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黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（文獻(xiàn)翻譯） 第 11 頁
基于三維靜態(tài)磁場(chǎng)分析技術(shù)研究超小磁阻式傳感器測(cè)量系統(tǒng)
在這項(xiàng)研究中,提出了一種建模過程中一個(gè)超小鐵磁構(gòu)件的磁電阻(GMR)傳感器系統(tǒng)的概念。模型的目標(biāo)是為高度集成的靈巧機(jī)器人的手設(shè)計(jì)合適的角度傳感器系統(tǒng)。當(dāng)其他磁場(chǎng)干擾主要的領(lǐng)域時(shí),一個(gè)3 D的靜態(tài)磁場(chǎng)分析建模是用來避免被過多的磁性強(qiáng)度和定向障礙損壞傳感器。利用有限元結(jié)果,適當(dāng)?shù)男螤詈痛笮〉蔫F磁組件進(jìn)行了比較和優(yōu)化。一個(gè)簡化的信號(hào)處理電路也是如此給出了超小GMR傳感器系統(tǒng)。 最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明角精度小于1只有剩余偏移補(bǔ)償超小GMR傳感器系統(tǒng)的表達(dá)式。揭示了在理想尺寸下集成經(jīng)驗(yàn)帶來的挑戰(zhàn)以獲得所需的能力。
1。介紹
一般來說,在各種不同的應(yīng)用領(lǐng)域中進(jìn)一步系統(tǒng)小型化肯定會(huì)創(chuàng)造一個(gè)連續(xù)的要求縮小的傳感器函數(shù)[1]。當(dāng)發(fā)展傳感器測(cè)角信號(hào)微型系統(tǒng)時(shí),顯而易見,基本傳感器有很多的局限性和缺陷(如大小,工作距離、準(zhǔn)確性和抵消)來阻礙設(shè)計(jì)師完成所要求的規(guī)格。提高傳感器的基本性能,其中的一種選擇是去嘗試提煉傳感器本身使用更好的材料,生產(chǎn)方法等。這種選擇一般一個(gè)比一個(gè)昂貴。另一種選擇是將傳感器放入系統(tǒng),這個(gè)系統(tǒng)具有獨(dú)特提高傳感器性能的目的。一個(gè)傳感器的研制重要趨勢(shì)是已進(jìn)入傳感器系統(tǒng)[2]。因此,對(duì)于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的整合以及其他高度綜合系統(tǒng)而言,進(jìn)一步的縮放傳感器系統(tǒng)是必須的。
作為一個(gè)磁場(chǎng)傳感器,與其他種類的傳感器相比GMR傳感器提供了幾個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)(例如靈敏度高、非接觸式縮微尺寸安裝和無損耗工作)[3,4]。然而,磁場(chǎng)感應(yīng)系統(tǒng)不可避免地包含應(yīng)用鐵磁要求部分[5]。這些鐵磁元件目前作為傳感器本身的一部分,如在GMR傳感器。這種傳感器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是相當(dāng)復(fù)雜的,他們的綜合困難:如GMR傳感器存在的問題,包括鐵磁安裝組件裝配空間有限,以及工作鐵磁構(gòu)件和GMR之間的距離傳感器芯片上,通常是1.5毫米或更久[6 -8]。注意,如果工作距離較小的情況下,磁性由鐵磁構(gòu)件強(qiáng)度通常是如此強(qiáng)大,它可以打破了它壓層,這樣的嗎永久損壞傳感器的元素。此外,獨(dú)立于它們的源頭GMR的傳感器橋?qū)嶋H上轉(zhuǎn)換為任何領(lǐng)域的方向?qū)﹄p組分信號(hào)[9].當(dāng)增加第二個(gè)磁場(chǎng)到主要領(lǐng)域時(shí),產(chǎn)生的領(lǐng)域都重疊可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的方向的角測(cè)量錯(cuò)誤。這兩個(gè)約束阻礙了應(yīng)用GMR傳感器的高度集成的領(lǐng)域。
在這項(xiàng)研究中,超小GMR傳感器系統(tǒng)只有0.5毫米的工作距離,并推導(dǎo)出了由其他磁場(chǎng)迷失方向,避免了補(bǔ)償根據(jù)三維靜態(tài)磁場(chǎng)分析技術(shù)。本文首先介紹了GMR的概念傳感器和有限元模型。其次,形狀鐵磁構(gòu)件和大小進(jìn)行了比較優(yōu)化利用三維靜態(tài)磁場(chǎng)分析結(jié)果。然后一個(gè)簡化的信號(hào)處理電路連接方法。最后獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果相比較。
