（信号与信息处理专业论文）基于amr效应的磁阻角度传感器的设计.pdf

摘要 传感器技术是信息产监三大支柱之一，同时也是所有信息的源泉，焦度传感 器是传感器中非常重要的一种。新材料、新原理角度传感器的开发与研究或现有 角度传感器的性能改善和应用扩展是角度传感器继续发展的重要途径，也是该领 域的研究热点。 本文通过分析角度传感器研究现状，根据磁阻角度传感器具餐非接触式测 量、可克服接触误差、同时属予绝对式测量、加电后可立即获取当前焦度绝对位 置的特点，在看好其应用前景的同时，也发现了其测量范围不足的缺陷，并试图 扩大英测量范蠢，拓展其应用领域。 从磁阻传感元件自身考虑，一方面磁阻角度传感器的灵敏度与测量范围成反 比，自身测量范墨的扩大必然会导致灵敏度的降低，影晌传感信号的信噪比，从 而降低角度测量精确度；另一方面，其材料和原理等基础研究方面已趋于成熟， 因此徽难从这一方面解决该问题。比较有效可行的方法是对现有传感器的性能改 善和应用扩展，即角度传感器的集成化和智髓化。 本文在把握角度传感器集成化、智能化的发展趋势，了解智能传感器功能特 点的基础上，基于h o n e y w e l l 公司磁阻传感芯片h m c l 5 1 2 和双极性线性输出霍 尔元件，设计出一种组合传感器。同时设计了传感信号调节电路，结合a d i 公 司高性能、高速度的集成数据采集处理芯片a d t c 8 4 2 ，完成了磁阻角度传感器 的集成化：利用a d t c 8 4 2 的事件判断和信息处理功能，编写了磁阻角度传感器 角度解算及测量范围扩展算法，实现了磁阻角度传感器的智能化，在不影响磁阻 角度传感器灵敏度的前提下，研制出了一种全角测量范围的磁阻角度传感器。 实验结果表明该磁阻角度传感器测量范围可达0 。3 5 9 9 5 。，精确度为o 8 0 。 经误差分析及研究表明，其性能还可再度改善。与光栅和电容等现有菲接触式角 度传感器相比，该角度传感器具备低成本、小体积，耐污染，抗振动等特点，应 用前景广阔。 关键字：磁阻角度传感器，扩大测量范圈，智能化，采集处理芯片a d 弘c 8 4 2 a b s t r a c t 乃es e n s o rt e c h n o l o g yi sn o to n l yo n eo ft h et h r e eb a c k b o n e si nt h ei n f o r m a t i o n i n d u s t r y ，b u ta l s ot h es o u r c eo fa l lt h ei n f o r m a t i o n 。b e i n go n eo ft h em o s ti m p o r t a n t s e n s o r s ，t h ea n g l es e n s o r ，r e q u i r e st h ee f f e c t i v ea p p r o a c ht ok e e pi td e v e l o p i n g c o n t i n u o u s l y t h e r e f o r e ，t h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to ft h ea n g l es e n s o rw i t hn e w m a t e r i a l sa n dt h e o r i e s ，a sw e l la st h ei m p r o v e m e n to ft h ea n g l es e n s o ri ni t s p e r f o r m a n c e sa n da p p l i c a t i o n st u mo u tt o b et h e h o t s p o to ft h ea n g l es e n s o r s r e s e a r c h i n gf i e l d a f t e ra n a l y z i n gt h es t a t u s q u oo f t h e a n g l es e n s o r , w e f o u n dt h a tt h e m a g n e t o r e s i s t i v ea n g l es e n s o rh a v el o t so fa d v a n t a g e s 。i t sm e a s u r e m e n tm o d e sa r e c o n t a c t l e s sa n da b s o l u t e ，a n di tc a no v e r c o m et h et o u c he r r o ra n dg e tt h ea b s o l u t e a n g l ep l a c e m e n ti m m e d i a t e l yi ft h es y s t e mp o w e ro n 。