì)信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)時(shí)間差，同時(shí)利用高頻精密時(shí)鐘脈沖插補(bǔ)，相位差即可以由脈沖數(shù)來(lái)表示，也就是轉(zhuǎn)變?yōu)榱藭r(shí)間量。時(shí)柵轉(zhuǎn)臺(tái)以時(shí)柵角位移傳感器為技術(shù)核心，可以實(shí)現(xiàn)高精度分度定位[4]，通過(guò)時(shí)柵轉(zhuǎn)臺(tái)定位后，精確的時(shí)空轉(zhuǎn)換也就形成了。通過(guò)上述過(guò)程，動(dòng)齒轉(zhuǎn)動(dòng)的角度轉(zhuǎn)換為了時(shí)間量，實(shí)現(xiàn)了用時(shí)間量來(lái)表征空間量的最終目的，而插補(bǔ)時(shí)鐘頻率越高，分辨率就越高，即相當(dāng)于對(duì)時(shí)間進(jìn)行了精密的劃分，擺脫了長(zhǎng)期以來(lái)位移測(cè)量對(duì)于空間高精度劃分的依賴。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的變耦合系數(shù)式時(shí)柵仍有較多的問(wèn)題存在，首先，拍頻駐波的幅值很小，要提高信號(hào)幅值必須增大激勵(lì)線圈和感應(yīng)線圈的匝數(shù)，但是由于激勵(lì)信號(hào)和感應(yīng)信號(hào)均為交流信號(hào)，匝數(shù)的提升勢(shì)必反過(guò)來(lái)影響感應(yīng)信號(hào)的質(zhì)量；其次，由于拍頻駐波幅值很小，動(dòng)定齒之間的距離不能太大，僅能處于1 mm內(nèi)，機(jī)器的振動(dòng)和使用環(huán)境的不穩(wěn)定性就對(duì)時(shí)柵的應(yīng)用產(chǎn)生了極大的限制。同時(shí)在對(duì)大型中空設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)角度的測(cè)量中，無(wú)法采用這種集中包繞線圈結(jié)構(gòu)的時(shí)柵。

2 隧道磁電阻效應(yīng)傳感器

隧道磁阻(tunnel magneto resistance，TMR)元件是近期開始在工業(yè)中應(yīng)用的新型磁電阻效應(yīng)傳感器，其核心是磁性隧道結(jié)，磁性隧道結(jié)是絕緣層薄膜夾在鐵磁層薄膜中間構(gòu)成的三明治結(jié)構(gòu)[5]，利用磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應(yīng)對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行感應(yīng)，相比已經(jīng)發(fā)展較長(zhǎng)時(shí)間、成熟度較高的AMR元件和GMR元件對(duì)于磁場(chǎng)有更高的靈敏度。TMR元件與GMR,AMR和霍爾元件相比有更好的溫度穩(wěn)定性，在靈敏度、功耗、線性度方面也有很大的優(yōu)勢(shì)，且不需要霍爾元件中的聚磁環(huán)結(jié)構(gòu)和AMR元件中的set/reset線圈結(jié)構(gòu)。

TMR齒輪傳感器工作原理如圖2所示，永磁體會(huì)在其表面附近產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，TMR芯片所處位置的磁場(chǎng)就會(huì)發(fā)生周期性的變化，其輸出是類似正弦的一組電壓信號(hào)。

圖2 TMR齒輪傳感器工作原理Fig 2 Working principle of TMR gear sensor

3 TMR和時(shí)柵位移傳感器的結(jié)合

TMR齒輪傳感器可以替代線圈，通過(guò)直接感應(yīng)磁場(chǎng)的變化來(lái)調(diào)制輸出信號(hào)，而通過(guò)電磁有限元分析軟件Ansoft Maxwell對(duì)TMR齒輪傳感器建模，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)不同的齒距對(duì)于TMR齒輪傳感器的輸出有較大的影響，圖3為不同的齒距下，TMR傳感器輸出的仿真結(jié)果(標(biāo)準(zhǔn)齒距等于TMR傳感器內(nèi)部元件排布距離)。

圖3 不同齒距下TMR傳感器的仿真輸出結(jié)果Fig 3 Simulation output result of TMR sensor with different gear distance

圖3可以看到,齒輪齒距如果與標(biāo)準(zhǔn)齒距相同，TMR傳感器模擬仿真輸出為較為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，而當(dāng)齒輪齒距與TMR芯片不匹配時(shí)時(shí)，傳感器輸出信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)正弦相比會(huì)產(chǎn)生較大的偏差。所以，本實(shí)驗(yàn)中采用了配套的齒輪進(jìn)行檢測(cè)。

基于上述分析，本文設(shè)計(jì)了新型的時(shí)柵原始信號(hào)提取傳感器，基本結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示，探頭的信號(hào)提取端核心是TMR齒輪芯片，芯片內(nèi)部是4個(gè)TMR元件組成的推挽式結(jié)構(gòu)全橋。其原理及實(shí)際TMR元件分布位置如圖4(b)所示。