2。GMR傳感器概念
巨大的磁電阻很大的改變意味著在磁性多層膜超薄電阻。這基本GMR教材建設(shè)包括一個(gè)壓層和一個(gè)自由層,自由層會(huì)受磁場(chǎng)的影響。一個(gè)應(yīng)用磁場(chǎng)足夠的大小,范圍大于飽和度領(lǐng)域的自由層和小于對(duì)峙領(lǐng)域?yàn)閴簩?將迫使自由層磁化跟隨它在旋轉(zhuǎn)。有一個(gè)固定的參層磁化和一個(gè)同步跟蹤自由層磁化,相對(duì)于靜止轉(zhuǎn)子傳感器,磁電阻是一個(gè)簡單的余弦功能的角度。電阻R和一個(gè)自旋閥是相關(guān)的h之間的角度自由而磁壓層在接下來的方程
R/Rp=1+1/2GMR(1-cos) (1)
當(dāng)兩個(gè)磁化平行時(shí),Rp是最小的阻力,GMR是最大的阻力.角度傳感器是用來結(jié)合平面永磁綁在一個(gè)活動(dòng)軸(轉(zhuǎn)子),如圖1。永磁磁化后生成一個(gè)領(lǐng)域,這個(gè)領(lǐng)域是平面上的傳感器芯片和旋轉(zhuǎn)的軸。這一領(lǐng)域使自由層磁化和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)同相位。因此,輸出信號(hào)是角的正弦函數(shù)。由于永磁、傳感器設(shè)計(jì)和他們相同的軸向結(jié)構(gòu) , 磁鐵及傳感器間的距離,或工作的距離,確定了作用于自由層SV電阻器的磁場(chǎng)大小和分布。這基本要求的工作距離是作用于自由層最低的場(chǎng)是足夠大的能夠使其飽和,最高的場(chǎng)不會(huì)破壞參考層[7].
圖1
3。有限元建模(FEM)
有限元建模的方法是基于離散化的解決方案將領(lǐng)域分成較小的地區(qū)。程序?qū)⑹褂名溈怂鬼f方程組為電磁場(chǎng)分析的基礎(chǔ)。在磁的靜校正問題,未知的數(shù)量(自由度)通常是磁矢量,并且用多項(xiàng)式的形函數(shù)的方法估計(jì)。其他磁場(chǎng)數(shù)量如磁場(chǎng)通量密度、磁性強(qiáng)度,電流密度、能源、力量、損失、電感和電容源自于自由度[10]。元素的尺寸必須有足夠小提供足夠的[11]精度。通過這種方式,微分方程組連續(xù)的問題可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)系統(tǒng)代數(shù)方程組為離散問題。這實(shí)際問題常需要幾千未知的。然而,合適的數(shù)值技巧被開發(fā)了,能夠在合理的時(shí)間解決這類系統(tǒng),即使在個(gè)人電腦上使用。
作為一個(gè)高度集成的機(jī)電系統(tǒng),機(jī)器人手必須完成復(fù)雜的任務(wù),例如好的操縱,經(jīng)常需要獲得足夠的準(zhǔn)確的角信號(hào)來實(shí)現(xiàn)一些控制策略[12]。因此在傳感器系統(tǒng)中擺角傳感器是一個(gè)非常重要的角色,傳感器系統(tǒng)及其信號(hào)精度直接影響控制效果。具有靈敏度高、縮微尺寸GMR傳感器非常適合高度集成系統(tǒng),像DLR/HIT五指靈巧機(jī)械手。
如上文所述,盡管GMR傳感器有益處,但在高度集成應(yīng)用中仍然有一些缺陷。因?yàn)樵诟叨染C合的系統(tǒng)工程中,它沒有足夠的空間來安裝傳感器和永久的磁鐵,然后傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)充分利用有限的空間。例如,在DLR/HIT五指靈巧機(jī)械手中,軸傳感器和GMR晶片表面的距離只有0.5毫米(如圖2)。通過機(jī)器結(jié)構(gòu),有兩種類型的永磁體的運(yùn)動(dòng)軌跡可以嵌入到軸結(jié)束。一個(gè)圓柱體、另一個(gè)是立方體。為了確保足夠的力量和避免的干擾,直徑的圓柱永磁體的運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)小于或等于2.5毫米,立方體永磁應(yīng)的長度小于或等于6毫米,雙方厚度應(yīng)小于或等于1毫米。面對(duì)有限的空間的問題和精確的角度信號(hào)需求,并考慮成本和時(shí)間對(duì)傳感器的發(fā)展來說,先生產(chǎn)永磁然后通過測(cè)量儀器測(cè)量它是不行的。因此,我們提出了一個(gè)有效的方法:采用三維靜態(tài)磁場(chǎng)分析技術(shù)設(shè)計(jì)的類型的永磁來保證適當(dāng)?shù)姆较蚝痛笮〉拇艌?chǎng)領(lǐng)域。