t h o u g hi th a st h eg o o d a p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d ，i t sm e a s u r e m e n tr a n g ei sn o te n o u g h t h e r e f o r e ，t h ea i mo f t h ep a p e ri st oe n l a r g et h em e a s u r e m e n tr a n g eo ft h em a g n e t o r e s i s t i v ea n g l es e n s o r e n l a r g i n gt h em e a s u r e m e n tr a n g ed i r e c t l yw i l lm a k es e n s o rs e n s i t i v i t yr e d u c e d ， a n di n f l u e n c et h es i g n a l - t o n o i s er a t i o h o w e v e r ，i ti sd i f f i c u l tt os e t t l et h i sp r o b l e m t h r o u g ht h eb a s i cs e n s o r r e s e a r c h t h ee f f e c t i v em e t h o d s ，w h i c hc a ne n l a r g et h e m e a s u r e m e n tr a n g eo ft h em a g n e t o r e s i s t i v ea n g l es e n s o r ，s h o u l df o c u so ni m p r o v i n g t h ep e r f o r m a n c ea n de x t e n d i n gt h ea p p l i c a t i o no ft h ec u r r e n ta n g l es e n s o r s a c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h ea n g l es e n s o r s ，a n dt h ef u n c t i o n c h a r a c t e r i s t i co ft h ei n t e l l i g e n ts e n s o r ，w ed e v e l o p e dam a g n e t o r e s i s t i v ea n g l es e n s o r ， w h i c hi sb a s e do nt h eh o n e y w e l lm a g n e t o r e s i s t i v ea n g l es e n s o rh m c l 51 2a n dt h e h a l ls s 4 9 5 a o nt h eb a s i so ft h ej u d g m e n ta n dt h ep r o c e s s i n ga b i l r i e so ft h e i n t e g r a t e d d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gc h i pa d z c 8 4 2 ，w eh a v ed e s i g n e d i n t e g r a t e da n dt h ei n t e l l i g e n ta n g l es e n s o ra n dr e a l i z e df u l la n g l em e a s u r e m e n t 强em e a s u r e m e n tr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h em e a s u r e m e n t r a n g e o f m a g n e t o r e s i s t i v ea n g l es e n s o ri s0 1 。3 5 9 9 5 。，a n d i t s a c c u r a c y i s0 8 。t h ee r r o r a n a l y s e sp r o v et h a ti t sp e r f o r m a n c ew o u l db em o r ei m p r o v e d i tc a no v e r c o m et h e i m p u r i t yp o l l u t i o na n dm e c h a n i s ml i b r a t i o n sa n dh a v et h ea b i l i t i e so fl o wc o s ta n d s m a l lv o l u m e ，s oi th a sc a p a c i o u sa p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d k e yw o r d s ：m a g n e t o r e s i s t i v ea n g l es e n s o r , e n l a r g et h em e a s u r e m e n tr a n g e ， a d z c 8 4 2 嚣 珏北工业大学 学位论文知识产权声明书 本入完全了鳃学校有关保护知识产权熬规定，帮：研究生在校攻读学位期闻论文工作 的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向阑家有关部门或机构送交论文的复 印徉帮瞧子舨。