圖4 基本結(jié)構(gòu)Fig 4 Fundamental structure

從圖4(b)可以看到由于R1和R4處于與齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向垂直的一條直線上，所以其所處位置磁場(chǎng)強(qiáng)度在其敏感方向的分量是完全相同的,R2和R3亦是同樣的情況，如圖所示，進(jìn)一步將其分解為共模分量Hc和差模分量Hd的組合，當(dāng)共模磁場(chǎng)分量作用于芯片時(shí)，4個(gè)TMR元件的電阻值發(fā)生同樣的變化，芯片的差分輸出不受其影響，所以,TMR芯片2路的輸出以及最終的差分輸出量表達(dá)式為

(5)

(6)

(7)

式中 S為4個(gè)TMR元件對(duì)于磁場(chǎng)的電阻變化率，R為TMR元件的基礎(chǔ)阻值，Hc和Hd分別為共模磁場(chǎng)和差模磁場(chǎng)?？梢钥吹?，傳感器的輸出量反映的是差模磁場(chǎng)的大小，不受外界背景磁場(chǎng)的影響，所以，全橋推挽式設(shè)計(jì)不僅放大了傳感器的輸出信號(hào)，更重要的是增強(qiáng)了其對(duì)于外界磁場(chǎng)的抗干擾能力。

當(dāng)為全橋差分式TMR齒輪芯片施加交流激勵(lì)信號(hào)后，通過(guò)齒輪與磁鐵間磁場(chǎng)的變化調(diào)制輸出，便可得到時(shí)柵測(cè)頭的初始拍頻駐波信號(hào)。但由于TMR芯片敏感方向的初始偏置磁場(chǎng)不為零，即未受齒輪調(diào)制時(shí)初始差分輸出不為零，這對(duì)于后續(xù)的信號(hào)采集處理帶來(lái)了不便，為了進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整輸出信號(hào)，本文對(duì)芯片的2路輸出通過(guò)電路處理調(diào)零，并最終得到了較好的效果。電路基本原理圖如5。

圖5 信號(hào)處理電路Fig 5 Signal processing circuit

信號(hào)處理分為兩部分，一部分為正余弦激勵(lì)信號(hào)發(fā)生電路，同時(shí)輸出正弦與余弦信號(hào)；另一部分為芯片輸出校準(zhǔn)電路，通過(guò)運(yùn)放跟隨的方法隔離了TMR芯片內(nèi)部電阻對(duì)于外部校準(zhǔn)電路的影響后，再通過(guò)分壓電路調(diào)整2路輸出使其相等，這樣就修正了偏置磁場(chǎng)對(duì)于TMR芯片的影響。

當(dāng)給全橋推挽式TMR元件組供以交流電時(shí)，隨著齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，變化的磁場(chǎng)對(duì)其輸出信號(hào)產(chǎn)生幅值調(diào)制，探頭就會(huì)輸出一路拍頻駐波，在不經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大的情況下，原始信號(hào)幅值較大，且得益于全橋差分輸出結(jié)構(gòu)對(duì)于外界磁場(chǎng)的抗干擾能力，傳感器輸出信號(hào)噪聲較小如圖6所示。

圖6 輸出拍頻駐波Fig 6 Standing wave with beat frequency

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著TMR和巨磁阻抗(GMI)效應(yīng)的出現(xiàn)，磁敏傳感器在很多應(yīng)用中可以滿足更高精度的要求，磁敏傳感器的應(yīng)用范圍得到了更進(jìn)一步的擴(kuò)展。時(shí)柵傳感器經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展，在制作工藝、使用環(huán)境以及分辨率等方面有了極大的提升，而磁敏傳感器與時(shí)柵的結(jié)合，正是合理利用了各自的優(yōu)點(diǎn)，有著令人看好的前景。

[1] 彭東林，劉小康，張興紅，等.時(shí)柵位移傳感器研究[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)， 2006(5):2-3.

[2] 彭東林，劉小康，張興紅，等.時(shí)柵位移傳感器原理與發(fā)展歷程[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010(10):43-44.

[3] 楊 偉，彭東林，朱 革，等.基于變耦合系數(shù)變壓器原理的時(shí)柵位移傳感器設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2006(11):1403-1404.

[4] 楊繼森，何 建，彭東林，等.基于STM32的時(shí)柵轉(zhuǎn)臺(tái)高精度自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng),2014,33(3):107-108.

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Application of TMR effect in time grating sensor

WEI Jia-qi, TIAN Yue, ZHANG Chao， ZHANG Bo

(Engineering Research Center of Detection and Application for Weak Magnetic Field, University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)

Existing time grating is based on the principle of variable coupling coefficient transformer that adopt the method of winding coil around the detecting probe to extract signal of magnetic coupling coefficient variation between detecting probe and gear.But experiment shows that the extracted electrical signal extracted by this method is relative weak,meanwhile,the detection distance is extremely small.To solve the above problems,a new method of signal extraction based on tunnel magneto resistance(TMR) is presented.TMR is a kind of magnetoresistance effect,which has a very high sensitivity for weak magnetic field,variation good effect are achieved by this method in experiment and detection distance as well as signal amplitude are improved.

time grating; magnetic coupling coefficient; tunnel magneto resistance(TMR)

2015—11—09

10.13873/J.1000—9787(2016)10—0145—03

TP 212

A

1000—9787(2016)10—0145—03

魏家琦(1990-)，男，山西朔州人，碩士，主要研究方向?yàn)榇琶舨牧霞捌鋺?yīng)用。