TMR效應(yīng)在時柵傳感器中的應(yīng)用

魏家琦， 田 躍， 張 超， 張 波

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

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TMR效應(yīng)在時柵傳感器中的應(yīng)用

魏家琦， 田 躍， 張 超， 張 波

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

現(xiàn)有時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)線圈于測頭上的方法來提取測頭與齒之間磁耦合系數(shù)變化的信號。但實驗表明：這種方法所提取到的電信號相對較弱而且檢測距離極小。為了解決上述問題，又提出一種基于隧道磁阻(TMR)磁性隧道結(jié)的信號提取方法，TMR是一種對于微弱磁場變化有著極高靈敏度的磁阻效應(yīng)，在實驗中通過這種方法取得了良好的效果，提高了檢測距離以及信號幅值。

時柵； 磁耦合系數(shù)； 隧道磁阻

0 引 言

隨著科技的不斷進步，工業(yè)生產(chǎn)及教學科研對于位移測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，成為當下應(yīng)用最廣泛的柵式傳感器，但仍有許多缺點,其根本原因在于柵線數(shù)難以進一步提高,只能依靠復雜的電子倍頻細分電路，除結(jié)構(gòu)復雜、成本提高外,對光柵的運動速度還附加了限制,必須運行平穩(wěn)、無突變和相對低速等[1]。與其他嚴重依賴高精度空間刻劃的位移測量方法不同，時柵傳感器將對于空間的劃分轉(zhuǎn)變?yōu)閷r間的細分，從而徹底擺脫了長時間以來位移測量領(lǐng)域的慣有思路。

時柵采用了“時空轉(zhuǎn)換”的思維方式,用時間量去完成空間位移測量。最初的單齒式機械時柵初步實現(xiàn)了“無刻線分度器件進行角度測量”和“以時間測量空間”的功能，但還有嚴重缺點即V的恒定性，直接影響測量精度，電機加單齒引起的振動、摩擦、空氣阻力都會影響測量精度[2]。后來的場式時柵則克服了諸多缺陷，利用旋轉(zhuǎn)磁場速度上的穩(wěn)定性以及帶來的機械結(jié)構(gòu)上的簡化使時柵得到了更好的實際應(yīng)用效果。但是旋轉(zhuǎn)的磁場是通過電機內(nèi)分布的線圈產(chǎn)生的，所以從某種意義上來說，場式時柵是將光柵的空間均勻刻劃難題,轉(zhuǎn)移到了電機均勻開槽的難題上[3]。比之兩者，變耦合系數(shù)時柵則更好地解決了這些問題。

1 現(xiàn)有變耦合系數(shù)式時柵位移傳感器

變耦合系數(shù)式時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，每組分別由激勵線圈和感應(yīng)線圈組成，并且轉(zhuǎn)軸中間隔離了磁場，使得兩組線圈互不干擾。

圖1 變耦合系數(shù)式時柵位移傳感器圖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開了半個齒的角度，感應(yīng)線圈II產(chǎn)生的另一路拍頻駐波信號為

(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)生信號的幅值，且由于上下2組端面齒錯開了半個齒寬，感應(yīng)線圈I和II信號幅值的變化也產(chǎn)生了90°的位相差。仔細觀察2組感應(yīng)信號的表達式，可以看到，通過式(3)這個簡單的“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線圈內(nèi)的激勵信號頻率相同，相位則由動定齒的相對位置x/w決定。最后通過單片機捕捉到電行波與一路激勵信號的過零點時間差，同時利用高頻精密時鐘脈沖插補，相位差即可以由脈沖數(shù)來表示，也就是轉(zhuǎn)變?yōu)榱藭r間量。時柵轉(zhuǎn)臺以時柵角位移傳感器為技術(shù)核心，可以實現(xiàn)高精度分度定位[4]，通過時柵轉(zhuǎn)臺定位后，精確的時空轉(zhuǎn)換也就形成了。通過上述過程，動齒轉(zhuǎn)動的角度轉(zhuǎn)換為了時間量，實現(xiàn)了用時間量來表征空間量的最終目的，而插補時鐘頻率越高，分辨率就越高，即相當于對時間進行了精密的劃分，擺脫了長期以來位移測量對于空間高精度劃分的依賴。