本人允许论文被查阅和借阗。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本入保证，毕业后结合学蕴论文研究课题褥撰写弱文章一律注明作者单位为西j 艺工韭 大学。 傈密论文待解密后适瘸本声明。 学位论文作者签名：垒丝 刎年3 月i 2 日 指导教师签名：逊) 功9 年3 月f b 日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 入在导师的指导下进行研究工作濒取褥的成果。尽我所知，除文中已经注明弓| 用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 票，不包含本人或其他融审请学健或其他耀途使用过的成果。对本文的研究做出耋要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不安，愿意承担一切楣关的法律赛任。 学位论文作者签名：生丝 勃明年3 月忿日 西焉基工韭大擘硕士鬻整论交第一章绪论 孽。蔫选题背景和意义 第一章绪论 人类社会进入信息时代，信息的作用阔益重要，正是基于这样的背景，计 算橇鞠勰缨技术得到了空蓠的发震。信患绘我镌带来好缝的裁挺是我翻蓄笼要 能采集、获取到准确可靠的信息，这一过程称为债息采集，该过程伴随着相应 抟感技米盼应焉。完戒传感翡麓麴器件或装鼍印鸯倍感器，它是信意时栈所寄 信息的源泉l l j 。 传感器是获取信息和转换信息的一种薹其，它是信蟹处理与传送的基础， 是获联信息的登螽条件；与乏喾爨关憋傣感技术是髂患黠代的重簧组成帮分，撵 为边缘学科发展的先驱与基础，传感技术与通信捷术、计算机技术并驾齐驱， 是铸感产韭三太宽缝之一掰。一方蔗，黄惑技术森料学研究、薹农效垒产、霹 常生活等方砸发挥着越采越重要的作用；另一方筒，人们对传感技术又提出丁 越栗越多静要求。函诧，及时了解并掌握赞感器拽术的薪发展和新技术，特涮 是传感器与离性能信号调理电鼹的续念应用，对予枣效应用电子技术键进科研、 生产和社会的信息化是非常盛要的。 转感器种类繁多，燕度蒋感器是羹孛爨重要的一耪，主要簏来灏蠢固定部 件( 定子) 和转动部件( 转予弦：间的旋转角度。随着囱动控制水平的不断提高，作 势自动拄制系统的重要觉释，燕度鼹蘑器褥瓣7 避逮翡麓震，连满成为搜裘测 量、正业自动化：信号检测和航空航海等领域的一种重要传感器。诸如惯性导 航、橇械控制、蠢人驾驶飞行器、指挥仪、霄达、导弹、各种火炮、航天飞概 和卫星等，均需要对方饿角或馏仰受等多种动态囊度进行耱密测试伫l 巷据统计， 2 0 0 4 年起国内角度传感器消费世界第一，进口世界第一，产值世界第四，销售 量连续三年蒸戳籀熟速度增长，遴黼额也是棱掬左卷的速麓在增长。困簏， 加强角度传感器购开发与应用，研制高精度、高分辨率，低成本、稳定可靠、 痖蔫广泛的巍度祷感器融成为量控菩领域的追钢需要。 篱北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 。2 角度传感器研究现状和发展动向 同一种信息可由誉同的传感器来测爨，角度信息也是如此。萁测量原理多 种多样，较难分类，w 按测藿方式分为：褶对戴帮绝对式；接触式藕菲接触式。 相对式测量实际上是两点相对角度位置的测量，系统搁电时，无法确定当前基 准点的绝对角度位置，一般只能用来测角度位移；非接触式测量霞存在机械接 触，幂懿容易壤损，瓣盟难免会声生误差，已逐渐被非接皴式测量饕戗。 常见的非接触式角度传感器裔编码盘式、光栅式、激光式、感应同步式、 电客式，照感戴和霍笨式等。一般都是稷据巍攀、毫学或磁学等霖理确定转予 的角度锰移或角度位置。光学原理角度祷感器牲能较好，例如利用莫尔条纹宽 麓测量精度的光栅角度传惑嚣就熟有较高的精度和分辨率。但是由予光攀仅表 鳐搀复杂、互蕊要求离，不仅价格昂爨，两且翳受攮凌影穗，一般缀难广泛使 用。电学角度倦感器一般直接利用电学基本物理量与角度的篥种关系宣接构成， 魂容式角度抟慧器就是其孛一种。它由黼个拳藤形毫撮援露辍平褥安装缀减， 连同空气介质构成电容器。当作为定子的电极板旋转时，两电极板之间互相遮 掩的面积随之改变，根据警褫电客公式，可转羧为电器变纯。箕绦梅篱单，墨 予实现，但是输出特牲为酚梯状，分辨力不离，且幽予边缘效应的存在，实际 艨用中，这种面积和电容的对应蓑系禳不确定，稳定性较蓑，该润题还未有效 解浃嘲。此辩，以上两魏具有代袭性昀巍学和避学角度转感器易受空气中敷尘 等杂质的干扰和影响，可靠性较差i t 。 磁学角度黄感器应翔磁敏感蠢件感瘟磁场、电流等物理璧的囊穰，劳将其 转换为元件的磁性能变化，该转换过程对应某种确定的角度关系。除可鬟现耐 污染的嚣接触角度测塞外，其抗搬动、抗嗓声髓力较缮，帮使在极为恶劣的舔 境下也能可靠、稳定的工稼。