TMR磁傳感器磁通調(diào)制結(jié)構(gòu)溫度穩(wěn)定性研究

張君盛，潘孟春，胡佳飛，杜青法，孫 琨，張欣苗

(國(guó)防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

0 引 言

隧道磁電阻(tunnel magnetoresistance,TMR)磁傳感器具有高靈敏、低功耗、小型化等顯著優(yōu)勢(shì)，在生物磁場(chǎng)、目標(biāo)探測(cè)、地磁導(dǎo)航、無(wú)損檢測(cè)等領(lǐng)域均有極大的發(fā)展?jié)摿?，?/f噪聲極大限制了其低頻磁場(chǎng)探測(cè)能力[1]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種磁通調(diào)制方法用于抑制1/f噪聲，但這些方法存在調(diào)制效率低、抗干擾能力弱、溫度適用范圍小等問(wèn)題，距離實(shí)用化還有較大的差距[2～4]。

由于調(diào)制結(jié)構(gòu)自身材料特性和應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)與溫度緊密相關(guān)，基于壓電諧振的磁通調(diào)制技術(shù)存在振幅溫漂大、溫度穩(wěn)定性差的問(wèn)題。目前,主要的壓電諧振控制方式包括:基于電流搜索或鎖相環(huán)的諧振頻率控制方法、基于電容式或壓電式的幅度控制以及將頻率控制和幅度控制相結(jié)合的雙控制方法[6～8]。這些方式對(duì)于穩(wěn)定調(diào)制結(jié)構(gòu)諧振特性起到了一定的作用，但未將溫度等環(huán)境因素對(duì)控制環(huán)路本身的影響納入其中，因此溫度穩(wěn)定性較差，適用范圍較小。

為解決上述問(wèn)題，本文提出了一種相幅雙閉環(huán)溫補(bǔ)控制方法，該方法能夠?qū)崟r(shí)跟蹤控制諧振頻率和振動(dòng)幅值，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)外界溫度信息補(bǔ)償參考電壓，完成控制環(huán)路的更新，增強(qiáng)了調(diào)制結(jié)構(gòu)的溫度穩(wěn)定性。

1 基于壓電諧振的磁通調(diào)制結(jié)構(gòu)與原理

基于壓電諧振的磁通調(diào)制方法能夠?qū)?/f噪聲降低近2個(gè)量級(jí)。結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，主要由壓電驅(qū)動(dòng)諧振主梁、支撐梁、底部帶有調(diào)制膜的懸臂梁以及硅基基底等部分組成?；趬弘娭C振的磁通調(diào)制原理如圖1(b)所示。調(diào)制膜在壓電結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)下周期振動(dòng)，振動(dòng)過(guò)程中利用其自身的磁力線聚集作用將聚集器氣隙內(nèi)的靜磁場(chǎng)或低頻磁場(chǎng)調(diào)制為高頻磁場(chǎng)[5]。

圖1 基于壓電諧振的磁通調(diào)制結(jié)構(gòu)和原理

2 相幅雙閉環(huán)溫補(bǔ)控制原理與方法

相幅雙閉環(huán)溫補(bǔ)控制方法通過(guò)基于鎖相環(huán)和自動(dòng)增益的雙閉環(huán)控制環(huán)路完成諧振頻率和幅度的跟蹤控制，通過(guò)參考電壓溫漂補(bǔ)償模塊完成控制信息更新，最終實(shí)現(xiàn)變溫條件下的調(diào)制結(jié)構(gòu)諧振控制。

2.1 基于鎖相環(huán)和自動(dòng)增益的雙閉環(huán)控制方法

調(diào)制結(jié)構(gòu)在工作過(guò)程中由于環(huán)境的干擾、自身的漂移等因素會(huì)導(dǎo)致諧振頻率及幅度發(fā)生變化，因此為保證振動(dòng)穩(wěn)定性，要對(duì)其諧振頻率和幅度進(jìn)行跟蹤控制。磁通調(diào)制結(jié)構(gòu)采用壓電諧振實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，可以采用圖2所示的等效電路模型進(jìn)行描述。其中，C0為靜電容，與振動(dòng)無(wú)關(guān)；RLC支路中的電阻R1，電感L1及電容C1為與振動(dòng)相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。調(diào)制結(jié)構(gòu)達(dá)到諧振狀態(tài)時(shí)RLC支路等效為純電阻。

圖2 壓電振子等效電路

等效電路的電導(dǎo)G及電納B分別為

(1)

(2)

根據(jù)電導(dǎo)及電納可以得到傳遞函數(shù)的相位θ為

(3)

當(dāng)達(dá)到諧振狀態(tài)時(shí)，RLC支路等效為純電阻，可求得諧振頻率為

(4)

將諧振頻率ω0代入到傳遞函數(shù)的相位θ中，可得到串聯(lián)諧振條件下的相位θ0為

(5)

