TMR效应在时栅传感器中的应用

魏家琦， 田 跃， 张 超， 张 波

(北京科技大学 弱磁检测及应用工程技术研究中心，北京 100083)



TMR效应在时栅传感器中的应用

魏家琦， 田 跃， 张 超， 张 波

(北京科技大学 弱磁检测及应用工程技术研究中心，北京 100083)

现有时栅主要还是利用变耦合系数变压器的原理，采用缠绕感应线圈于测头上的方法来提取测头与齿之间磁耦合系数变化的信号。但实验表明：这种方法所提取到的电信号相对较弱而且检测距离极小。为了解决上述问题，又提出一种基于隧道磁阻(TMR)磁性隧道结的信号提取方法，TMR是一种对于微弱磁场变化有着极高灵敏度的磁阻效应，在实验中通过这种方法取得了良好的效果，提高了检测距离以及信号幅值。

时栅； 磁耦合系数； 隧道磁阻

0 引 言

随着科技的不断进步，工业生产及教学科研对于位移测量的精度要求也在不断提高。超声波技术、磁致伸缩技术、光纤技术等被大量应用于位移测量传感器中。由于光栅精度较高且目前技术较为成熟，成为当下应用最广泛的栅式传感器，但仍有许多缺点,其根本原因在于栅线数难以进一步提高,只能依靠复杂的电子倍频细分电路，除结构复杂、成本提高外,对光栅的运动速度还附加了限制,必须运行平稳、无突变和相对低速等[1]。与其他严重依赖高精度空间刻划的位移测量方法不同，时栅传感器将对于空间的划分转变为对时间的细分，从而彻底摆脱了长时间以来位移测量领域的惯有思路。

时栅采用了“时空转换”的思维方式,用时间量去完成空间位移测量。最初的单齿式机械时栅初步实现了“无刻线分度器件进行角度测量”和“以时间测量空间”的功能，但还有严重缺点即V的恒定性，直接影响测量精度，电机加单齿引起的振动、摩擦、空气阻力都会影响测量精度[2]。后来的场式时栅则克服了诸多缺陷，利用旋转磁场速度上的稳定性以及带来的机械结构上的简化使时栅得到了更好的实际应用效果。但是旋转的磁场是通过电机内分布的线圈产生的，所以从某种意义上来说，场式时栅是将光栅的空间均匀刻划难题,转移到了电机均匀开槽的难题上[3]。比之两者，变耦合系数时栅则更好地解决了这些问题。

1 现有变耦合系数式时栅位移传感器

变耦合系数式时栅位移传感器基本结构如图1所示，转子转轴有上下两组线圈缠绕，每组分别由激励线圈和感应线圈组成，并且转轴中间隔离了磁场，使得两组线圈互不干扰。

图1 变耦合系数式时栅位移传感器图Fig 1 Time grating distance sensor with variable coupling coefficient

(1)

由于下面一组端面齿与上端面齿错开了半个齿的角度，感应线圈II产生的另一路拍频驻波信号为

(2)

由上述公式可以看到磁路的变化调制了感应线圈所产生信号的幅值，且由于上下2组端面齿错开了半个齿宽，感应线圈I和II信号幅值的变化也产生了90°的位相差。仔细观察2组感应信号的表达式，可以看到，通过式(3)这个简单的“和差化积”三角函数变换公式，可以得到叠加后的信号如式(4)

Asinα·Bcosβ+Acosα·Bsinβ=

Ksin(α+β)

(3)

(4)

由此得到了能反映齿轮空间位置的电行波。由式(4)可知，由2组拍频驻波叠加得到的电行波频率和激励线圈内的激励信号频率相同，相位则由动定齿的相对位置x/w决定。最后通过单片机捕捉到电行波与一路激励信号的过零点时间差，同时利用高频精密时钟脉冲插补，相位差即可以由脉冲数来表示，也就是转变为了时间量。时栅转台以时栅角位移传感器为技术核心，可以实现高精度分度定位[4]，通过时栅转台定位后，精确的时空转换也就形成了。通过上述过程，动齿转动的角度转换为了时间量，实现了用时间量来表征空间量的最终目的，而插补时钟频率越高，分辨率就越高，即相当于对时间进行了精密的划分，摆脱了长期以来位移测量对于空间高精度划分的依赖。