采爝磁敏感元转测量角度信患已成搀角度测量的 常见方法l 甜。 随蓑磁电子学熬飞速发鬟翱半导体擞龟予技拳豹耀盏威熬，以h o n e y w e l l 和a d 公司产品为代表的磁敏感传感器舞军突起，备种磁敏感元件相继闻世， 整发震逐速。糯有漱踱感纛件圭豢包括；霍尔嚣件帮磁阻元件。繁零元捧磁敏 感范固较大，但是和磁阻( m a g n e t o r e s i s t a n c e ) 传感器相比其灵敏度和分辨率较 低，高性能角度传感器一般幂予采用。 磁魁是指导体或半导体在磁场榫黑下其电阻值发生变化的现象网。遥年 来，磁阻效应在新现象( 如饱和磁献效应) 、新材料( 如薄膜金属合金) 、新工艺( 半 导俸集成遮羼等煮蕊都盘现了着于突破牲酶进展，并跫形成新的学科：磁电子 2 嚣奠鏊王鲎大学醭圭攀糗论文纂一薰缝论 举，引起科技界特别是电气行业的密切关注。 h o n e y w e l l 公蠲研制邈一种较隽先逃鹣磁疆蕊蘑芯片h m c l 5 1 2 。该祷感蕊 片基于饱和态磁隰效应( 饱和态磁阻效应实际上是一种角度效成，非常适合角 度测量，商关蠹窭将在下一章详缎奔绍) ，戳强磁性金麟薄膜磁敏感电隰蠢材 料，构成镍铁透磁合金带，采用a n 标准级半导体工艺将其熔制在硅片上，再与 基本差动教太电器制成集成芯片，霉用采实现燕度测量。 众所周知，影响传感器性能和稳定性的重要因素为温度漂移，磁阻材料也 是如此。磁阻芯特h m c l 5 1 2 内部特有的双惠靳逶电挢缩掬，以及蹙度解算孵 料惫诧测蓑系有效地解决了此类闽题( 详见后文原理概述) ，檄夫程度减小了 温度漂移怒蘧，豫此之外，磁阻棼片h m c l 5 1 2 遂具有以下特点隧： 1 ) 内阻较小，对予电磁噪声和干扰不敏感。 ( 2 ) 嚣敏度鹱离，信噪比较犬，测量糖度较嵩。 ( 3 瘸予固态元件，鼠内部无转动都榫，可靠性较高。 芯片尺寸鞍小，为标准s 0 - 8 封装，便于抟感器赡集成俄，智熊饿。 磁隧传惑芯芹h m c l 5 1 2 虽然其备黻上诸多优点，组是其角度测量范围仪 为秽一1 8 0 ，严重影响其庞用范围。同时磁阻传感器材料、原理和工艺等基础 研究| 已较为成熟，盈其灵敏度与角度范蕊成反跣，要想赢接扩大潮量范围，灵 敏度必会受到影响，从而导致磁隰角度传感器测量精度的降低，因此，报难从 基础研究煮瑟骞效解决遽一闯题。如何在不影响磁阻传感器自身牲能鹩翦提下 扩大其测量范围，拓展其应用领域是双电桥磁阻传感器酋要待解决问题，也是 拳文懿礴究甚昀。离精度信号调避电蘸孵应焉，磁阻传感器与徽楚理器鹩有槐 结合，即磁阻角度传感器的集成化、智能化为这一伺题的有效解决提供了根本 途餐。 传感器的集成化主要指将传感器和相应测量电路( 包括放犬，运算、温度 替嫠穆毁瓣采集譬环节靛集成纯，这省助手藏小干扰、提高灵敏度跃爱便于 后续数据的存储、处理和鼹示，其已成为传感器技术的一个重要发展方向i 。 傣感器瓣智貔诧却珏皴处理嚣巍棱心攀元，将黄感器僖意稳溅功憨与徽楚 理嚣信息处理功能有机的融合在一起。一方面提高了传感器的性能，另一方面 又兼有检测、粼断魏蔷患懋理等穗缝，鞫对霄通避各种较斧对德感检测避霾进 行管理和调节，使之达到最佳状态。其主簧功能如下： 重簿瓣检测数据进行统计均值憝理或数字滤渡，减小隧枧误差和噪声影 响。 ：2 爨富记忆、荐馕功缝，方便使用爱遴一步楚理。 墨 蘸翥鏊工鲎大学碛士学辩论文 第一章绪论 ( 3 ) 能够自动补偿零点漂移和煲敏度漂移。 4 ) 具有组态功能，霹应用维合传感器，扩大检测范麓。 ( 5 ) 具有多种输出方式，且符龠各自统一输出撅准，提赢了和其它电予设备 的兼容性，拓展了瘫用领域t i l 。 由于具备以上多种功能，使智能传感嚣与传统传感器捆比具离精度离、稳 定憔好、测壁范围宽、废爝箍匿广等主要饿赢。摄此，霹黻对现蠢传感器进行 性驻改善或功能扩展，提离其环境适应性，拓展其应用范隔。传感器的集成化 和智麓讫幂仅是臻憋器技术研发黪热点，也黄本文磁阻惫魔传感器测量蓬霭的 扩展提供了有效的方案依据。 1 。3 课题研究内容 本文在文献 7 1 的基础上对磁烈角度传感器俸了进一步的研究与应用拓展， 在不影崤磁阻佟感芯片h m c l 5 1 2 静灵敏度和精确度等蒸本性麓斡蓠提下，研 制出了一种全角测量范围的磁阻角度传感器。该传感器为爿# 接触、绝对式角度 链鬻测量傣惑器，霹实现嵩精度、离分辨率、低成率毁及小律积鹣多毙度测璧。 本课题采用的基本元件为磁阻芯片h m c l 5 1 2 ，同时绪合霍尔元件构成组合 抟感器，剥蘑蓬尔髂感元静s 、n 疑掇性线性输缀特性产生定予旋转区域判定 信号。在不影响磁阻传感器基本性能的前提下，霄效简便豹扩展了磁阻角度传 感器熬测爨惹匿，键赢勰淡彳磁瓣角度德感器葱姥h m c l 5 1 2 测璧范围誉是酶 问题。在此基础上，利用a d i 公罚高性能集成数据采集处理芯片a d , u c 8 4 2 作 为藕绕蕾警采集和僖号处理的圭簧单元。该芯片集成了一个8 通道，3 微秒转 换时间、1 2 位精度、带自校正功能、逐次邋近的模拟数字转换器( a d c ) ，并可 竞垒遗过编程控制，使焉囊便。