磁阻傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告：各向異性磁阻傳感器特性實(shí)驗(yàn)報(bào)告.docx 第1張" title="各向異性磁阻傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告：各向異性磁阻傳感器特性實(shí)驗(yàn)報(bào)告.docx 第1張-傳感器知識網(wǎng)"/>
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各向異性磁阻傳感器特性實(shí)驗(yàn)報(bào)告
基礎(chǔ)物理學(xué) 研究性實(shí)驗(yàn)報(bào)告 題目：各向異性磁阻傳感器與地磁場測量 第一作者： 第二作者： 學(xué)院：航空科學(xué)與工程學(xué)院 專業(yè)：飛行器設(shè)計(jì)與工程 班級： XX年5月14日 目錄 摘要...............................................................................................................................1 關(guān)鍵詞...........................................................................................................................1 一、實(shí)驗(yàn)要求...............................................................................................................1 二、實(shí)驗(yàn)原理...............................................................................................................1 三、實(shí)驗(yàn)儀器介紹.......................................................................................................2 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容...............................................................................................................4 1、測量前的準(zhǔn)備工作.........................................................................................4 2、磁阻傳感器特性測量......................................................................................5 3、測量磁阻傳感器的各向異性特性..................................................................6 4、赫姆霍茲線圈的磁場分布測量......................................................................7 5、地磁場測量...................................................................................................10 五、思考題.................................................................................................................10 六、誤差分析.............................................................................................................11 七、AMR傳感器的應(yīng)用舉例....................................................................................11 八、實(shí)驗(yàn)感想.............................................................................................................11 參考文獻(xiàn).....................................................................................................................12 附錄——原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(影印版).....................................
磁阻傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告：各向異性磁阻傳感器特性實(shí)驗(yàn)報(bào)告.docx 第2張" title="各向異性磁阻傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告：各向異性磁阻傳感器特性實(shí)驗(yàn)報(bào)告.docx 第2張-傳感器知識網(wǎng)"/>
各向異性磁阻傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告：基于各向異性磁阻效應(yīng)的地磁檢測模塊設(shè)計(jì)
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各向異性磁阻傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告：研究性實(shí)驗(yàn)報(bào)告——各向異性磁阻傳感器與磁場測量.docx
北京航空航天大學(xué)研究性實(shí)驗(yàn)報(bào)告
1
基礎(chǔ)物理學(xué)
研究性實(shí)驗(yàn)報(bào)告
題 目：各向異性磁阻傳感器（AMR）與地磁場測量
第一作者
第二作者學(xué) 院：航空科學(xué)與工程學(xué)院
專 業(yè)：飛行器設(shè)計(jì)與工程
