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基于隧道磁阻效應的單軸加速度計研究*

2019-06-25 03:48:08王斌龍

傳感器與微系統(tǒng) 2019年7期

關鍵詞：磁場模態(tài)檢測

王斌龍，楊波

(1.東南大學儀器科學與工程學院，江蘇南京 210096；2.東南大學微慣性儀表與先進導航技術教育部重點實驗室，江蘇南京 210096)

0 引言

隧道磁阻(tunneling magneto resistance,TMR)效應自發(fā)現以來被予以了極大的關注[1～3]，其極高的磁場靈敏特性[4]決定了其在慣性儀表諸如加速度計以及陀螺儀等方面的具有廣泛的應用前景。中北大學于2015年提出了基于TMR效應的三維電子羅盤[5,6]設計，利用隧道磁阻傳感器檢測地磁場信號從而實現方位角的校測；文獻[7～10]提出并實現了基于TMR以及巨磁阻(giant magneto resistance,GMR)效應的角度傳感器，通過相應的拓撲結構可以實現0°～360°的角度檢測；文獻[11，12]提出了基于GMR的位移檢測裝置，利用GMR傳感器檢測永磁體磁場的變化實現位移信號的檢測；文獻[13,14]實現了一種基于磁阻效應的雙軸加速度計，通過磁阻傳感器對磁場質量塊的偏轉測量實現加速度信號的檢測。由于隧道磁阻效應相對于巨磁阻效應及磁阻效應具有極高的檢測靈敏度[15]，在加速度計上具有巨大應用潛力。

本文利用3D打印以及組裝技術，設計了基于隧道磁阻效應的單軸加速度計。

1 原理和方法

1.1 結構設計

如圖1(a) 所示，隧道磁阻加速度計主要包括TMR線性磁場傳感器、彈性梁、質量塊、外圍框架、結構底板等。TMR線性磁場傳感器位于加速度計結構的底部，用于檢測由質量塊底部永磁體產生的磁場。如圖1(b) 所示，單個TMR線性磁場傳感器由4個TMR，4個隧道磁電阻按惠斯通電橋的方式相連接并輸出和磁場強度相對應的電壓信號。當無加速度輸入時，永磁體在中心線二側的磁場強度分布相等，中心線兩側TMR線性磁場傳感器的輸出電壓幅值相等；當沿著x軸有加速度輸入時，永磁體在中心線兩側的磁場強度分布失衡，從而中心線兩側TMR線性磁場傳感器的輸出電壓幅值產生偏差。因此，可以通過對中心線兩側TMR線性磁場傳感器的壓差檢測實現加速度信號的測量。

圖1 加速度計結構模型

1.2 加速度計檢測原理

TMR加速度計的位移—加速度關系，通過如圖2所示的線加速度計力學模型[16]等效分析，當輸入恒定的加速度時，位移的穩(wěn)態(tài)響應為

(1)

式中m,k,wn分別為質量、彈性剛度、加速度計無阻尼自振角頻率。

圖2 線加速度計力學模型

隧道磁阻加速度計利用由銣鐵硼(NdFeB—N35)材料制作的圓柱形永磁體產生磁場，其中,R=5 mm，H=2 mm，剩磁導率常數Br=1 190 mT。由于TMR傳感器主要對x方向的磁場敏感，通過如圖3所示的磁場模型對x軸方向的磁場分布進行定量的分析，x方向上磁場解析表達式[17]為

(2)

圖3 磁場分析模型

圖4 K(i)曲線

由于TMR線性磁場傳感器位于永磁體的外部，取z=7,8,9,10 mm分別驗證x方向上磁場的分布情況。磁場的分布曲線如圖5所示。其中，x0以及-x0為無加速度輸出時底部兩側TMR線性磁場傳感器與永磁體中心位置的水平距離，當加速度輸入導致在x0以及-x0附件產生微小位移時，可用在x0以及-x0處切線的斜率kx0近似磁場的變化，因此磁場和位移的變化關系

B=kx0x+Bx0

(3)

式中kx0,Bx0分別為在點x0處切線的斜率和磁場強度。

圖5 磁場曲線

TMR線性磁場傳感器采用線性磁場傳感器TMR2104。當外加敏感方向磁場強度-8～8 mT之間時，TMR線性磁場傳感器的輸出電壓和磁場強度成正比，靈敏度可達kB=31 mV/(V·mT)。

綜上，設定TMR線性磁場傳感器的供電電壓為Vref，結合式(1)、式(2)、式(3)，則隧道磁阻式加速度計的輸出電壓Vo為

(4)

2 仿真和電路設計

2.1 加速度計仿真

利用有限元分析軟件ANSYS對隧道磁阻加速度計的工作機理進行仿真，圖6為隧道磁阻式加速度計的前四階模態(tài)，其中第一階模態(tài)為隧道磁阻加速度計的工作模態(tài)。當加速度計的質量塊固定時，加速度計的模態(tài)頻率和位移—加速度響應靈敏度主要取決于彈性梁的長度、寬度和高度。

圖6 加速度計仿真模態(tài)

彈性梁采用長方體結構，隧道磁阻加速度計的位移靈敏度以及工作模態(tài)的頻率主要受彈性梁的長(L)、寬(W)、高(H)影響。采用控制變量法分別分析彈性梁在不同長(L)、寬(W)、高(H)參數下的加速度計最大位移以及工作模態(tài)頻率，仿真結果如圖7所示。仿真結果表明：彈性梁的長、寬較大、高較小時，一階模態(tài)的工作頻率較高，但位移響應較弱。

圖7 彈性梁參數對性能影響曲線

綜合考慮位移—加速度靈敏度以及隧道磁阻式加速度計制作過程中3D打印的精度，在L=8 mm，H=50 mm時分別取W=1.8 mm，2.8 mm作為實際模型參數,其模態(tài)頻率以及加速度—位移響應曲線如表1、圖8所示。

表1 加速度計參數

圖8 加速度—位移響應曲線

2.2 測控電路設計

圖9為隧道磁阻加速度計測控電路的原理框圖。加速度信號的輸入會導致底部TMR線性傳感器的輸出電壓發(fā)生變化，通過二路前置儀表放大器A1,A2分別實現對底部二側TMR線性磁場傳感器輸出電壓的檢測，A1,A2的輸出信號經后級儀表A3后進入模/數轉換(analog to digital conversion,ADC)模塊。FPGA微控制器通過約定時序讀取ADC轉換后的數字信號并通過串口將采集到的數據按每秒一幀的格式發(fā)送到上位機。