实验发现，现有的变耦合系数式时栅仍有较多的问题存在，首先，拍频驻波的幅值很小，要提高信号幅值必须增大激励线圈和感应线圈的匝数，但是由于激励信号和感应信号均为交流信号，匝数的提升势必反过来影响感应信号的质量；其次，由于拍频驻波幅值很小，动定齿之间的距离不能太大，仅能处于1 mm内，机器的振动和使用环境的不稳定性就对时栅的应用产生了极大的限制。同时在对大型中空设备转动角度的测量中，无法采用这种集中包绕线圈结构的时栅。

2 隧道磁电阻效应传感器

隧道磁阻(tunnel magneto resistance，TMR)元件是近期开始在工业中应用的新型磁电阻效应传感器，其核心是磁性隧道结，磁性隧道结是绝缘层薄膜夹在铁磁层薄膜中间构成的三明治结构[5]，利用磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应对磁场进行感应，相比已经发展较长时间、成熟度较高的AMR元件和GMR元件对于磁场有更高的灵敏度。TMR元件与GMR,AMR和霍尔元件相比有更好的温度稳定性，在灵敏度、功耗、线性度方面也有很大的优势，且不需要霍尔元件中的聚磁环结构和AMR元件中的set/reset线圈结构。

TMR齿轮传感器工作原理如图2所示，永磁体会在其表面附近产生磁场，当齿轮转动时，TMR芯片所处位置的磁场就会发生周期性的变化，其输出是类似正弦的一组电压信号。

图2 TMR齿轮传感器工作原理Fig 2 Working principle of TMR gear sensor

3 TMR和时栅位移传感器的结合

TMR齿轮传感器可以替代线圈，通过直接感应磁场的变化来调制输出信号，而通过电磁有限元分析软件Ansoft Maxwell对TMR齿轮传感器建模，进一步分析发现不同的齿距对于TMR齿轮传感器的输出有较大的影响，图3为不同的齿距下，TMR传感器输出的仿真结果(标准齿距等于TMR传感器内部元件排布距离)。

图3 不同齿距下TMR传感器的仿真输出结果Fig 3 Simulation output result of TMR sensor with different gear distance

图3可以看到,齿轮齿距如果与标准齿距相同，TMR传感器模拟仿真输出为较为标准的正弦波，而当齿轮齿距与TMR芯片不匹配时时，传感器输出信号与标准正弦相比会产生较大的偏差。所以，本实验中采用了配套的齿轮进行检测。

基于上述分析，本文设计了新型的时栅原始信号提取传感器，基本结构如图4(a)所示，探头的信号提取端核心是TMR齿轮芯片，芯片内部是4个TMR元件组成的推挽式结构全桥。其原理及实际TMR元件分布位置如图4(b)所示。

图4 基本结构Fig 4 Fundamental structure

从图4(b)可以看到由于R1和R4处于与齿轮转动方向垂直的一条直线上，所以其所处位置磁场强度在其敏感方向的分量是完全相同的,R2和R3亦是同样的情况，如图所示，进一步将其分解为共模分量Hc和差模分量Hd的组合，当共模磁场分量作用于芯片时，4个TMR元件的电阻值发生同样的变化，芯片的差分输出不受其影响，所以,TMR芯片2路的输出以及最终的差分输出量表达式为

(5)

(6)

(7)

式中 S为4个TMR元件对于磁场的电阻变化率，R为TMR元件的基础阻值，Hc和Hd分别为共模磁场和差模磁场。可以看到，传感器的输出量反映的是差模磁场的大小，不受外界背景磁场的影响，所以，全桥推挽式设计不仅放大了传感器的输出信号，更重要的是增强了其对于外界磁场的抗干扰能力。