實驗發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的變耦合系數(shù)式時柵仍有較多的問題存在，首先，拍頻駐波的幅值很小，要提高信號幅值必須增大激勵線圈和感應(yīng)線圈的匝數(shù)，但是由于激勵信號和感應(yīng)信號均為交流信號，匝數(shù)的提升勢必反過來影響感應(yīng)信號的質(zhì)量；其次，由于拍頻駐波幅值很小，動定齒之間的距離不能太大，僅能處于1 mm內(nèi)，機器的振動和使用環(huán)境的不穩(wěn)定性就對時柵的應(yīng)用產(chǎn)生了極大的限制。同時在對大型中空設(shè)備轉(zhuǎn)動角度的測量中，無法采用這種集中包繞線圈結(jié)構(gòu)的時柵。

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)對磁場進行感應(yīng)，相比已經(jīng)發(fā)展較長時間、成熟度較高的AMR元件和GMR元件對于磁場有更高的靈敏度。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，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，永磁體會在其表面附近產(chǎn)生磁場，當齒輪轉(zhuǎn)動時，TMR芯片所處位置的磁場就會發(fā)生周期性的變化，其輸出是類似正弦的一組電壓信號。

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

3 TMR和時柵位移傳感器的結(jié)合

TMR齒輪傳感器可以替代線圈，通過直接感應(yīng)磁場的變化來調(diào)制輸出信號，而通過電磁有限元分析軟件Ansoft Maxwell對TMR齒輪傳感器建模，進一步分析發(fā)現(xiàn)不同的齒距對于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(標準齒距等于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,齒輪齒距如果與標準齒距相同，TMR傳感器模擬仿真輸出為較為標準的正弦波，而當齒輪齒距與TMR芯片不匹配時時，傳感器輸出信號與標準正弦相比會產(chǎn)生較大的偏差。所以，本實驗中采用了配套的齒輪進行檢測。

基于上述分析，本文設(shè)計了新型的時柵原始信號提取傳感器，基本結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示，探頭的信號提取端核心是TMR齒輪芯片，芯片內(nèi)部是4個TMR元件組成的推挽式結(jié)構(gòu)全橋。其原理及實際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)動方向垂直的一條直線上，所以其所處位置磁場強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，進一步將其分解為共模分量Hc和差模分量Hd的組合，當共模磁場分量作用于芯片時，4個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式為

(5)

(6)

(7)

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

當為全橋差分式TMR齒輪芯片施加交流激勵信號后，通過齒輪與磁鐵間磁場的變化調(diào)制輸出，便可得到時柵測頭的初始拍頻駐波信號。但由于TMR芯片敏感方向的初始偏置磁場不為零，即未受齒輪調(diào)制時初始差分輸出不為零，這對于后續(xù)的信號采集處理帶來了不便，為了進一步優(yōu)化調(diào)整輸出信號，本文對芯片的2路輸出通過電路處理調(diào)零，并最終得到了較好的效果。電路基本原理圖如5。

圖5 信號處理電路Fig 5 Signal processing circuit

信號處理分為兩部分，一部分為正余弦激勵信號發(fā)生電路，同時輸出正弦與余弦信號；另一部分為芯片輸出校準電路，通過運放跟隨的方法隔離了TMR芯片內(nèi)部電阻對于外部校準電路的影響后，再通過分壓電路調(diào)整2路輸出使其相等，這樣就修正了偏置磁場對于TMR芯片的影響。

當給全橋推挽式TMR元件組供以交流電時，隨著齒輪的轉(zhuǎn)動，變化的磁場對其輸出信號產(chǎn)生幅值調(diào)制，探頭就會輸出一路拍頻駐波，在不經(jīng)過運算放大的情況下，原始信號幅值較大，且得益于全橋差分輸出結(jié)構(gòu)對于外界磁場的抗干擾能力，傳感器輸出信號噪聲較小如圖6所示。

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

4 結(jié)束語

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)用范圍得到了更進一步的擴展。時柵傳感器經(jīng)過不斷的發(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，而磁敏傳感器與時柵的結(jié)合，正是合理利用了各自的優(yōu)點，有著令人看好的前景。

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

[2] 彭東林，劉小康，張興紅，等.時柵位移傳感器原理與發(fā)展歷程[J].重慶理工大學學報:自然科學版,2010(10):43-44.

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

[4] 楊繼森，何 建，彭東林，等.基于STM32的時柵轉(zhuǎn)臺高精度自動標定系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng),2014,33(3):107-108.

[5] Yuasa S,Matsumoto R,Fukushima A,et al.Giant tunneling magnetoresistance in mgo-based magnetic tunnel junctions and its industrial applications[C]∥Nanotechnology Materials and Devices Conference,Gyeongju,Korea:IEEE Nanotechnology Council,2006:186-187.

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，主要研究方向為磁敏材料及其應(yīng)用。