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各向異性磁阻傳感器實驗報告：各向異性磁阻傳感器特性實驗報告.docx

各向異性磁阻傳感器特性實驗報告
　　基礎(chǔ)物理學　　研究性實驗報告　　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：　　學院：航空科學與工程學院　　專業(yè)：飛行器設(shè)計與工程　　班級：　　XX年5月14日　　目錄　　摘要...............................................................................................................................1　　關(guān)鍵詞...........................................................................................................................1　　一、實驗要求...............................................................................................................1　　二、實驗原理...............................................................................................................1　　三、實驗儀器介紹.......................................................................................................2　　四、實驗內(nèi)容...............................................................................................................4　　1、測量前的準備工作.........................................................................................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、實驗感想.............................................................................................................11　　參考文獻.....................................................................................................................12　　附錄——原始實驗數(shù)據(jù)(影印版).....................................磁阻傳感器實驗報告：各向異性磁阻傳感器特性實驗報告.docx 第2張" title="各向異性磁阻傳感器實驗報告：各向異性磁阻傳感器特性實驗報告.docx 第2張-傳感器知識網(wǎng)"/>

各向異性磁阻傳感器實驗報告：基于各向異性磁阻效應(yīng)的地磁檢測模塊設(shè)計

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各向異性磁阻傳感器實驗報告：研究性實驗報告——各向異性磁阻傳感器與磁場測量.docx

北京航空航天大學研究性實驗報告
1
基礎(chǔ)物理學
研究性實驗報告
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    院：航空科學與工程學院
專    業(yè)：飛行器設(shè)計與工程
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、實驗要求  PAGEREF _Toc h 1
 HYPERlink l "_Toc" 二、實驗原理  PAGEREF _Toc h 1
 HYPERlink l "_Toc" 三、實驗儀器介紹  PAGEREF _Toc h 2
 HYPERlink l "_Toc" 四、實驗內(nèi)容  PAGEREF _Toc h 4
 HYPERlink l "_Toc" 1、測量前的準備工作  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、實驗感想  PAGEREF _Toc h 11
 HYPERlink l "_Toc" 參考文獻  PAGEREF _Toc h 12
 HYPERlink l "_Toc" 附錄——原始實驗數(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檢測與控制的領(lǐng)域。磁阻元件的發(fā)展經(jīng)歷了半導體磁阻（MR），各向異性磁阻（AMR），巨磁阻（GMR），龐磁阻（CMR）等階段。本實驗研究AMR的特性并利用它對磁場進行測量。
關(guān)鍵詞：AMR，磁阻效應(yīng)，電磁轉(zhuǎn)換，磁場測量
一、實驗要求
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
測量地磁場磁場強度，磁傾角，磁偏角
二、實驗原理
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電阻Rmax最大，電流與磁化方向垂直時電阻Rmin最小，電流與磁化方向成θ角時，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驗報告：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)參考文獻資料