班 級：
2013年5月14日
PAGE * MERGEFORMAT15
目錄
TOC o "1-3" h z u HYPERlink l "_Toc" 摘要 PAGEREF _Toc h 1
HYPERlink l "_Toc" 關(guān)鍵詞 PAGEREF _Toc h 1
HYPERlink l "_Toc" 一、實(shí)驗(yàn)要求 PAGEREF _Toc h 1
HYPERlink l "_Toc" 二、實(shí)驗(yàn)原理 PAGEREF _Toc h 1
HYPERlink l "_Toc" 三、實(shí)驗(yàn)儀器介紹 PAGEREF _Toc h 2
HYPERlink l "_Toc" 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 PAGEREF _Toc h 4
HYPERlink l "_Toc" 1、測量前的準(zhǔn)備工作 PAGEREF _Toc h 4
HYPERlink l "_Toc" 2、磁阻傳感器特性測量 PAGEREF _Toc h 5
HYPERlink l "_Toc" 3、測量磁阻傳感器的各向異性特性 PAGEREF _Toc h 6
HYPERlink l "_Toc" 4、赫姆霍茲線圈的磁場分布測量 PAGEREF _Toc h 7
HYPERlink l "_Toc" 5、地磁場測量 PAGEREF _Toc h 10
HYPERlink l "_Toc" 五、思考題 PAGEREF _Toc h 10
HYPERlink l "_Toc" 六、誤差分析 PAGEREF _Toc h 11
HYPERlink l "_Toc" 七、AMR傳感器的應(yīng)用舉例 PAGEREF _Toc h 11
HYPERlink l "_Toc" 八、實(shí)驗(yàn)感想 PAGEREF _Toc h 11
HYPERlink l "_Toc" 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc h 12
HYPERlink l "_Toc" 附錄——原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(影印版) PAGEREF _Toc h 13
各向異性磁阻傳感器與磁場測量
摘要：物質(zhì)在磁場中電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)，磁阻傳感器利用磁阻效應(yīng)制成。磁阻傳感器可用于直接測量磁場或磁場變化，如弱磁場測量。也可通過磁場變化測量其它物理量，如利用磁阻效應(yīng)已制成各種位移、角度、轉(zhuǎn)速傳感器，廣泛用于各類需要自動(dòng)檢測與控制的領(lǐng)域。磁阻元件的發(fā)展經(jīng)歷了半導(dǎo)體磁阻（MR），各向異性磁阻（AMR），巨磁阻（GMR），龐磁阻（CMR）等階段。本實(shí)驗(yàn)研究AMR的特性并利用它對磁場進(jìn)行測量。
關(guān)鍵詞：AMR，磁阻效應(yīng)，電磁轉(zhuǎn)換，磁場測量
一、實(shí)驗(yàn)要求
熟悉和了解AMR的原理
測量磁阻傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性和各向異性特性
測量赫姆霍茲線圈的磁場分布
測量地磁場磁場強(qiáng)度，磁傾角，磁偏角
二、實(shí)驗(yàn)原理
各向異性磁阻傳感器AMR（Anisotropic Magneto-Resistive sensors）由沉積在硅片上的坡莫合金（Ni80 Fe20）薄膜形成電阻。沉積時(shí)外加磁場，形成易磁化軸方向。鐵磁材料的電阻與電流和磁化方向的夾角有關(guān)，電流與磁化方向平行時(shí)電阻Rmax最大，電流與磁化方向垂直時(shí)電阻Rmin最小，電流與磁化方向成θ角時(shí)，電阻可表示為：
R=Rmin＋(Rmax－Rmin)cos2θ
在磁阻傳感器中，為了消除溫度
各向異性磁阻傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告：磁阻傳感器論文,關(guān)于基于各向異性磁阻效應(yīng)的EPS角度傳感器相關(guān)參考文獻(xiàn)資料
導(dǎo)讀:此文是一篇磁阻傳感器論文范文,為你的畢業(yè)論文寫作提供有價(jià)值的參考。
王加熙 楊 明
（上海交通大學(xué),上海 ）
摘 要：文章基于磁阻效應(yīng)設(shè)計(jì)非接觸式EPS角度傳感器,采用8位飛思卡爾MC9S08DZ60單片機(jī)為核心,配合CAN模塊設(shè)計(jì)完整的車用磁阻角傳感器方案.該傳感器系統(tǒng)可以非接觸式的測量角度.理論分析和實(shí)驗(yàn)表明該傳感器系統(tǒng)與傳統(tǒng)的角度傳感器相比,精度高、可靠性好、應(yīng)用范圍廣,且體積小、成本低.
關(guān)鍵詞：磁阻效應(yīng)；EPS；單片機(jī)；CAN；角度傳感器；
中圖分類號：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）07-0014-04
1. 概述
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（Electric Power Steering,簡稱EPS）是利用電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力協(xié)助駕車者進(jìn)行動(dòng)力轉(zhuǎn)向.其基本工作原理是：不轉(zhuǎn)向時(shí),電動(dòng)機(jī)不工作；當(dāng)轉(zhuǎn)向時(shí),傳感器將檢測到的動(dòng)力作用于轉(zhuǎn)向盤上的信號傳送給ECU,ECU同時(shí)接收車速傳感器傳來的車速信號,ECU對輸入信號進(jìn)行處理后,向電動(dòng)機(jī)發(fā)出指令,電動(dòng)機(jī)據(jù)此輸出與之相應(yīng)大小及方向的以產(chǎn)生助力,從而實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向的實(shí)時(shí)控制.傳統(tǒng)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器的傳感器大都采用接觸式方式,因其接觸式的測量方式,傳感器的壽命和磨損后的測量精度都會(huì)下降,從而影響整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能.我們設(shè)計(jì)的新型的非接觸式傳感器,利用磁阻效應(yīng)的原理,實(shí)現(xiàn)了非接觸測量,能夠測量角度及其方向,傳感器壽命也大大延長,并且其測量精度也不會(huì)因?yàn)榻佑|測量的磨損而有所降低.