此辨，遥煮其它丰富鹩辫上资源，便于系统开 发，例如两个数字为模拟转换器a c ) 、个通用的异疹收发器( u a r t ) 、s p i 和1 2 c 总线接露戳及6 4 k b y t e s 的随遮，咆霹擦踩程序存赭嚣和4 k b y t e s 的阕速， 电可擦除数据存储器嘲。高密度、小型化、集成优的设计，以及嵩精度、高速 率麴数据采集性熊和丰富黪片上赘源，非常有剩予磁阻角度赞感器麴集成纯和 智能化，可有效完成磁阻角度传感器性熊的改善以及功能的扩展。 本文圭要研究内容如下： ( 1 ) 了解传感技术的重墓地位岛作用，把握角度传感器的研究现状与发震趋 势，重点攀握磁魁角度特感器麴研究进展，明确垒角测量磁阻角度持感器的应 用领域与研制意义。 4 戮就工韭犬学颡士学蹙谂文蓥一鬻绪论 ( 2 册究磁阻角度传感芯片h m c l 5 1 2 的磁阻效应工作原理，分析其测量范 鲻不足的叛露，提誊角度测量范爨麴有效扩震方案。在了解取援瞧线性鬟尔元 件作用原理的基础上，设计磁阻角度传感嚣测量藕围的扩展结构。 貉意撰角度穗感器集娥纯、智裁纯熟发震方隧，缝会磁隧氟澄传藩嚣理想 预期指标，分析集成数据聚集系统a d ”c 8 4 2 各个功能部件对于磁阻角度传感 嚣测量范嘲扩展系统的适翔牲。针对待感嚣输出髂号特性帮a d # c 8 4 2 采集输 入信号的暇配范围，研究设计高精度的传感器信号调理电路，确傈信号聚集的 有效性翻精确性。在设计系统棚关功能电路的阍时，畚理应髑徽楚理攀元 a d 燃c 8 4 2 的其它片上资源，设计液晶显示、数字为模拟转换( d a 囝以及 r s 墩串豺等耀予入枫交甄暴面煦基本电路，提离磁阻热度传感器鲍易髑牲帮 设备兼容挂，扩大其应用范围， 。 鳓在窕成硬件系统设计并调试通过的基础上，研究数据采集处理单元 a d # c 8 4 2 的片上编程资源的功能，并掌摆相关功熊的使用方法。瘟用系统软件 开发环境k e i l ，u v i s i o n 2 ，设计系统圭程序，完成数据采集、处理等功能所嚣予 程序的编霹，研究角度的疲正切解算和角度测量范围的扩展算法( 率文的重点 及难点) ，为系缆功能高效实现提供软件綦础。 圆完成磁阻燕度转感器的软硬件联合调试，襄现系统动能。对角度测量系 统进行实验，分柝实验结果，研究系统主凝误差因素。在此基础上，总结系统 成果及忧煮，著提掇迸一参所需改营内容馘及研巍方海。 研究王作的重点及难点在于磁阻传感器传感信号的精确采集以及测量角度 豹瓣算与测量范围鹃扩震，有关癍窖努剩在第三章磁阻角魔传惑器系统硬件设 计与实现和第四章磁阻角度传感器的软件编程与鬟现中分别详细介绍。 ， 奉文最终瓣制舷磁阻囊度黄黪器样机一套，薹侔稳定、哥靠。将磁隧魏度 传感器的角度测量范围从酽1 8 0 。有效扩展到了0 0 一3 5 9 。9 5 ，测量精确度为 堂- - 0 8 。误麓分析表翳第六牵，蒸性麓参数还可进一劳改善。 西曩基工溉大学硬士学健谂文 第二章磁阻角度佟感爨测量麟理分橱及结构设诗 第二章磁阻角度传感器测量原理分析及结构设计 本文磷制酶垒角测量范围磁阻角度蒋感器耋要基于磁阻效应，应用磁阻蕊片 律巍圭篱号源，阕时采惩霍象传感嚣粼定磁场旋转醒蠛，麦瑰3 6 0 8 垒惫灏量。本 章酋先简要介绍震尔效应与磁臌效应，在此基鹛上分绍磁阻角度传感器测量原理 及其结构设计。 2 。薯霍尔效应 当载流导体或半譬体始予与其电流垂蠹【的磁场巾时，运动电薪在磁场中受到 洛伦兹力的作用而偏转，正负电荷分别积累到导体两侧，从而产生电位麓。这一 现象被称为餐尔效应，该电位蓑称为霍尔电势。 圈2 - 1 纛拳效痊愿疆摩 如图2 。1 所暴，一块长为l ，宽为w ，厚度为n 的矩形导电板，两垂直侧面 装有电搬。如果在长度方向通以控制电流，在厚度方向施加磁感应强度为b 的磁 场，那么导电板审的自由电子在矫加电场作用下散宠商沿长度l 方向运韵的 圜时，还会受裂漆稔兹力磊的捧灞，其大小为： 羲- e b v 2 - 1 ) 式中，参为魄子愈薷；b 舞寇磁感应强度；擎为电子平均运动速凄。 洛伦兹为蠡的方向遵循右手定则，正熊电诗受力方向分别指向导睦扳上下两 侧，此时，电荷运动方向偏转，导电板两侧电檄分别积累正、负电荷。这样，两 电裰闯将形成附翻内电场露耕，称筠霍尔咆场。在该电场作用下，电子将受割一 个鸯洛稔兹力方向相爱的电甥力的俸用，辍累剡侧蠢毫掇生。随着积累啦予静增 7 露莲慧工啦大学硬士学犍论文第二章磁艇霸鏖传感器测鐾愿理分橱及结桷设谤 多，该电蛹力会不凝增强，童至二秀平衡黪，隧止电荷继续积蘩，飙蓊达剽动态 平衡，即有# 嘞一豢b y 峰辩b v 2 2 而相应的电动势就称为霍尔电势，可表示为： 一w ( 2 - 3 ) m 蠛 - b v w 2 哪 式中，w 为导电板宽魔。 当电子浓度为耀，电予定向运动平均速度为 ，时，根据电流定义( 苹饿时简 内流过学体截面面积的电荷量) 有： i _ - n c v w d 争辩 即： 驴- 。羔一 争静 撑e w d 式中，d 为导电板厚度。 联巍公式( 护6 ) ( 2 4 ) ，且令雠_ 一赤，褥：瓣e 耋j 一舀遵 2 一蛰 式中，秭为鬟尔灵敏度嘲。 以上怒用控制电流表示霍尔电势，也面用激励电源玩表示，由于以一e l ， 电予在电场中平均漂移速率为。 vge(2-8) 式巾，磐药单键电场下，电予麴漂移速率。 