当为全桥差分式TMR齿轮芯片施加交流激励信号后，通过齿轮与磁铁间磁场的变化调制输出，便可得到时栅测头的初始拍频驻波信号。但由于TMR芯片敏感方向的初始偏置磁场不为零，即未受齿轮调制时初始差分输出不为零，这对于后续的信号采集处理带来了不便，为了进一步优化调整输出信号，本文对芯片的2路输出通过电路处理调零，并最终得到了较好的效果。电路基本原理图如5。

图5 信号处理电路Fig 5 Signal processing circuit

信号处理分为两部分，一部分为正余弦激励信号发生电路，同时输出正弦与余弦信号；另一部分为芯片输出校准电路，通过运放跟随的方法隔离了TMR芯片内部电阻对于外部校准电路的影响后，再通过分压电路调整2路输出使其相等，这样就修正了偏置磁场对于TMR芯片的影响。

当给全桥推挽式TMR元件组供以交流电时，随着齿轮的转动，变化的磁场对其输出信号产生幅值调制，探头就会输出一路拍频驻波，在不经过运算放大的情况下，原始信号幅值较大，且得益于全桥差分输出结构对于外界磁场的抗干扰能力，传感器输出信号噪声较小如图6所示。

图6 输出拍频驻波Fig 6 Standing wave with beat frequency

4 结束语

随着TMR和巨磁阻抗(GMI)效应的出现，磁敏传感器在很多应用中可以满足更高精度的要求，磁敏传感器的应用范围得到了更进一步的扩展。时栅传感器经过不断的发展，在制作工艺、使用环境以及分辨率等方面有了极大的提升，而磁敏传感器与时栅的结合，正是合理利用了各自的优点，有着令人看好的前景。

[1] 彭东林，刘小康，张兴红，等.时栅位移传感器研究[J].重庆工学院学报， 2006(5):2-3.

[2] 彭东林，刘小康，张兴红，等.时栅位移传感器原理与发展历程[J].重庆理工大学学报:自然科学版,2010(10):43-44.

[3] 杨 伟，彭东林，朱 革，等.基于变耦合系数变压器原理的时栅位移传感器设计[J].仪器仪表学报,2006(11):1403-1404.

[4] 杨继森，何 建，彭东林，等.基于STM32的时栅转台高精度自动标定系统设计[J].传感器与微系统,2014,33(3):107-108.

[5] Yuasa S,Matsumoto R,Fukushima A,et al.Giant tunneling magnetoresistance in mgo-based magnetic tunnel junctions and its industrial applications[C]∥Nanotechnology Materials and Devices Conference,Gyeongju,Korea:IEEE Nanotechnology Council,2006:186-187.

Application of TMR effect in time grating sensor

WEI Jia-qi, TIAN Yue, ZHANG Chao， ZHANG Bo

(Engineering Research Center of Detection and Application for Weak Magnetic Field, University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)

Existing time grating is based on the principle of variable coupling coefficient transformer that adopt the method of winding coil around the detecting probe to extract signal of magnetic coupling coefficient variation between detecting probe and gear.But experiment shows that the extracted electrical signal extracted by this method is relative weak,meanwhile,the detection distance is extremely small.To solve the above problems,a new method of signal extraction based on tunnel magneto resistance(TMR) is presented.TMR is a kind of magnetoresistance effect,which has a very high sensitivity for weak magnetic field,variation good effect are achieved by this method in experiment and detection distance as well as signal amplitude are improved.

time grating; magnetic coupling coefficient; tunnel magneto resistance(TMR)

2015—11—09

10.13873/J.1000—9787(2016)10—0145—03

TP 212

A

1000—9787(2016)10—0145—03

魏家琦(1990-)，男，山西朔州人，硕士，主要研究方向为磁敏材料及其应用。