GW40型钢筋弯曲机的结构设计与运动分析【16张CAD图纸+PDF图】
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GW40
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16
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黄河科技学院毕业设计（文献翻译） 第 11 页基于三维静态磁场分析技术研究超小磁阻式传感器测量系统 在这项研究中,提出了一种建模过程中一个超小铁磁构件的磁电阻(GMR)传感器系统的概念。模型的目标是为高度集成的灵巧机器人的手设计合适的角度传感器系统。当其他磁场干扰主要的领域时,一个3 D的静态磁场分析建模是用来避免被过多的磁性强度和定向障碍损坏传感器。利用有限元结果,适当的形状和大小的铁磁组件进行了比较和优化。一个简化的信号处理电路也是如此给出了超小GMR传感器系统。 最后实验结果表明角精度小于1只有剩余偏移补偿超小GMR传感器系统的表达式。揭示了在理想尺寸下集成经验带来的挑战以获得所需的能力。1。介绍 一般来说,在各种不同的应用领域中进一步系统小型化肯定会创造一个连续的要求缩小的传感器函数1。当发展传感器测角信号微型系统时,显而易见,基本传感器有很多的局限性和缺陷(如大小,工作距离、准确性和抵消)来阻碍设计师完成所要求的规格。提高传感器的基本性能,其中的一种选择是去尝试提炼传感器本身使用更好的材料,生产方法等。这种选择一般一个比一个昂贵。另一种选择是将传感器放入系统,这个系统具有独特提高传感器性能的目的。一个传感器的研制重要趋势是已进入传感器系统2。因此,对于微机电系统(MEMS)的整合以及其他高度综合系统而言,进一步的缩放传感器系统是必须的。 作为一个磁场传感器,与其他种类的传感器相比GMR传感器提供了几个主要优点(例如灵敏度高、非接触式缩微尺寸安装和无损耗工作)3,4。然而,磁场感应系统不可避免地包含应用铁磁要求部分5。这些铁磁元件目前作为传感器本身的一部分,如在GMR传感器。这种传感器系统的结构是相当复杂的,他们的综合困难:如GMR传感器存在的问题,包括铁磁安装组件装配空间有限,以及工作铁磁构件和GMR之间的距离传感器芯片上,通常是1.5毫米或更久6 -8。注意,如果工作距离较小的情况下,磁性由铁磁构件强度通常是如此强大,它可以打破了它压层,这样的吗永久损坏传感器的元素。此外,独立于它们的源头GMR的传感器桥实际上转换为任何领域的方向对双组分信号9.当增加第二个磁场到主要领域时,产生的领域都重叠可能会导致严重的方向的角测量错误。这两个约束阻碍了应用GMR传感器的高度集成的领域。 在这项研究中,超小GMR传感器系统只有0.5毫米的工作距离,并推导出了由其他磁场迷失方向,避免了补偿根据三维静态磁场分析技术。本文首先介绍了GMR的概念传感器和有限元模型。其次,形状铁磁构件和大小进行了比较优化利用三维静态磁场分析结果。然后一个简化的信号处理电路连接方法。最后获得的实验结果与理论结果相比较。2。GMR传感器概念 巨大的磁电阻很大的改变意味着在磁性多层膜超薄电阻。这基本GMR教材建设包括一个压层和一个自由层,自由层会受磁场的影响。一个应用磁场足够的大小,范围大于饱和度领域的自由层和小于对峙领域为压层,将迫使自由层磁化跟随它在旋转。有一个固定的参层磁化和一个同步跟踪自由层磁化,相对于静止转子传感器,磁电阻是一个简单的余弦功能的角度。电阻R和一个自旋阀是相关的h之间的角度自由而磁压层在接下来的方程R/Rp=1+1/2GMR(1-cos) (1) 当两个磁化平行时,Rp是最小的阻力,GMR是最大的阻力.角度传感器是用来结合平面永磁绑在一个活动轴(转子),如图1。永磁磁化后生成一个领域,这个领域是平面上的传感器芯片和旋转的轴。这一领域使自由层磁化和转子旋转同相位。因此,输出信号是角的正弦函数。由于永磁、传感器设计和他们相同的轴向结构 , 磁铁及传感器间的距离,或工作的距离,确定了作用于自由层SV电阻器的磁场大小和分布。