導讀:此文是一篇磁阻傳感器論文范文,為你的畢業(yè)論文寫作提供有價值的參考。
王加熙　楊　明
（上海交通大學,上海 ）
摘 要：文章基于磁阻效應(yīng)設(shè)計非接觸式EPS角度傳感器,采用8位飛思卡爾MC9S08DZ60單片機為核心,配合CAN模塊設(shè)計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.理論分析和實驗表明該傳感器系統(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；CAN；角度傳感器；
中圖分類號：TP212　　文獻標識碼：A　　文章編號：1009-2374（2014）07-0014-04
1.　概述
電動助力轉(zhuǎn)向（Electric Power Steering,簡稱EPS）是利用電動機產(chǎn)生的動力協(xié)助駕車者進行動力轉(zhuǎn)向.其基本工作原理是：不轉(zhuǎn)向時,電動機不工作；當轉(zhuǎn)向時,傳感器將檢測到的動力作用于轉(zhuǎn)向盤上的信號傳送給ECU,ECU同時接收車速傳感器傳來的車速信號,ECU對輸入信號進行處理后,向電動機發(fā)出指令,電動機據(jù)此輸出與之相應(yīng)大小及方向的以產(chǎn)生助力,從而實現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向的實時控制.傳統(tǒng)的電動助力轉(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下降,從而影響整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能.我們設(shè)計的新型的非接觸式傳感器,利用磁阻效應(yīng)的原理,實現(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因為接觸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體的電阻值隨外加磁場變化而變化的現(xiàn)象.在達到穩(wěn)態(tài)時,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)導致載流子的漂移路徑增加.或者說,沿外加電場方向運動的載流子數(shù)減少,從而使電阻增加.這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng).
而當半導體所處外部磁場的磁場強度達到飽和的時候,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）.半導體與磁化方向平行時電阻Rmax最大,電流與磁化方向垂直時電阻Rmin最小,若電流與磁化方向成角θ時,電阻可表示為：
磁阻傳感器設(shè)計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,理論上是一個常數(shù),但實際會因溫度、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°,兩者都會給實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)動帶動電阻器上的滑動觸電,屬于絕對型接觸式傳感器,滑動觸點在運動過程中存在著機械摩擦,滑動觸點易磨損,并且工作時易產(chǎn)生噪聲,以及體積大不便于安裝等一系列缺點.
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,此時光敏元器件會接受到光照,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較高易于損壞的缺點.
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.缺點在于大量電子部件的存在使得電路的結(jié)構(gòu)龐大復雜,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)處理放大計算出轉(zhuǎn)角信號.優(yōu)點是磁敏感范圍較大,抗振動干擾和噪聲干擾的能力強,結(jié)構(gòu)牢固、體積小便于安裝,能夠在復雜惡劣的環(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)點是：抗噪聲抗震動能力強,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優(yōu)于其他類型,其耐污染、抗震動、抗噪聲能力強的優(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)生兩個獨立的三角函數(shù)輸出信號,一個是cos2θ,另一個是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)計方式的優(yōu)勢有效去除了計算轉(zhuǎn)角θ中K值對系統(tǒng)測量精度的影響,且便于開發(fā)實時的角度測量系統(tǒng).
但由于三角函數(shù)的周期性,導致該芯片計算角度時僅能實現(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)進行設(shè)計,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小齒輪,設(shè)大齒輪（主動齒輪）齒數(shù)為m,從動齒輪1齒數(shù)為m1,從動齒輪2齒數(shù)為m2.設(shè)主軸齒輪的行程為n周,則從動齒輪2在行程內(nèi)一共轉(zhuǎn)過（m*n/m2）*360°,從動齒輪1共轉(zhuǎn)過（m*n/m1）*360°,為了保證主軸在整個行程的絕對角位置與2個從動齒間的角位置關(guān)系一一對應(yīng),有
2.個KMT32B分別檢測出2個從動齒輪的角度,根據(jù)角度差值情況就能測得主動齒輪的角度值.
根據(jù)最后換算公式可知,當從動齒輪1和從動齒輪2差值越小,該角度測量系統(tǒng)的量程越大,主動齒輪與從動齒輪比值越大,傳感器體積越小；綜合考慮轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)尺寸大小,并且盡量讓兩個從動齒輪齒數(shù)接近,本文設(shè)定的兩個從動齒輪齒數(shù)分別為17,18；既M*n<,306；而設(shè)計的角度測量系統(tǒng)至少要能實現(xiàn)方向盤4圈角度的測量,而設(shè)計的角度測量系統(tǒng)至少要能實現(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
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單片機為核心,配合其中CAN模塊設(shè)計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)、單片機系統(tǒng)MC9S08DZ60、CAN通信網(wǎng)絡(luò)、EPS控制系統(tǒng).系統(tǒng)中2個磁阻元件將感受到的磁鋼位置的變化經(jīng)過信號預處理電路的調(diào)理后輸入到信號電子處理單元中進行實時的角度計算.電子處理單元依據(jù)事先植入的絕對角度算法程序計算并輸出方向盤的絕對轉(zhuǎn)角.
6.　實驗結(jié)果與分析
按照上面設(shè)計的系統(tǒng)研制出實際的轉(zhuǎn)角測量裝置,并在相應(yīng)的角度檢測設(shè)備上進行了實驗測試.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)進行角度測量的實驗結(jié)果見表1.由表可見全角范圍內(nèi),測量精度達到±0.9°.
經(jīng)過多次重復試驗,對數(shù)據(jù)進行分析后,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到一般車載EPS系統(tǒng)要求,且經(jīng)過多次重復實驗后所得數(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)計的角度傳感器系統(tǒng)的重復性很好,傳感器總體性能能夠很好地滿足車用傳感器要求.
實驗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,特別是其多圈角度測量的設(shè)計方案合理,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,上海交通大學自動化系工程師,研究方向：電氣工程與自動化專業(yè).
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