2. 磁阻傳感器工作原理
磁阻效應(yīng)是指某些金屬或半導(dǎo)體的電阻值隨外加磁場變化而變化的現(xiàn)象.在達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí),某一速度的載流子所受到的電場力與洛倫茲力相等,載流子在兩端聚集產(chǎn)生霍爾電場,比該速度慢的載流子將向電場力方向偏轉(zhuǎn),比該速度快的載流子則向洛倫茲力方向偏轉(zhuǎn).這種偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致載流子的漂移路徑增加.或者說,沿外加電場方向運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)減少,從而使電阻增加.這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng).
而當(dāng)半導(dǎo)體所處外部磁場的磁場強(qiáng)度達(dá)到飽和的時(shí)候,其阻抗改變僅與磁場方向有關(guān),被稱之為各向異性磁阻效應(yīng)AMR（Anisotropic Magneto-Resistive sensors）.半導(dǎo)體與磁化方向平行時(shí)電阻Rmax最大,電流與磁化方向垂直時(shí)電阻Rmin最小,若電流與磁化方向成角θ時(shí),電阻可表示為：
磁阻傳感器設(shè)計(jì)需充分考慮到磁阻效應(yīng)里磁場飽和狀態(tài)下阻抗變化僅與磁場方向相關(guān)的特性,依據(jù)此原理可以快速準(zhǔn)確的測出角度,抗干擾特性較好,更為
便捷.
在磁阻傳感器中,為了消除溫度等外界因素對輸出的影響,由4個(gè)相同的磁阻元件構(gòu)成惠斯通電橋,結(jié)構(gòu)如圖2所示.
根據(jù)磁阻效應(yīng)電阻公式及惠斯通電橋可以計(jì)算出該電橋在θ角的飽和磁場中輸出為：
Us為磁阻傳感器工作電壓,K為惠更斯電橋類磁阻芯片固有常數(shù).
K指作為磁阻傳感器的固有屬性,理論上是一個(gè)常數(shù),但實(shí)際會(huì)因溫度、濕度等外部環(huán)境的變化影響而發(fā)生改變,且單電橋磁阻角度傳感器的角度測量范圍僅為90°,兩者都會(huì)給實(shí)際角度測量帶來不便.
3. 磁阻傳感器在EPS中的應(yīng)用
在汽車EPS中,轉(zhuǎn)角傳感器可以基于多種原理來實(shí)現(xiàn),如光電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)、磁阻效應(yīng)、電阻分壓效應(yīng)、可變電容等.不同的實(shí)現(xiàn)方式要對應(yīng)不同的信號處理策略,其優(yōu)劣性對比如下：
3..1 電阻式轉(zhuǎn)角傳感器
電阻式轉(zhuǎn)角傳感器的理論依據(jù)是電阻的分壓原理,它能夠通過方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)電阻器上的滑動(dòng)觸電,屬于絕對型接觸式傳感器,滑動(dòng)觸點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)過程中存在著機(jī)械摩擦,滑動(dòng)觸點(diǎn)易磨損,并且工作時(shí)易產(chǎn)生噪聲,以及體積大不便于安裝等一系列缺點(diǎn).
3..2 光電感應(yīng)式角度傳感器
光電感應(yīng)式轉(zhuǎn)角傳感器也就是我們通常所說的光電編碼器.它的工作原理是：安裝在方向盤管柱上的轉(zhuǎn)角傳感器跟隨方向盤轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng),此時(shí)光敏元器件會(huì)接受到光照,光敏元件將接收到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號并經(jīng)過信號調(diào)理電路的整形和放大后變?yōu)殡妷好}沖輸出.由于是基于光電感應(yīng)原理,它的工作需要光源,安裝要求較高,存在溫度票移和繞線問題以及造價(jià)較高易于損壞的缺點(diǎn).
3..3 電子電容式轉(zhuǎn)角傳感器
這種傳感器由于只有電子電路構(gòu)成,沒有敏感元器件.缺點(diǎn)在于大量電子部件的存在使得電路的結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜,而且很容易受到電磁干擾,因此電子式轉(zhuǎn)角傳感器的測量精度不高,不適合用于高精度要求的電動(dòng)助力系統(tǒng)中.
