基于磁性隧道结的齿轮传感器研究

【摘要】齿轮传感器技术已经被大量的运用于汽车和工业领域,并在速度、角度、角速度、旋转方向等方面的测量有着重要的贡献。目前常用的齿轮传感器有霍尔效应和磁阻效应的传感器。由于隧道磁电阻(TMR)效应器件相比于霍尔效应和其他的磁阻效应器件而言,有更高的灵敏度、更好的温度特性、更好的频率特性以及更加便宜的成本,基于TMR效应的传感器将具有广阔的应用前景。本论文主要研究基于TMR效应的齿轮传感器。基于对磁路、芯片和电路的优化设计,本文中设计的TMR齿轮传感器具有信噪比高、响应频率高、温度特性好、空气间隙大等特点,能实现对齿轮的速度、移动方向、缺齿等方面的检测。主要研究结论如下：Ⅰ.TMR齿轮传感器的磁路设计利用COMSOLMultiphysics仿真软件进行磁路仿真设计,研究不同磁钢尺寸TMR芯片电阻间距、齿轮周期间距、空气间隙等情况下的模拟磁场输出信号,建立各种参数与磁场信号之间的对应关系,为后续设计方案提供指导和支持。主要内容包括：(1)通过对圆柱体磁钢、长方体磁钢和凹槽长方体磁钢的磁场分布的对比研究发现,凹槽长方体磁钢在降低芯片灵敏度方向的偏置磁场、增加芯片线性工作区域和减小垂直于芯片灵敏度方向的磁场影响等方面有很大的优势,所以可选择用凹槽长方体磁钢来为齿轮传感器提供工作磁场；(2)对于每一种尺寸的凹槽形磁钢来说,凹槽的尺寸直接影响工作磁场的分布。每种尺寸的磁钢都有最优的凹槽尺寸,保证使芯片工作在最佳状态；(3)随着磁钢长度的增加,TMR芯片输出的磁场信号的峰峰值和TMR芯片感应到的偏置磁场都会减小；随着磁钢宽度和厚度的增加,TMR芯片输出的磁场信号的峰峰值和TMR芯片感应到的偏置磁场都会增加；(4)当TMR芯片的电阻间距为齿轮周期间距的1/2的时候,TMR芯片输出的磁场信号最大；(5)TMR芯片输出的磁场信号随着齿轮与TMR芯片之间的空气间隙的增加而呈现指数减小的规律。齿轮与芯片之间的空气间隙越大,芯片感应到的工作磁场的变化就会很越微弱,会影响到传感器将的正常工作。Ⅱ.TMR芯片设计与性能分析利用模拟得到的结果,分析确定芯片基本设计结构,并完成相应结构的TMR芯片性能参数的测量与分析。提供电阻间距可供选择的多种芯片构造实现方案。主要内容包括：(1)分析对比了V01、V02、V03等3种芯片设计方案,虽然V02版本设计的输出磁场信号的峰峰值大小和TMR芯片电阻间距有关,但是综合考虑到TMR芯片的装配误差、垂直于TMR芯片灵敏度方向的磁场以及屏蔽同一方向外界磁场效果等因素,V02版本的TMR芯片设计方案更为合理；(2)TMR芯片的结构采用梯度原理设计,每一颗芯片上面都有四个电阻区域,每个电阻区域都包含两个绕制而成的电阻,而且相邻的两个电阻区域之间的距离为0.25mm;(3)基于TMR芯片基本的结构设计可以实现惠斯通电桥的单、双全桥连接方式,并且芯片电阻间距可调,最小可实现0.25mm电阻间距的电桥设计；(4)基于模拟结果分析,结合TMR本身的技术指标以及传感器的应用要求,我们选出了具有线性范围大、磁滞小、灵敏度大、频率响应高等特点的TMR芯片,并对芯片的主要性能参数做了详细的测试与分析。Ⅲ.TMR齿轮传感器电路设计从信号处理方案、信号采集电路、放大电路和数字电路等方面入手,完成并优化了齿轮传感器的电路设计,主要内容包括：(1)信号处理方案分为三步：信号采集-模拟放大-数字输出；(2)惠斯通全桥输出的信号采集方案比半桥输出方案能更好的抑制共模噪声干扰和温度漂移,而且全桥输出信号比半桥输出信号大一倍；(3)采用阻容耦合的差分输入放大电路；前置电压跟随器可以为差分放大电路提供准确的偏置电压；隔直电容和滤波电容分别起到了隔离直流信号和滤除高频噪声的作用；(4)数字电路部分采用反相输入滞回比较器来实现模拟信号到方波数字信号的转变。Ⅳ.TMR齿轮传感器的模块制备和测试搭建用于齿轮传感器信号检测的测试平台,测试并分析传感器的主要性能,并对传感器进行功能性验证,主要内容包括：(1)通过对模拟信号噪声的测试发现,发现由于没有加滤波器件,从模拟端口输出的信号由于受到旋转电机的影响,输出噪声比较大,达到了70mV左右,滤波对于信号处理很重要；(2)模拟信号测试的结果基本上和仿真模拟结果相吻合。当芯片电阻间距等于齿轮周期间距的1/2时传感器有最大的信号输出；随着空气间隙的增加,其模拟信号峰峰值会迅速减小；(3)本文中制备的基于TMR效应的齿轮传感器能准确的实现转速测量、相位检测、缺齿检测等功能。
【作者】黎琦；
【导师】魏福林；
【作者基本信息】兰州大学，凝聚态物理，2014，硕士
【关键词】隧道磁电阻；齿轮传感器；设计；性能；

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