圖2
為了不擾動(dòng)磁場(chǎng),動(dòng)軸是采用非磁性不銹鋼材料。那么模型可以簡化,只有永久性的磁體進(jìn)行了分析,分析計(jì)算的負(fù)擔(dān)大大減輕了。這里分析的永久磁鐵是由NdFeB35材料,剩磁等于1.2340 T和抗磁力等于11339 / m。三維有限元分析的圓形永磁磁體模型和一個(gè)立方體是分別建立的,它們的空間磁化矢量分布也顯示。圖3(a)顯示一個(gè)空間磁化矢量分布所產(chǎn)生的鋼瓶永磁(2.51mm),圖3(b)代表一個(gè)空間磁化矢量分布產(chǎn)生的被一個(gè)立方體永磁(621mm)。從本圖中,我們可以看出磁化矢量由立方體永磁比鋼瓶永久性磁鐵更平坦。這是因?yàn)檫@個(gè)立方體的長度永磁比鋼瓶永久性磁鐵。而GMR傳感器芯片只有敏感芯片的平行層面,而不是嗎波比晶片,所以立方體永磁體的運(yùn)動(dòng)軌跡比圓柱永磁申請(qǐng)嗎GMR的傳感器進(jìn)行了論述。
圖3
然而,GMR材料不但要求方向磁化矢量的,但也需要在其工作范圍內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小,這樣可以避免傳感器元素傷害和信號(hào)破壞。因此,分布磁性強(qiáng)度在有限的空間必須達(dá)到。幸運(yùn)的是,3 D靜態(tài)磁場(chǎng)分析技術(shù)可以讓這些問題容易解決。在三維有限元軟件的幫助下,我們獲得三維磁場(chǎng)不同的永磁場(chǎng)分布類型。從單傳感器芯片GMR號(hào),我們知道工作范圍都是從2388A/米到15920 A /米,即圖4 ,5中的B和C。這意味著GMR的傳感器芯片之間必須域B和C。圖4顯示一個(gè)空間分布的磁場(chǎng)強(qiáng)度級(jí)(上限飛機(jī)沿X = 0毫米和Z = 1毫米)所產(chǎn)生的一個(gè)立方體永磁體的尺寸是621mm. 從圖上,就可以看出,大多數(shù)的GMR的傳感器芯片范圍在超過工作范圍的A和B。因此GMR傳感器芯片無法正常工作,我們必須找到一個(gè)方法使GMR傳感器芯片在其工作范圍,即范圍B和C。
圖4
圖5
眾所周知,磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小可以通過減小永磁體的寬度和厚度而減小。基于三維靜磁性分析技術(shù),其大小可以一步一步的減少直到足夠的磁場(chǎng)強(qiáng)度.而不是首先生產(chǎn)不同尺寸的永久磁鐵,然后測(cè)量方法,最后,獲得大小合適的永磁(如圖5所示)。從圖,我們可以看出整體GMR傳感器芯片范圍是在B和C之間,因此尺寸(621)是正確的,它可以產(chǎn)生足夠的磁性強(qiáng)度。此外,模擬結(jié)果可以把其它永磁體放在工作范圍之外從而避免影響。而且它也可以用來成功地補(bǔ)償數(shù)字圖像處理的偏差。
4。信號(hào)檢測(cè)和處理
以得到一個(gè)高的傳感GMR的電阻變化信號(hào)的最好方式是建立一個(gè)單臂電橋和敏感的級(jí)差電壓。在這種情況下,為獲得最高的電阻變化兩種截然相反的參考層是必要的(圖6)。一座橋可以測(cè)量180 度角范圍,因此有必要建立兩個(gè)正交橋梁檢測(cè)的角度0—360。在這種情況下,我們一共需要四個(gè)不同磁化方向,這些方向確定角度方向的測(cè)量和旋轉(zhuǎn)芯片的方向。
圖6
與此有關(guān)GMR資料的百分比大約是5%。這意味著振幅輸出信號(hào)太小而不能滿足高角度檢測(cè)精度的需要,所以一雙模擬乘數(shù)和四個(gè)低通濾波器的信號(hào)檢測(cè)電路是用來提取信號(hào)的振幅和它的階段。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是簡單,低元件,低成本,體積小。
以正弦信號(hào)為例,第一個(gè)低通濾波器有一個(gè)并聯(lián)反饋電阻的電容器,所以電路在由公式Fc=1/(2 3dB)確定的3dB后有一個(gè)6dB. 輸出電壓下面這拐角頻率由(2)式確定。。這條電路可以被看作是一個(gè)在Fc之上很好分析的AC積分電路。然而,時(shí)域響應(yīng)是一個(gè)一個(gè)單一的筋RC,而不是一個(gè)整體。由于偏置電流誤差,并聯(lián)組合的R3和R4的選用應(yīng)等于并聯(lián)組合R1和R2.放大器應(yīng)該能夠得到補(bǔ)償,不論是增益的還是一個(gè)內(nèi)部都可以使用的放大器.