該相位與頻率ω?zé)o關(guān)，僅與等效電路的參數(shù)相關(guān)，即諧振狀態(tài)下系統(tǒng)輸出與輸入之間的相位差為固定值。調(diào)制結(jié)構(gòu)利用逆壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)，利用壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)的檢測(cè),因此諧振狀態(tài)下檢測(cè)信號(hào)與激勵(lì)信號(hào)之間的相位差是特定的恒定值，具有鎖相環(huán)控制的條件。通過(guò)調(diào)整激勵(lì)頻率使得激勵(lì)信號(hào)與檢測(cè)信號(hào)之間相位差始終與諧振狀態(tài)下的相位差保持一致，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)諧振頻率的跟蹤控制。

調(diào)制結(jié)構(gòu)的調(diào)制效率受振動(dòng)幅度的直接影響[5]，而調(diào)制結(jié)構(gòu)自身材料特性、阻尼特性受外界條件影響會(huì)發(fā)生改變[9]，因此在激勵(lì)滿足諧振頻率的條件下其振動(dòng)幅度不一定維持最佳狀態(tài)，需要在對(duì)諧振頻率跟蹤控制的基礎(chǔ)上同時(shí)對(duì)諧振的振幅狀態(tài)進(jìn)行跟蹤控制。采用壓電層電極圖形化的方式設(shè)計(jì)了檢測(cè)電極，利用壓電效應(yīng)反映振動(dòng)的幅度狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。在諧振頻率實(shí)時(shí)跟蹤的基礎(chǔ)上，采用自動(dòng)增益控制方法得到最佳振幅狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的檢測(cè)電壓值，將其設(shè)為參考電壓，只需對(duì)參考電壓進(jìn)行跟蹤并以此為根據(jù)對(duì)激勵(lì)電壓幅度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，即可完成調(diào)制結(jié)構(gòu)振幅跟蹤控制。

圖3 激勵(lì)電極與檢測(cè)電極結(jié)構(gòu)位置

綜上所述，設(shè)計(jì)的磁通調(diào)制結(jié)構(gòu)雙閉環(huán)控制環(huán)路如圖4所示，主要包含兩個(gè)反饋控制環(huán)路：基于鎖相環(huán)的諧振頻率跟蹤控制環(huán)路和基于自動(dòng)增益的振幅控制環(huán)路。調(diào)制結(jié)構(gòu)工作過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整激勵(lì)信號(hào)頻率和電壓幅值，使得檢測(cè)信號(hào)幅值、檢測(cè)信號(hào)與激勵(lì)信號(hào)之間相位差與參考電壓、參考相位差分別保持一致，即可完成對(duì)調(diào)制結(jié)構(gòu)諧振頻率和振動(dòng)幅度的跟蹤控制。

圖4 基于鎖相環(huán)和自動(dòng)增益的雙控制原理

2.2 參考電壓溫漂補(bǔ)償方法

外界溫度條件波動(dòng)較小的情況下，基于鎖相環(huán)和自動(dòng)增益的雙閉環(huán)控制可以較好地追蹤調(diào)制結(jié)構(gòu)諧振狀態(tài)，維持振動(dòng)的穩(wěn)定。而當(dāng)溫度條件發(fā)生明顯的變化時(shí)，雙閉環(huán)控制環(huán)路無(wú)法繼續(xù)保持調(diào)制結(jié)構(gòu)振幅的穩(wěn)定。主要原因是，隨著環(huán)境溫度條件的改變，調(diào)制結(jié)構(gòu)自身諧振特性發(fā)生變化，控制環(huán)路中既有的參考電壓已無(wú)法滿足振幅控制要求。因此要建立補(bǔ)償環(huán)節(jié)，使得變溫過(guò)程中調(diào)制結(jié)構(gòu)能夠根據(jù)溫度信息對(duì)參考電壓進(jìn)行修正，更新雙閉環(huán)控制環(huán)路。

提出的基于最小二乘擬合的參考電壓補(bǔ)償原理如圖5所示。首先在0～40 ℃范圍內(nèi)，以2 ℃為步進(jìn)，選取T(0)，T(2)，…，T(40)共21個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在每個(gè)溫度條件下尋找滿足相同最佳振幅條件的參考電壓值U(0)，U(2)，…，U(40)，通過(guò)最小二乘擬合方式建立參考電壓值U關(guān)于溫度T的函數(shù)關(guān)系：Um=f(T)，從而建立補(bǔ)償信息數(shù)據(jù)庫(kù)。磁傳感器運(yùn)行過(guò)程中，其上的溫度傳感器實(shí)時(shí)采集環(huán)境溫度信息，數(shù)字信號(hào)處理器(digital signal processor,DSP)處理模塊會(huì)根據(jù)此時(shí)的溫度信息搜索相應(yīng)參考電壓，隨后對(duì)當(dāng)前的參考電壓進(jìn)行補(bǔ)償校正，完成雙閉環(huán)控制環(huán)路的參數(shù)更新，使調(diào)制結(jié)構(gòu)振幅在不同溫度條件下均保持穩(wěn)定。