3..4 霍爾（磁電）式轉(zhuǎn)角傳感器
霍爾式轉(zhuǎn)角傳感器是由磁敏元件構(gòu)成的集成傳感器,它由霍爾敏感元件、信號調(diào)理電路和數(shù)字信號處理器構(gòu)成.它的工作原理是：將磁鐵安裝在霍爾敏感芯片的上方,霍爾敏感元件能夠?qū)⒋艌龅淖兓D(zhuǎn)化脈沖信號,經(jīng)處理放大計(jì)算出轉(zhuǎn)角信號.優(yōu)點(diǎn)是磁敏感范圍較大,抗振動(dòng)干擾和噪聲干擾的能力強(qiáng),結(jié)構(gòu)牢固、體積小便于安裝,能夠在復(fù)雜惡劣的環(huán)境下保持較高的靈敏度和測量精度以及造價(jià)相對比較便宜.因此,盡管霍爾式傳感器存在一定的溫漂.EMC磁屏蔽設(shè)計(jì)要求較高,但依然是目前汽車電控系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的轉(zhuǎn)角傳
感器.
3..5 磁阻式角度傳感器
磁阻式傳感器也是基于磁電效應(yīng)原理的轉(zhuǎn)角傳感器,它的優(yōu)點(diǎn)是：抗噪聲抗震動(dòng)能力強(qiáng),測量精度和分辨率高,性能穩(wěn)定使用壽命長.但是由于目前對磁阻敏感元件的制作工藝技術(shù)不是很成熟,目前國內(nèi)對于汽車用磁阻式傳感器的研究相對較少,國外對于汽車用磁阻傳感器的研究比較成功的企業(yè)也相對較少.
磁阻式角度傳感器與其他類型比較有如下優(yōu)勢：
根據(jù)性能比較可以看出磁阻式和霍爾編碼式角度傳感器性能遠(yuǎn)優(yōu)于其他類型,其耐污染、抗震動(dòng)、抗噪聲能力強(qiáng)的優(yōu)勢令其在汽車上的應(yīng)用極為普遍.而磁阻式與霍爾式相比較,又具有在低磁場強(qiáng)度下的高敏感度及高分辨率,因此,本文選用磁阻式傳感器作為EPS的轉(zhuǎn)角測量元件.
磁阻式傳感器:用磁阻傳感器測量地磁場 呂依穎
本文選擇的KMT32B磁阻角度測量芯片利用兩個(gè)惠斯通電橋,則平行于芯片表面（X-Y平面）的旋轉(zhuǎn)磁場將產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立的三角函數(shù)輸出信號,一個(gè)是cos2θ,另一個(gè)是sin2θ,θ即為傳感器和磁場方向的夾角.KMT32B芯片內(nèi)部電路電橋如圖4所示：
根據(jù)各向異性磁阻效應(yīng)原理,兩個(gè)同樣的磁阻元件若與磁場夾角方向不一致,則磁阻元件的阻值隨磁場方向改變的相位差與兩元件的夾角成正比.而KMT32B則巧妙的利用圖中簡單的兩組電橋輸出信號擺放位置,使兩路信號輸出差90°相位,則兩路模擬輸出信號Vo1、Vo2與磁場變化角度之間關(guān)系為：
傳感器這種電路設(shè)計(jì)方式的優(yōu)勢有效去除了計(jì)算轉(zhuǎn)角θ中K值對系統(tǒng)測量精度的影響,且便于開發(fā)實(shí)時(shí)的角度測量系統(tǒng).
但由于三角函數(shù)的周期性,導(dǎo)致該芯片計(jì)算角度時(shí)僅能實(shí)現(xiàn)0-180°范圍內(nèi)角度的測量,而汽車上如方向盤之類的器件,要求能連續(xù)旋轉(zhuǎn)多圈以上,角度范圍必然超過360°,甚至達(dá)到720°以上,對于EPS中方向盤系統(tǒng)需要360°旋轉(zhuǎn)角度的測量需求尚無法滿足,這就需要我們對該角度測量系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),用KMT32B完成多圈角度測量.