联立公式( 2 - 4 ) 、( 2 - 8 ) ，霹褥# 。w r v s b ( 2 - 9 ) 式中，以为电源电压。 霍尔灵敏度袭征了霍尔元件在单位控制曦流和单位磁感应强度下产生 的霍尔电篮的大小，其与器件厚度及载流予滚度成反院。为了提高爱腊，霍尔元 件常制成薄片状，厚度约为0 ，重鞭2 m m ，薄膜型霍尔元俘哭有1 声嘲蠢右。金属 材料的自由电子浓度避高幂宣制俸霍稼元件，般选择半导体材料，霹雷常爝的 有硅、锗、锑纯镭释种纯钢等措料，毽是半导俸材辩瓣温度比较壤感，因此，在 嚣 麟j k 工业大学颁士学位论文第三鬻磁阻角度传感器测量原理分析及结构设计 实鼯应用中豫选择温度系数较小的半舄俸毒考斟卦，疲该采溺适当瓣补偿电路。 本文选爝酌是h o n e y w e l l 公蜀的霍尔褥感器s s 4 9 5 a ，其吴有躐掇性线性模 拟输出特性，可产生磁场旋转区域判定信母，以扩展角度测量范曝。该传感器体 积小巧，功耗低；内含激光修正的薄膜电阻提供精确的最敏度和瀑度补偿，工作 溢魔范围较竟簿噫寝s 、瓣驳极性磁爨；满幅输爨辫越粕壤桶拣麓霹使有效 俊号范围更宽，宥利于角度传感器精度的提高辫。s s 鹤s a 的输出曲线见图2 - 2 ， 在本文所述角度测量系统中的具体应用见下节原理概述。 心觥，鲈 矿 ，二z 嚣，翮 一6 4 03 2 003 2 06 i | 1 0 圈窑唾鬟黎传感豢f , f , 4 9 融篱窭蘸缝豳 2 。2 饱和态磁阻效应 在分析霍尔效应时，我们认为载流子部按同一速度运动形成电流，实际上载 流子的速度不宪全相同。在洛伦兹力作用下些载流子会往一边偏转，所以半导 髂游感电瀛势布蹙不均鸯的，改变磁场麴强弱会影嗨电辩密度的分希，表现急辱 毂褥辫的电隘变化，这就是磁阻效应阎。 蠢 厶舅 i 一 离 拦 曩 炮漩方向 蘧瓣爨金 隧2 磁霞簸旋原理豳 磁阻材料通常由铁、钴、镍及其合金镶磁性金属构成，导磁合垒等效电阻会 随箕内部磁纯向鲞与电流流囱闽的夹兔嘏疯变纯。麴圈2 - 3 所示，秃外部磁场时， 导磁会金内部静磁纯向量乎帮手电流方惫。外撕一平行于台金表面基垂童于其肉 g 蹰北工溅大学硕士学位论文第二章磁阻角度传感器测蕈原理分析及结构设计 都电流薹的磁场鏊，内部磁化向羹夥会因b 的强弱不同丽偏转蕉魔一强( e pl 与 斟的夹角) ，後德导磁台金魄阻霹教变，并有如下关系式： r r 。+ a r c o s 2 瓴 ( 争l | d ) 式中，r n 、熊失传感器电隧材料常数。 霹霓，当辨翔磁场平行予磁体内部磁化方勰时，电匦磊隧外加磁场变化；丽 獭外加磁场偏离金属的内部磁化方向时，此类金属的电阻可变化2 - 3 ( 约为 2 3 r ，逮就是强磁垒褥麴备囱霁缝磁阻效应( a m s o m ) l 蘸cm a g n c t o r e s i s t i v e , a m r ) 1 7 1 。 a m r 传黪器制榫过程怒将镰铁导磁奢金( 羚瓣a l l o y ) 薄膜沉积在毽片上， 形成四个相同的电阻条，等效成惠撕通电轿。纛瓶通电辑由连接成心边形的四个 电阻和电桥激励组成，主蘩用来精确测壁微小噜阻变纯。翔圆2 - 4 0 ) 所忝，桥路 输邀矗秽菊$ 蚶。一。墼銎。：。酞 ( 2 - ll 蠛挚墨髓冀。 武中，鹦，曼，焉，墨为拼臂邀阻；玩为电桥惑源电毽* u + 糯一 甄 ( a ) 基本忘褥0 曲全桥麓渤补偿墩路 豳2 - 4 熹斯透毫稀 适属于抟感爨熊常赐魁梧羲橇臂电阻变他个数不凝丽膏多种，常用的有半桥 电路和全桥电路【。这两种电路除了能补偿电桥非线性输出特性，进行瀑度漂移 补偿筹，还麓提高电桥酶一个重蘩参数检测爱敏度，群输嫩毫压最太变纯鐾姆 激励电压之比。其中灵敏度较高的为全桥差动补偿电路，如图2 - 3 ( b ) 所示。输 1 0 磷北工业大学硬士学位论文第二章磁照热度髂感嚣测最原理分析及结构设计 戳电压矗秽： 纛醪。一墨坐秽嚣 娌一重2 ) r o “ 式中，襄。，悫襞为桥臂电阻鬻数；髫巍桥臀电隧变纯因子。 本文系统采用的h m c 2 5 2 2 采耀豹是全桥电路+ 拼臂电辍由导磁合金构成， 绪台公式( 2 - 1 0 ) ，巍菇- 螂2 确时，桥路输出电压可转换为： 磊u 一玩k 雌1 ) ( 2 - 2 3 ) 式中，羲为常系数。 公式( 2 - 1 3 ) 即为a m r 传感器原理的数学描述。进一步研究表嘲，井部磁场 强度比磁化向量强度高约8 0 盛时，本文所述磁阻材料可满足饱和恋要求，即内 部磁化向量露与井部霹同向，喁与为熟部磁场嚣与内部魁澈z 的夹角搿棚等下 文讨论巾壹搂以外部磁场方海霜露网等戴替磁化商量方趣角喝) ，豫此为镶和态。 饱耨蒸磁阻效碰实际土是一种角度教鹿，珂粪接实现惫度测景。 饱和态磁鼹效应照然菲常适用予旋转角度的高精魔测量，但是冀也有瞬鼗的 不足之处。由于磁阻材料对磁铜s 、n 两极的同时响应，在提高了磁阻角发传感 嚣灵敏度的同时，也限莉了角度测量的有效藏圉，且灵敏度与测量范圉成反比谰。 由公式( 2 - 2 3 ) 进一步分析可知，单电桥磁阻角度特感器的角度测曩范围仅为孵 角度测量范围的局限性，严重影响了宽范围焦度测量应惩领域对磁腿角度传感器 的嚣求性。 2 3 系统磁隧角度测量原理概述籽结构设计 2 ，3 。