圖5 變溫條件下參考電壓補(bǔ)償原理

3 實(shí)驗(yàn)與分析

搭建測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，測(cè)試系統(tǒng)如圖6所示，主要包括：TMR磁傳感器、可程式高低溫試驗(yàn)箱、電荷耦合器件(charge coupled device,CCD)激光微位移傳感器以及基于LabVIEW的一體化測(cè)試系統(tǒng)等。

圖6 振動(dòng)穩(wěn)定性測(cè)試系統(tǒng)

在相同初始激勵(lì)條件下，分無(wú)控制和雙閉環(huán)控制兩種條件對(duì)調(diào)制結(jié)構(gòu)的振幅各進(jìn)行4 h的實(shí)時(shí)跟蹤檢測(cè)。利用可程式高低溫試驗(yàn)箱維持恒溫環(huán)境，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程溫度波動(dòng)不超過(guò)0.2 ℃。圖7(a)所示，無(wú)控制條件下調(diào)制結(jié)構(gòu)振幅初始值較小，且隨工作時(shí)間的延長(zhǎng)而持續(xù)變化，振幅變化超過(guò)1.5 μm；啟動(dòng)雙閉環(huán)控制后，相同激勵(lì)條件調(diào)制結(jié)構(gòu)初始振幅增大約1 μm，且波動(dòng)明顯減小，4 h內(nèi)振幅波動(dòng)小于0.1 μm。振幅初始值提高約5 %，穩(wěn)定性提升約15倍。說(shuō)明室溫條件下，基于鎖相環(huán)和自動(dòng)增益的雙閉環(huán)控制方法對(duì)穩(wěn)定調(diào)制結(jié)構(gòu)的振幅具有明顯的效果。

隨后設(shè)置可程式高低溫試驗(yàn)箱以20 min/℃的變化速率自40 ℃至0 ℃變溫，利用CCD激光微位移傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)雙閉環(huán)控制條件下調(diào)制結(jié)構(gòu)振幅波動(dòng)情況。圖7(b)結(jié)果顯示，調(diào)制結(jié)構(gòu)振幅隨著溫度的改變而呈現(xiàn)出持續(xù)的漂移。40 ℃的變溫范圍內(nèi)振幅漂移超過(guò)1.6 μm，變化率超過(guò)0.19 %/℃，說(shuō)明在變溫條件下雙閉環(huán)控制環(huán)路無(wú)法繼續(xù)保持調(diào)制結(jié)構(gòu)振幅的穩(wěn)定，需要在此基礎(chǔ)上建立前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)。

圖7 雙閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果

最后搭建測(cè)試系統(tǒng)檢驗(yàn)控制與補(bǔ)償相結(jié)合的方法對(duì)于穩(wěn)定調(diào)制結(jié)構(gòu)在變溫條件下振幅的效果。開啟雙閉環(huán)控制和參考電壓補(bǔ)償模塊，調(diào)試磁傳感器使其正常運(yùn)行。在0～40 ℃內(nèi)進(jìn)行升溫和降溫2次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，溫度變化速率為20 min/℃。利用CCD激光微位移傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)調(diào)制結(jié)構(gòu)振幅變化情況，測(cè)試系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)并分析得到結(jié)果如圖8所示。

圖8 變溫條件引入補(bǔ)償?shù)恼穹刂茖?shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，振幅在0 ℃至40 ℃的升溫過(guò)程中總波動(dòng)小于0.05 μm，變化率低于0.006 %/℃；在40℃至0℃的降溫過(guò)程中，由于溫度變化不均勻，振幅波動(dòng)相對(duì)較大，但仍小于0.09 μm，變化率約為0.01 %/℃。雖然補(bǔ)償之后仍存在一定程度的漂移，但相較于補(bǔ)償之前的0.19 %/℃有了明顯改善，調(diào)制結(jié)構(gòu)振幅穩(wěn)定性提升約19倍。

4 結(jié) 論

基于壓電諧振的磁通調(diào)制結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受溫度等環(huán)境條件的影響，本文根據(jù)目前諧振控制的研究現(xiàn)狀，提出了相幅雙閉環(huán)溫補(bǔ)控制方法。通過(guò)基于鎖相環(huán)和自動(dòng)增益的雙閉環(huán)控制環(huán)路實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)制結(jié)構(gòu)諧振頻率和振幅的跟蹤控制，通過(guò)基于最小二乘擬合的補(bǔ)償方法實(shí)現(xiàn)對(duì)變溫條件下參考電壓的補(bǔ)償校正，完成對(duì)雙控制環(huán)路的參數(shù)更新。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：雙閉環(huán)控制環(huán)路在室溫條件下將振幅穩(wěn)定性提升約15倍。在此基礎(chǔ)上，參考電壓補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)在0 ℃至40 ℃的變溫范圍內(nèi)將振幅波動(dòng)減小至0.01 %/℃，遠(yuǎn)低于補(bǔ)償前的0.19 %/℃，穩(wěn)定性提升約19倍。該方法提升了磁通調(diào)制結(jié)構(gòu)的溫度穩(wěn)定性，增大了調(diào)制結(jié)構(gòu)的溫度適用范圍，有利于TMR磁傳感器實(shí)用化水平的提高。