磁敏感傳感器接近開關(guān)的設(shè)計(jì)

唐林

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系，四川遂寧629000）

磁敏感傳感器接近開關(guān)的設(shè)計(jì)

唐林

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系，四川遂寧629000）

本文敘述了磁敏感傳感器元件的研制原理．并闡述了磁敏感接近開關(guān)的應(yīng)用前景，簡述了利用磁敏感傳感器元件為檢測部件設(shè)計(jì)磁敏感接近開關(guān)．

傳感器；磁敏感；接近開關(guān)

人類社會在發(fā)展過程中，需要不斷地認(rèn)識自然與改造自然，而認(rèn)識與改造必然伴隨著對各種信號的感知和測量，這些都需要應(yīng)用傳感器技術(shù)．傳感器技術(shù)運(yùn)用在自動檢測控制系統(tǒng)中，對系統(tǒng)運(yùn)行的各項(xiàng)功能起著重要的作用.系統(tǒng)的自動化程度越高，對傳感器的依賴性就越強(qiáng)．接近開關(guān)是自動控制和某些物理量的重要部件，國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域都有著廣泛的用途.國外先進(jìn)國家早在六十年代就將接近開關(guān)投入了商品化生產(chǎn),現(xiàn)在工控市場各種接近開關(guān)越來越細(xì)分，供需量非常大，促進(jìn)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展．

1 各相異性磁電阻效應(yīng)簡介

傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成.敏感元件是傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量的部分；轉(zhuǎn)換元件是傳感器中能將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適合傳輸或測量的電信號的部分．

磁傳感器用來檢測磁場物理量信號的元件,磁敏感接近開關(guān)以磁敏感元件（MR）為敏感元件，而磁敏感元件的敏感機(jī)理是強(qiáng)磁性合金薄膜的各向異性磁電阻效應(yīng)，下面對各向異性磁電阻效應(yīng)做一簡要介紹．

鐵磁性材料中，存在三種電阻變化，一種是在固定溫度下阻值與它的磁化狀態(tài)有關(guān)；一種是阻值與因溫度變化而引起的磁化狀態(tài)變化有關(guān)；另一種是組織與材料的磁化方向有關(guān)，這最后一種電阻變化現(xiàn)象被稱為各相異性磁電阻效應(yīng)，是威廉·湯姆遜于1857年首次發(fā)現(xiàn)的．在理論上，各向異性磁電阻效應(yīng)可用電子自旋磁矩的相互耦合及電子d能帶的分裂來解釋．

鐵磁金屬具有很大的內(nèi)部自發(fā)磁化，對于坡膜合金一類材料，只要用比內(nèi)部磁化小3-4個數(shù)量級的外部磁場就能控制其內(nèi)部磁化，而且，這類合金中電子的平均自由程很短，僅為200A左右，所以可有效地利用很薄的膜．我們的MR元件就是基于它們的這些特性設(shè)計(jì)的．

2 磁敏感元件的設(shè)計(jì)

由各向異性磁電阻效應(yīng)可知，強(qiáng)磁性合金薄膜中電流方向平行時具有最大阻值，而在相互垂直時具有最小阻值．對于多晶薄膜，具有下面的關(guān)系式：

圖一MR元件的結(jié)構(gòu)示意圖

其中θ為電流與磁化方向的夾角，R⊥和R∥分別為電流與磁化方向垂直和平行時的阻值．

根據(jù)式⑴，我們設(shè)計(jì)了由垂直放置的兩個N i-F e合金薄膜電阻值組成的三端MR元件，使其電流方向相差900．圖一是它的結(jié)構(gòu)示意圖，圖二是它的等效電路圖．

由式⑴可知：

給MR元件加電壓V0，則b c端間的電壓

用式⑵、⑶代入式⑷，整理后得:

式⑸中等號右邊的第一項(xiàng)為退磁狀態(tài)下b c間的電壓，第二項(xiàng)為加磁場后b c間電壓的變化值，即輸出信號.從這一項(xiàng)可見，外加磁場若為旋轉(zhuǎn)磁場，則輸出信號是以π為周期的余弦交變信號，即在磁場旋轉(zhuǎn)一周時，輸出兩個余弦周期．我們用這個結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的三端MR元件主要性能參數(shù)如表一．

表一三端MR元件主要參數(shù)

3 MR磁敏感接近開關(guān)設(shè)計(jì)

我們利用MR元件作敏感元件設(shè)計(jì)了磁敏接近開關(guān)，其工作原理是利用磁敏感元件對磁場的磁感應(yīng)信號的變化進(jìn)行相應(yīng)的變化，將此變化信號轉(zhuǎn)換成有用的電信號，設(shè)計(jì)響應(yīng)的電路來完成信號的變換，以有利于傳輸．

根據(jù)檢測信號的特點(diǎn)設(shè)計(jì)框圖如圖二，檢測信號首先通過電路放大器進(jìn)行放大，在此放大電路中是將檢測元件送過來的信號不加區(qū)分都進(jìn)行了放大，在這部分放大信號中就有相當(dāng)大部分信號是無用信號，甚至是干擾信號．為此必須設(shè)計(jì)整形放大電路，整形放大電路的功能就是去除無用和干擾信號，然后將有用信號傳輸至下一級．

電路工作機(jī)理是當(dāng)永磁體接近或經(jīng)過MR元件前時，MR元件受磁場作用而輸出電壓信號．該信號直接耦合到放大電路放大，經(jīng)整形而成為接近電源電壓的直流信號，為了使接近開關(guān)能在較寬的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定地工作，對MR元件的溫度特性做了必要的補(bǔ)償，其主技術(shù)指標(biāo)如表二．為了適應(yīng)各種場合，可以采用塑料封裝、金屬封裝等形式，要求封裝方式必須安裝方便，通用性強(qiáng)．

圖二MR接近開關(guān)等效電路圖

表二MR磁敏接近開關(guān)的主要系數(shù)

4 結(jié)語

利用MR元件設(shè)計(jì)的磁敏接近開關(guān)具有很多優(yōu)點(diǎn)，是有些高頻振蕩型、差動型、靜電電容型、光電及霍爾型接近開關(guān)所不及的．這在實(shí)際應(yīng)用中已體現(xiàn)出來，隨著我國工業(yè)自動化程度的提高和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，MR磁敏接近開關(guān)應(yīng)用也越來越廣泛．

[1]李學(xué)慧，李艷琴.磁學(xué)基礎(chǔ)與磁性材料[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2006．

[2]俞云強(qiáng).傳感器與檢測技術(shù)[M]．北京：高等教育出版社，2013．

責(zé)任編輯：張隆輝

TN602

A

1672-2094（2017）01-0155-02

2016-09-08

唐林（1966-），男，四川遂寧人，四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，碩士.研究方向：應(yīng)用電子技術(shù)方面.