i 系统角度测量爆理概述 单嘏桥磁随角度特感器盈然可蕊盔揍测量外部转予酶方翻角，键冀角度测量 范闺便为9 萨，衙鼠受温度影响较大，需要设计外部温度补偿电路。磁融传感芯 片h m c 2 5 1 2 被电拼电路结构可有效解决此类问题。同时采用霍尔传感元件的输 出信号判定角度旋转隧域，可迸步增大熊度测量范熙1 4 j 。 如圈2 - 5 所示，磁阻传感芯烤嗣酗e 嬲王2 两电桥a 、瑟的输出信号波形琊分 别表示纛。 虬和) 一u 。k 酬孙) + u 枷 ( 争重凄) 1 量 蘧乾工韭大警硪士学毽论文第二章磁阻簿魔传感器测攀源理分拼爱缝构竣诗 巩 ) - - u s k b s ( 孙) + u 舢嘲 ( 2 一i 器 吵号，4 一、鬟尔 桥a 信号 ，7 。 “、 罗穗；| l ： 知m t 。 ；j ；。 歹、。坳蚁舭 萼 豳争器磁蹶落冀鞠鬟零元释瓣畿值号藏澎 式中，u s 为传感器供电电压；k a 、k b 为常系数；u 翩嘲、u 觚缸h 为两电 橇零输入编置电聪，暂态为常数。 联立公式( 2 - 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 可得； 趣5 一( 糟) 谚 由于两电桥共鬻于同一膜片上，嘏桥材料相同，可认为环境对奠影响程度几 乎一致。融公式( 2 - 1 6 ) 韵，在理论秃德置电蓬麴前提下，掰电擀爨琢凌童要 是温度) 的影响同时抵消，可不需要温度补偿电路，即筒纯了电路设计。失了便 子分析，公式( 2 ，1 6 ) 可表搽为： 谨，。晓5 咖f 氅 ( 2 。l ? l 【，嚣j 努象溪戆理蜃，磁黻芯寿实鼯测量旋转磁场方内筠您魏； 露- 群， o 上l u n o 瓣每建，粉弱鼬蔼q ( 2 1 8 9 0 。, 4 - g t # 聪：q 鲫i 念 1 8 0 一a 0 一o 且o 鸯于兰角丞鼗= 倍惫鬟蓑，磁隧芯片测量角度范圈稷舞1 8 0 。巍了实现3 6 秽 全角测量，本文聚用霍尔传感器s s 4 9 5 a 产生磁场旋转区域判定倩号。该传感器 褥托置韭失学颂士学位论文第二章磁隧角度倦感器测麓源理分析及髂构设计 前己讨论，萁在所述系统中的输蹬储号波形见圈2 5 。由图可知，鬟尔元件输出 响应嚣在舻一l 掰范围肉大予h 觯，在1 8 0 一3 6 萨内小于黼坤，隧此作为磁钢 旋转医琥羚| 定信号，进行分段处理，实簖被涮角口w 按下式计葬： 琪。r ：， 舢 ( 黔1 8 琪1 搿牛1 8 0 ，嚣鬟h 牌 沙蟋多 式中，嚣为霍尔传感器电压输出信号；h 雕为1 耐处霍尔原件信号值，暂态为常 数。 依照上述结构设计方案和角度扩展方法，可将磁阻传感芯片的角度测量范豳 从萨1 8 0 倍增到o 一3 6 0 。 2 。3 。2 角度测薰结构设计与实现 鼷霆喝角蠹镧耋缝掏 搬摄上述角度溅量原理，奉文采用h o n e e l l 公司双电桥结构的磁阻落胖 h m c l 5 1 2 作为圭蓿号源，其a 、器两电桥墨嬲熹惫置予一个薄膜片生，可分剽 产生蓬弦和余弦电压信号，凳度渊量范围荛1 8 0 。荐缡合双撮性霍尔元件产生旋 转区域判定信号，即可扩太测量范垂到3 6 0 ，实现全是测量。焦度测量系统戆绪 擒鲡飚2 - 6 骈示。 具体设谜中还要考虑糖蜜轴暴的设诗或选型，其基本要求霄： | 阏转精度；指主轴在旋转时，实际圆转轴线和理想轴线之阕豹镳差，蘧 瑟憩王髓大学矮士学位论文第= 章磁辫受蹙黄憋器溅鬃艨建分辑殷结构设谶 常溺置率鞲度灏方离耩度来表示。置中精度搀主轴线的平移误差；方赢误差指主 轴麴颊斜误差。禽前，国内最离耋辘圜转精度已选0 0 5 , m 。 簿刚度：播圭轴窿羚翔载菏律用下抵抗交形能力豹大小，通常用n 姻a 表零。 本系缝载蓠是惹积熏黎瀚薹舳豳潍x 2 鳓的矩形磁钢，受重力约为0 1n 。 0 转动灵活性；主辘应转动烫活、轻便，秃龌滞现繁。蓉统实舔设计黠舞 保涯主轴鹣摩擦照力足够小，选撵使爝歹台遂麴澜滑油以提离其灵活性。 鳓寿命：主辘保持原始设计精度鳆时阀。 a 结鞫王艺：设计时应在材料、绩擒、薹艺巍调节方蕊，采取各静掺施。 传感器结构实现中，应按照上述要求对角度系统的旋转主轴进行设计或选 型。其中圭轴设计要求最离的指标是圆转精度，它直接影响到角度测量精度的提 高。如何选择或设计回转精度较商的旋转主轴是角度测量系统测量精度能番提高 的主要因素。另外，除了对回转耩度，转动灵活性要求外，针对本文磁阻角度传 感器体系，还应选择具有防磁特性的材料做主轴l 蚓。因此，本文选了使用n s k 公司具有防磁抗蚀功能的离回转精度进羁轴承n s k6 8 0 1 z z 作为角度传感器的 旋转主轴，如图2 - 7 所示。 内径遗：1 2 ( o - o 。0 4 ) m卦径黪：2 1 ( o - 0 。0 7 5 ) 鳓 宽度器：5 ( o - o 。4 ) 蹶倒熊r ：0 。5 姗 2 。4 小结 豳霪崎燕寝祷蒜蘸圭辘粼6 l 醒黼参豳 率章在分析了霍尔效应和磁黼效应基本原理的基础上，首先指出了饱和态磁 阻效应角度测量范围的不足，其次论述了本文磁阻角度传感器测薰藤理，最稀概 述了用于角度测量范围扩展的组合传惑器的结构设计与其体窭现，为本文磁阻角 度传感器的集成纯、智能化提供了理论依据和系统方案。 