如圖所示該裝置為大齒輪嚙合兩個(gè)小齒輪,設(shè)大齒輪（主動(dòng)齒輪）齒數(shù)為m,從動(dòng)齒輪1齒數(shù)為m1,從動(dòng)齒輪2齒數(shù)為m2.設(shè)主軸齒輪的行程為n周,則從動(dòng)齒輪2在行程內(nèi)一共轉(zhuǎn)過（m*n/m2）*360°,從動(dòng)齒輪1共轉(zhuǎn)過（m*n/m1）*360°,為了保證主軸在整個(gè)行程的絕對角位置與2個(gè)從動(dòng)齒間的角位置關(guān)系一一對應(yīng),有
2.個(gè)KMT32B分別檢測出2個(gè)從動(dòng)齒輪的角度,根據(jù)角度差值情況就能測得主動(dòng)齒輪的角度值.
根據(jù)最后換算公式可知,當(dāng)從動(dòng)齒輪1和從動(dòng)齒輪2差值越小,該角度測量系統(tǒng)的量程越大,主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪比值越大,傳感器體積越小；綜合考慮轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)尺寸大小,并且盡量讓兩個(gè)從動(dòng)齒輪齒數(shù)接近,本文設(shè)定的兩個(gè)從動(dòng)齒輪齒數(shù)分別為17,18；既M*n<,306；而設(shè)計(jì)的角度測量系統(tǒng)至少要能實(shí)現(xiàn)方向盤4圈角度的測量,而設(shè)計(jì)的角度測量系統(tǒng)至少要能實(shí)現(xiàn)方向盤4圈角度的測量,這設(shè)定n等于6,m等于51.
5. EPS轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)
方向盤角度傳感器能夠檢測到方向盤角度的變化,它是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（EPS）系統(tǒng)控制器（ECU）的重要輸入信號.作為EPS系統(tǒng)ECU的重要控制信號之一,它的輸出信號精度能夠大大優(yōu)化和改善EPS系統(tǒng)的電動(dòng)助力方向盤回正性能.
按照汽車EPS系統(tǒng)對方向盤角度傳感器的測量范圍和測量精度的要求,本文設(shè)計(jì)了一款基于磁阻效應(yīng)的非接觸式方向盤絕對轉(zhuǎn)角傳感器系統(tǒng),采用8位飛思卡爾MC9S08DZ60單片機(jī)為核心,配合其中CAN模塊設(shè)計(jì)完整的車用磁阻角傳感器方案,其原理框圖如下：
系統(tǒng)主要由被測部件、磁阻角度傳感器、信號處理系統(tǒng)、單片機(jī)系統(tǒng)MC9S08DZ60、CAN通信網(wǎng)絡(luò)、EPS控制系統(tǒng).系統(tǒng)中2個(gè)磁阻元件將感受到的磁鋼位置的變化經(jīng)過信號預(yù)處理電路的調(diào)理后輸入到信號電子處理單元中進(jìn)行實(shí)時(shí)的角度計(jì)算.電子處理單元依據(jù)事先植入的絕對角度算法程序計(jì)算并輸出方向盤的絕對轉(zhuǎn)角.
6. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
按照上面設(shè)計(jì)的系統(tǒng)研制出實(shí)際的轉(zhuǎn)角測量裝置,并在相應(yīng)的角度檢測設(shè)備上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試.測試分量程范圍：0°～2160°,最終測量結(jié)果如表2所示.
在0°～2160°范圍內(nèi)進(jìn)行角度測量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1.由表可見全角范圍內(nèi),測量精度達(dá)到±0.9°.
經(jīng)過多次重復(fù)試驗(yàn),對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后,如圖10所示,誤差基本一致,平均誤差僅有±0.6°,且線性度較好.
6. 結(jié)語
由表1的測量結(jié)果顯示：磁阻傳感器在角度測量精度能夠達(dá)到一般車載EPS系統(tǒng)要求,且經(jīng)過多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)后所得數(shù)據(jù)在處理后其線性度并無較大誤差,這就可以說明以該原理設(shè)計(jì)的角度傳感器系統(tǒng)的重復(fù)性很好,傳感器總體性能能夠很好地滿足車用傳感器要求.
實(shí)驗(yàn)證明角度測量傳感器系統(tǒng)具有其非接觸、絕對式、大范圍、小體積、高精度測量等優(yōu)點(diǎn),特別是其多圈角度測量的設(shè)計(jì)方案合理,值得在車輛轉(zhuǎn)向角度測量中推廣,相信這一思路方向發(fā)展的角度測量傳感器具有良好的市場需求.
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作者簡介：王加熙（1985—）,男,江蘇鹽城人,上海交通大學(xué)自動(dòng)化系工程師,研究方向：電氣工程與自動(dòng)化專業(yè).
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