这基本要求的工作距离是作用于自由层最低的场是足够大的能够使其饱和,最高的场不会破坏参考层7.图13。有限元建模(FEM) 有限元建模的方法是基于离散化的解决方案将领域分成较小的地区。程序将使用麦克斯韦方程组为电磁场分析的基础。在磁的静校正问题,未知的数量(自由度)通常是磁矢量,并且用多项式的形函数的方法估计。其他磁场数量如磁场通量密度、磁性强度,电流密度、能源、力量、损失、电感和电容源自于自由度10。元素的尺寸必须有足够小提供足够的11精度。通过这种方式,微分方程组连续的问题可以转化为一个系统代数方程组为离散问题。这实际问题常需要几千未知的。然而,合适的数值技巧被开发了,能够在合理的时间解决这类系统,即使在个人电脑上使用。 作为一个高度集成的机电系统,机器人手必须完成复杂的任务,例如好的操纵,经常需要获得足够的准确的角信号来实现一些控制策略12。因此在传感器系统中摆角传感器是一个非常重要的角色,传感器系统及其信号精度直接影响控制效果。具有灵敏度高、缩微尺寸GMR传感器非常适合高度集成系统,像DLR/HIT五指灵巧机械手。 如上文所述,尽管GMR传感器有益处,但在高度集成应用中仍然有一些缺陷。因为在高度综合的系统工程中,它没有足够的空间来安装传感器和永久的磁铁,然后传感器系统设计应充分利用有限的空间。例如,在DLR/HIT五指灵巧机械手中,轴传感器和GMR晶片表面的距离只有0.5毫米(如图2)。通过机器结构,有两种类型的永磁体的运动轨迹可以嵌入到轴结束。一个圆柱体、另一个是立方体。为了确保足够的力量和避免的干扰,直径的圆柱永磁体的运动轨迹应小于或等于2.5毫米,立方体永磁应的长度小于或等于6毫米,双方厚度应小于或等于1毫米。面对有限的空间的问题和精确的角度信号需求,并考虑成本和时间对传感器的发展来说,先生产永磁然后通过测量仪器测量它是不行的。因此,我们提出了一个有效的方法:采用三维静态磁场分析技术设计的类型的永磁来保证适当的方向和大小的磁场领域。图2 为了不扰动磁场,动轴是采用非磁性不锈钢材料。那么模型可以简化,只有永久性的磁体进行了分析,分析计算的负担大大减轻了。这里分析的永久磁铁是由NdFeB35材料,剩磁等于1.2340 T和抗磁力等于11339 / m。三维有限元分析的圆形永磁磁体模型和一个立方体是分别建立的,它们的空间磁化矢量分布也显示。图3(a)显示一个空间磁化矢量分布所产生的钢瓶永磁(2.51mm),图3(b)代表一个空间磁化矢量分布产生的被一个立方体永磁(621mm)。从本图中,我们可以看出磁化矢量由立方体永磁比钢瓶永久性磁铁更平坦。这是因为这个立方体的长度永磁比钢瓶永久性磁铁。而GMR传感器芯片只有敏感芯片的平行层面,而不是吗波比晶片,所以立方体永磁体的运动轨迹比圆柱永磁申请吗GMR的传感器进行了论述。图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围内磁场强度的大小,这样可以避免传感器元素伤害和信号破坏。因此,分布磁性强度在有限的空间必须达到。幸运的是,3 D静态磁场分析技术可以让这些问题容易解决。在三维有限元软件的帮助下,我们获得三维磁场不同的永磁场分布类型。从单传感器芯片GMR号,我们知道工作范围都是从2388A/米到15920 A /米,即图4 ,5中的B和C。这意味着GMR的传感器芯片之间必须域B和C。图4显示一个空间分布的磁场强度级(上限飞机沿X = 0毫米和Z = 1毫米)所产生的一个立方体永磁体的尺寸是621mm. 从图上,就可以看出,大多数的GMR的传感器芯片范围在超过工作范围的A和B。因此GMR传感器芯片无法正常工作,我们必须找到一个方法使GMR传感器芯片在其工作范围,即范围B和C。图4图5 众所周知,磁场强度的大小可以通过减小永磁体的宽度和厚度而减小。基于三维静磁性分析技术,其大小可以一步一步的减少直到足够的磁场强度.而不是首先生产不同尺寸的永久磁铁,然后测量方法,最后,获得大小合适的永磁(如图5所示)。从图,我们可以看出整体GMR传感器芯片范围是在B和C之间,因此尺寸(621)是正确的,它可以产生足够的磁性强度。此外,模拟结果可以把其它永磁体放在工作范围之外从而避免影响。而且它也可以用来成功地补偿数字图像处理的偏差。