差肆 西懿工韭夫攀硕士攀位谚文第三章磁隧趱度蒋感器系统篌释设计与安蠛 第三章磁阻角度传感器系统硬件设计与实现 在前面提出磁阻角度传感器测量原理的基础上，本章着重论述磁隰角度传 感嚣艇斧电鬻设诗方面的内容。 3 | i 系统概述 麟争薏豢缝方案捱蓬 搬据角度测量范围和精度的要求，设计的磁阻角度测量系统如图3 - 1 所示。 磁阻蒋感器h m c l 5 1 2 鞠霍尔传惑元锋s s 4 9 5 a 鹩输繇赞号缝调理裁输入剿 a d , u c 8 4 2 的a d c 端口进行采样，然后进行数字信母处理和角度实时熊算。角 度测蕊结果黧有模拟和数字两种输出模式：模拟输出用予驱动表盘；数字输出 透过r s 2 3 2 枣曩通镶发送别寥e 机虚拟仪表。为便予调试，这里除具鸯以上备 用方式外，还采用了仪表用l c d 直接湿示角度测童结果。 3 2 传感器输出信号 檄阻芯片i - 瑟, d c l 5 1 2 1 两毫桥分割输出共摸势薰争o 为2 。葶v 、差模分蠹 ( 吃群) 滠大为7 0 m v 的电照信号，加上传感器偏置电压，两电桥输出差分电压 分澍隽t 桥路a 输出差分电压范围$ 7 嘶v 鲻m v ； 薹5 两北工艘大学硕士学倥论文第三章磁阻角度传惑器蒸统硬件蠢诗与蜜现 桥路懿输戡羞分电压范圈；捌妇v 於懿； 速两路模拟信号幄篷较小，缳难直接采集，需要调理戚遣合嚣续单元楚理 的信号。 3 。3 传感器信号的调理 馕号调理是传感器与测量慕统巾非常重要的单元，主要针对蔗续数据采集 系统( d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，d a o s ) 的a d e 端霸需求进行调理，通常d a q s 的输入信号应该满足鸭 ( 熏) 输入信号登须楚横擞电滠信号。 圆赣a 薅母的动悫交纯范豳应犄舍蠛接邋剃p e 输入的动态范匿，戮蠖充 分剩用铷瞻的分辨率。 ( 3 ) a d c 的输入电阻足够，j 、，输入信号无损失。 ( 4 ) a d c 的采样频率魔该与传感器输入信号频率满避采样定律。 满足上述输入条件的德号调理霹分为邀平调节、线姓纯、滤波爱阻抗莲配、 形式交换、瑚和d a c 。本文主娶应用磁阻角度效应，不需要转感信号的线 性化；信号形式变化主要指为了远程传送所籍的电压，电流转换和电压，频攀转 换，蒸统未曾应用；a d c 与d a c 将在本文的d a o s 集成采集系统a d 麟2 的奔绣中详细讨论。这里，依次介缯系统中的电平调节、滤波及阻抗隧配。 3 。3 ，1 电平调节 a d 隧c 8 4 2 的动番输入范霹凳0 u 觏，零藜统的锄e 参考电平移鼬，为 5 v 。势7 提高累统灵敏度，充分剩用a d c 的分辨率，这里的氡擎调节主要是 指传蹲信号的放丈变换及越流偏置电压的添加。幽于霉尔传感器的输出信号较 大( o v , - s v ) ，不需要电平调节即可崖接睡配a d c 输入范圈，这里主要讲述磁 阻传感器件韵毫平满节。 瞧平调节圭要煮秃源电平调节电路鞠有澡电早调繁毫路之分。无源电潞一 般仅用于糖度要求不高的场合，工程应用中大量的电平调节采用的是以运算放 大器为核心的有源电路。运算放大器的主要技术指标有：开环增益4 、共模抑 制比e m 贼、输入阻抗琏、输融阻抗砭、频带宽度b w 和温度漂移。考虑捌这 些指标要求戳及磁隰髂感器输感信号的差努形式，本变选择单电源纹袭放大器 ( i n s t r u m e n t a t i o na m p l i f i e 0 放大磁阻传感器输出信号。 1 6 稽裁互遂大学矮士学链论文第三章磁黼角度榜感嚣系统硬僻设计与窝现 仪表放大器以差分信号输入，输出单端信号；输入阻抗为对称式，阻值较 丈；藏大增益可通过增益调节电阻方便设置，氨菲线性较低；共模抑制诧较高， 且髓增盏交大丽升高。 凰3 幢倪震蒇丈爨t d 8 2 3 撼掩衙圈 仪表放大器的具体实现电路很多，本文选用经典三运放式电路结构的仪表 放大器a d 6 2 3 。该放大器是一种低价格、真正单电源供电的高精度差分输入放 大器。除上述仪表放大器主要优点外，其输出还具蒋满幅( r a i l - t o 。r a i l ) 特性， 可充分题配d a q s 动态输入范围1 1 2 1 。其简化电路如图3 - 2 所示。 放大器电压输出玩辩为； 一( n 詈卜u 琳 睁 式中，疑为弱甏q r 巷为增益调节电臌；u 琳为放大器输出偏置参考电乎e 电压增益g 为； 船1 串堡= 1 丰塑 r 臻r 露 必氍配本文d a q s - - a d 譬c 8 4 2 掬矧隧输入范圈孵黝， 继信号蕊圈的特点，考虑到仪袭蔽太器a d 6 2 3 的输出电压幅撰 u o x - - 4 5 v ，放太器增益臻藏、镳璧参考毫孚鞑划应满足； 2 针对搀感器输 u o l - - 0 1 v ， 怒0 9 8 g 二：笼 给3 ， l 田。 u 粼“5 。 先镰涯测量精魔，在放大器最大输船幅摆蕊围内，增益越大越好。满足公 蹰北工业大学硕士学位论文第兰章磁阻角厦传感器累统硬件设计髻实现 式3 嘞的a 豁最大增益瓯和对应参考电平u 删分别为： 髋g ，- 2 7 5 2 0 2 5 v 争 lu 洲一 同理可褥b 路增益g 精和参考电平u 嘲轰： 嚣二二：2 。要5 v e