(2)
第二個(gè)過濾器是一種低通濾波由C2和R5形成的,可以模擬將噪音減少到最少和有效的限制了系統(tǒng)的有效譜域。因此這個(gè)過濾器的截止頻率由公式FRC=1/(2R5C2)確定.
5。實(shí)驗(yàn)結(jié)果
由上述解釋的方法發(fā)展的超小GMR傳感系統(tǒng)滿足了角測(cè)量的要求,并且提高了DLR/HIT 5指機(jī)器人的水平.(如圖七所示)
圖7
進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證模型的正確性。一個(gè)恒定電壓到橋(如圖6),在一個(gè)共同的直流偏置一半的電壓+ 3.3 v的作用下,輸出電壓Vsin_in是正弦函數(shù)而且Vcos_in是一個(gè)在角度GMR傳感器芯片和轉(zhuǎn)動(dòng)軸之間的余弦函數(shù). 通過正弦余弦曲線和理論(如圖8),輸出信號(hào)被一個(gè)微控制器捕獲并在0.5mm的工作距離繪制。誤差測(cè)量值和理論值也顯示在圖9。曲線圓圈代表與正弦誤差和曲線二乘余弦誤差。
圖8
圖9
根據(jù)這兩個(gè)測(cè)量值的四象限倒數(shù)切線函數(shù),這個(gè)角通過測(cè)量正余弦函數(shù)而提取。得到的角度沒有不連續(xù)或死角超過滿360(顯示在圖10)。
圖10
絕對(duì)的非線性的定義是:用一個(gè)統(tǒng)一的斜率表示偏離最佳線性的偏差。由于360的周期性ALL經(jīng)常被選擇。360度的一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果表明在沒有任何剩余的偏置補(bǔ)償情況下ALL的誤差是6度。如圖(10)一個(gè)二次諧波的ALL被觀察(沖曲線),這種ALL類型的來源是偏模增益和非正交傳感器軸線。 可以看到ALL周期性的重復(fù)。因此,一個(gè)周期位移誤差可使用補(bǔ)償測(cè)量信號(hào)。偏移補(bǔ)償后,角誤差(實(shí)曲線)是小于1,即滿足需求角的測(cè)量5指機(jī)械手和許多其他的應(yīng)用。
6。結(jié)論
基于三維靜態(tài)磁場(chǎng)分析技術(shù),超小GMR傳感器系統(tǒng)只有0.5毫米的工作距離為DLR/HIT II 5指機(jī)器手最新開發(fā)的.通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果,GMR的傳感器系統(tǒng)的輸出特性都獲得了,如測(cè)量范圍、準(zhǔn)確性、工作距離和可重復(fù)性。它也有微尺寸、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的特點(diǎn),所有這些,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)量傳感器的缺點(diǎn),如體積大、復(fù)雜性、成本較高的問題,嚴(yán)格要求的工作環(huán)境和裝配難度。這項(xiàng)工作也已經(jīng)為進(jìn)一步研究磁傳感器可用于微傳感器系統(tǒng)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的和高度整合的系統(tǒng)建立了一個(gè)好的基礎(chǔ)。
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