4。信号检测和处理 以得到一个高的传感GMR的电阻变化信号的最好方式是建立一个单臂电桥和敏感的级差电压。在这种情况下,为获得最高的电阻变化两种截然相反的参考层是必要的(图6)。一座桥可以测量180 度角范围,因此有必要建立两个正交桥梁检测的角度0360。在这种情况下,我们一共需要四个不同磁化方向,这些方向确定角度方向的测量和旋转芯片的方向。图6 与此有关GMR资料的百分比大约是5%。这意味着振幅输出信号太小而不能满足高角度检测精度的需要,所以一双模拟乘数和四个低通滤波器的信号检测电路是用来提取信号的振幅和它的阶段。该结构的优点是简单,低元件,低成本,体积小。 以正弦信号为例,第一个低通滤波器有一个并联反馈电阻的电容器,所以电路在由公式Fc=1/(2 3dB)确定的3dB后有一个6dB. 输出电压下面这拐角频率由(2)式确定。这条电路可以被看作是一个在Fc之上很好分析的AC积分电路。然而,时域响应是一个一个单一的筋RC,而不是一个整体。由于偏置电流误差,并联组合的R3和R4的选用应等于并联组合R1和R2.放大器应该能够得到补偿,不论是增益的还是一个内部都可以使用的放大器. (2) 第二个过滤器是一种低通滤波由C2和R5形成的,可以模拟将噪音减少到最少和有效的限制了系统的有效谱域。因此这个过滤器的截止频率由公式FRC=1/(2R5C2)确定.5。实验结果由上述解释的方法发展的超小GMR传感系统满足了角测量的要求,并且提高了DLR/HIT 5指机器人的水平.(如图七所示)图7进行了实验来验证模型的正确性。一个恒定电压到桥(如图6),在一个共同的直流偏置一半的电压+ 3.3 v的作用下,输出电压Vsin_in是正弦函数而且Vcos_in是一个在角度GMR传感器芯片和转动轴之间的余弦函数. 通过正弦余弦曲线和理论(如图8),输出信号被一个微控制器捕获并在0.5mm的工作距离绘制。误差测量值和理论值也显示在图9。曲线圆圈代表与正弦误差和曲线二乘余弦误差。图8图9 根据这两个测量值的四象限倒数切线函数,这个角通过测量正余弦函数而提取。得到的角度没有不连续或死角超过满360(显示在图10)。图10 绝对的非线性的定义是:用一个统一的斜率表示偏离最佳线性的偏差。由于360的周期性ALL经常被选择。360度的一个旋转磁场测量结果表明在没有任何剩余的偏置补偿情况下ALL的误差是6度。如图(10)一个二次谐波的ALL被观察(冲曲线),这种ALL类型的来源是偏模增益和非正交传感器轴线。 可以看到ALL周期性的重复。因此,一个周期位移误差可使用补偿测量信号。偏移补偿后,角误差(实曲线)是小于1,即满足需求角的测量5指机械手和许多其他的应用。6。结论 基于三维静态磁场分析技术,超小GMR传感器系统只有0.5毫米的工作距离为DLR/HIT II 5指机器手最新开发的.通过上述实验结果,GMR的传感器系统的输出特性都获得了,如测量范围、准确性、工作距离和可重复性。它也有微尺寸、结构简单、可靠性高的特点,所有这些,弥补了传统测量传感器的缺点,如体积大、复杂性、成本较高的问题,严格要求的工作环境和装配难度。这项工作也已经为进一步研究磁传感器可用于微传感器系统微机电系统(MEMS)的和高度整合的系统建立了一个好的基础。参考文献1 基于壳聚糖纳米电子机械系统等问题 微机械电子学研讨会 2005 C.Hierold.C.Stampfer,T.Helbling,et al2 传感器微系统 第20界微电子国际研讨会 1995 R.S.Popovic,J.A3 磁敏传感器 汽车传感器与执行器应用 2001 C.P.O. Treuter4 鲁棒GMR传感器角检测和转速传感器与执行器 2001 C.Giebler,D.J5 磁传感器集成自我诊断 2006 Radivoje S.Popovic6基于磁连接使用电流环布局结构的传感器2008 G.Malinowski.M.Hehn.F.Montaigne7 360度旋转角度传感器SAF结构IEEE2005 D.X.Wang.J.
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