《磁电阻传感器的理论分析以及应用案例》1900字

磁电阻传感器的理论分析以及应用案例综述1.1磁电阻响应分析1.1.1磁电阻曲线分析磁电阻与磁场函数方程带入到origin软件进行仿真有： （1.1）图4-1低磁场条件下磁电阻曲线由图像4-1可知道，外磁场对磁电阻存在影响。对于小于0.12T的磁场，我们可以观察到负磁电阻随着外磁场的增大而急剧增大。对于大于0.12T的磁场，负磁电阻随着外磁场增大而缓慢的增大。1.1.2磁电阻参数分析图4-2模拟结果不同低磁场条件下磁电阻曲线由图像4-2（a）可知道，β参数会影响磁电阻性能。在相同的外磁场下，当β增大时，磁电阻会随着β的增大而快速增大。此时，我们可以进一步的提高低磁场磁电阻的线性度。图像4-2（b）C参数会影响磁电阻性能，在相同外磁场的下，当C增大时，磁电阻会随着C的增大而平缓的增大。此时，我们可以进一步增大磁场的线性度区域。图像（c）D参数会影响磁电阻性能，在相同外磁场的下，当D增大时，磁电阻会随着D的增大而快速的增大。此时，我们可以进一步增大磁场的线性度区域。1.2磁电阻灵敏度响应分析图4-5低磁场条件下LSMO磁电阻灵敏度曲线分析图4-5在低磁场区，我们可以清晰的看到MR的一阶导数随着H的增大而急剧增大。在0.12T时，将会达到每特斯拉3%灵敏度最高值。进一步增加磁场将会导致一阶导数减少。对于外磁场大于0.12T，磁电阻灵敏度呈线性场变化。1.3磁电阻的标定1.3.1磁电阻的工作点负磁电阻在大于0.12T时，其磁电阻效应呈线性变化，由于磁电阻在应用时对该材料不容易区分磁电阻的正负，我们需要对磁电阻进行标定。我们规定将在外磁场0.25T时，该点为该磁电阻的工作点，当小于0.25T时，我们将其规定为磁电阻的N极。当外磁场大于0.25T时，我们规定为磁电阻的S极。0.15T～0.35T为磁电阻传感器的工作区间。图4-6磁电阻对零点的标定1.3.2偏置磁场的标定利用永磁铁实现对LSMO磁场偏置，采用0.25T作为磁场偏置，用外磁场对偏置磁场发生磁场的控制，来实现磁电阻处在线性区域。当无永磁铁时候，外加磁场增大时，电阻变化无规则，不能辨认磁场的方向。而当我们加入外磁场时，传感器在两边产生双极输出信号。当偏置磁场的方向与外磁场相同的时候，电阻会增大；当偏置磁场的方向与外磁场的方向反平行时，会抵消偏置磁场，电阻会减小。1.4磁电阻电桥电路图4-7磁电阻的单臂电桥布局如图4-7可见，采用最常见的电阻电桥布局方式，由四个相同电阻组成的桥臂，E提供输入电源，U0为输出的电压。单臂上的R1覆盖上一层磁电阻层，构成单臂工作片电桥。其中磁电阻的偏置磁场为0.25T，当加入外磁场大于0.25T,且与偏置磁场反向，磁电阻呈现正磁电阻。△R1是加入磁场后R1的变化量。但此时，磁电阻电桥会失衡。单臂电桥传感器的输出电压为：（1.2）因为要使得直流电桥的平衡，所以 （1.3）将公式（4-3）带入到（4-2）中，且△R1<<R1,所以忽略分母中的△R1/R1得到单臂磁电阻电桥输出电压： （1.4）其中单臂电桥的电压灵敏度为 （1.5）为了最大的电压灵敏度，我们使得R1/R2=1、R1=R2、R3=R4，则单臂的最大输出电压以及电压灵敏度分别为： （1.6） （1.7）但是电路中单臂电桥的线性度比较差，为了使得我们设计出来的传感器灵敏度较高，所以我们采用了半桥磁电阻传感器。在R1、R2分别附上磁电阻敏感单元。其中R1、R2上敏感单元的偏置磁场工作点为0.25T,当外磁场与偏置磁场反向时，R1的磁电阻呈现正磁电阻。而R2的偏置磁场与R1的偏置磁场相反，使得在加入同等磁场的情况下，R2呈现负磁电阻效应。如图1.8图4-8磁电阻的半桥布局半桥电桥的输出电压为： （1.8）按等臂电桥：R1=R2=R3=R4,△R1=△R2=△R可以得到半桥电路输出和电压灵敏度别为： （1.9） （1.10）在这里磁电阻半桥电路与磁电阻单臂电桥为两倍的关系，且没有线性的误差。为了进一步提高磁电阻传感器的灵敏度，采用了磁电阻全桥布局，如图4-9。将R1与R4放置正磁电阻，而将R2与R3放置负磁电阻。图4-9磁电阻的全桥布局全桥电路的电压输出则有： （1.11）按照对臂同性，邻臂异性原则，因此△R1=△R2=△R3=△R4，全桥的电压输出函数和电压灵敏度函数分别为： （1.12） （1.13）分析公式（1.6）、（1.12），全桥输出电压灵敏度会是单臂的四倍，并且没有非线性的误差。下面将采用磁电阻全桥电路进行应用。1.5磁测量传感器的应用为了让传感器在零点的位置有良好的线性度，我们采用全桥磁电阻电路如图4-9。在偏置磁场的作用下，经过（3-21）公式的变化磁电阻可以表示为： （1.14）带入图4-6标定磁电阻标定数据可得经过磁场偏置下的磁电阻： （1.15）对磁电阻全桥通入大于0.25T外磁场后，磁电阻R1与R3会增大，磁电阻R2与R4会减小；反之通入小于0.25T外场，磁电阻R1与R3会减小，磁电阻R2与R4会增大： （1.16）其中Hx表示通入的外磁场大小的改变量，大小不得超过|Hx|<0.2T，D’表示