基于insbi的準全方位振動傳感器的設(shè)計

基于insbi的準全方位振動傳感器的設(shè)計

0磁阻式振動傳感器在日常生活、工程和生產(chǎn)中，振動是普遍存在的。人們使用if-in磁阻振動傳感器可以進行報警和檢測，該傳感器可用于工程機器的振動檢測、車輛盜竊警報、振動鎖定、自動控制開關(guān)等。但是,制成的這種傳感器存在檢測方位范圍單一的缺陷,只有一個基準方位,僅可檢測鐵磁滾珠垂直該方位運動的振動。為了擴大磁阻式振動傳感器的檢測方位范圍,增強其實用性,本文研制了二維InSb-In磁阻式振動傳感器。這種傳感器將檢測方位范圍由一維擴展到二維平面,以空間中的2個垂直方向為基準方位來檢測鐵磁滾珠運動。對該傳感器的性能進行測試,結(jié)果表明:待測振動強度上升至1m·s-2的過程中,傳感器輸出信號與待測強度基本成線性關(guān)系,即隨加速度的增加而逐步增大;待測振動強度達到1m·s-2后,輸出信號保持穩(wěn)定。此工作性質(zhì)由該傳感器的特殊結(jié)構(gòu)決定,使其在實際應(yīng)用中防沖擊、防破壞、性能良好,即使受到較大的撞擊,傳感器依然保持輸出正常穩(wěn)定,比較適用于防盜報警。同時,采用單片機匯編語言編制的程序處理信號,使傳感器的檢測性能優(yōu)于普通振動傳感器。1載流子引起電阻的變化二維InSb-In振動傳感器工作原理的理論基礎(chǔ)是磁阻效應(yīng),它指某些半導(dǎo)體材料電阻值隨外加磁場強弱不同而變化。通有電流的半導(dǎo)體材料放于磁場中,并且,使磁場方向與其電流方向垂直,由于洛倫茲力作用,載流子方向改變,路徑加長,從而阻值改變。對于2種載流子(電子和空穴)的遷移率十分懸殊的半導(dǎo)體材料,其中,遷移率較大的一種載流子引起的電阻變化可表示為(ρB-ρ0)/ρ0=Δρ/ρ0=0.275μ2B2,式中B為外加磁場的磁感應(yīng)強度,T;ρB和ρ0分別表示磁感應(yīng)強度為B和0時的電阻率;μ為該種載流子的遷移率。采用薄膜工藝制造InSb-In共晶體,其電阻變化率高,克服了傳統(tǒng)工藝的許多缺點,節(jié)約材料和提高了效率。2振動傳感器的結(jié)構(gòu)為了可以全方位檢測到物體的振動,本文研制了一種新型的InSb-In磁阻式振動傳感器。它由兩組對稱軸方向互相垂直的磁敏元件構(gòu)成,結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,每組磁敏電阻各含有2個InSb-In磁敏元件MR1,MR2與MR3,MR4,中間用環(huán)氧樹脂密封隔離。這兩對磁敏元件的對稱軸在水平方向互相垂直,以空間中的2個垂直方向為基準方位來檢測鐵磁滾珠運動,擴大了只用一對磁敏元件制成的振動傳感器(稱為原磁阻振動傳感器)的檢測范圍。環(huán)氧樹脂用于粘著、隔離上方磁敏元件。引腳1～3分別為下方MR3與MR4的電源線、地線、信號輸出線,引腳4為上方MR1與MR2的信號輸出線。MR1,MR2與MR3,MR4共用一根地線和一根電源線。這樣,由共同電源提供電壓,振動產(chǎn)生的電信號經(jīng)過上下部分的磁敏元件組,分別由不同的2個引腳輸出,從而反映出磁敏元件阻值變化。二維InSb-In磁阻式振動傳感器的整體結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示,由鐵磁性金屬滾珠、內(nèi)球面狀支撐片、磁敏元件(MR1,MR2和MR3,MR4)、環(huán)氧樹脂層、永久磁鐵、起屏蔽保護作用的金屬外殼等組成。其中,MR1,MR2是一對阻值大致相等的磁敏元件,MR3和MR4關(guān)系亦如此。永磁鐵發(fā)出的磁力線在空間發(fā)散,有一部分穿越磁敏電阻和金屬滾珠,且分布基本對稱。振動傳感器受到任意振動或移動的擾動時,金屬滾珠會在空腔中任一方向移動,使磁力線分布改變,導(dǎo)致磁敏元件MR1,MR2與MR3,MR4上的偏置磁場發(fā)生不同變化。由InSb-In共晶體的磁敏效應(yīng)引起磁敏元件的電阻值改變,輸出隨之而變化的電信號,從而檢測到振動或移動。3振動傳感器的二維處理原理3.1滯回比較器門限影響的確定圖2為二維InSb-In振動傳感器處理信號的過程示意圖。圖中,采用低噪聲集成運算放大器,其中,IC1～IC4為二階放大濾波器,IC5為實現(xiàn)輸入信號疊加的加法器,IC6為滯回比較器。振動傳感器將兩組磁敏元件感應(yīng)到的振動信號分別轉(zhuǎn)化為微弱電信號,并分別通過IC1與IC2,IC3與IC4進行放大,形成可用電信號,然后,通過加法器IC5,使MR1,MR2與MR3,MR4輸出的模擬電信號進行疊加,形成一路完整的振動模擬信號,最后,這路模擬信號通過比較器IC6變?yōu)榫匦尾ㄐ盘?。為剔除偶然振?還將用單片機判斷。實驗表明:滯回比較器門限變化寬度一般可選擇在500～800mV范圍內(nèi)。并且,本實驗電路增益保持在70～80dB之間,從信號電路OUT1,OUT2端處觀察到,兩路輸出信號相位差隨機分布在0°～180°之間。3.2振動傳感器測試InSb-In磁阻式振動傳感器靈敏度很高,實際應(yīng)用中,對微弱的偶然振動易產(chǎn)生誤報,用單片機P87LPC760進行信號處理。P87LPC760屬OTP單片機,其執(zhí)行命令速度高,且可大大減少元件數(shù)目和電路板面積。判斷處理信號過程:比較器IC6輸出脈沖信號時,單片機立即對其進行采樣,并在0.5s時段內(nèi)記錄輸出的脈沖個數(shù)。若方波脈沖個數(shù)不小于3個,則認為該時間段內(nèi)振動信號有效,記為實信號輸出;反之,虛信號輸出。然后,每隔20ms對振動傳感器進行連續(xù)4次的0.5s時段采樣,并判斷每0.5s采樣段內(nèi)輸出信號的實虛情況;若2次有實信號輸出,則為真觸發(fā),啟動應(yīng)用系統(tǒng)。由于單片機的使用,大大增強了信號處理過程的準確和實用性。4vb處總輸出信號vo為實現(xiàn)對振動傳感器的磁敏電阻總輸出信號的測量,需要在圖2中的OUT3端取出有用信號,通過計算得到圖2中Va,Vb處總輸出電信號Vo的大小,這里,Vo為字符變量,表示磁頭的Va,Vb處輸出信號的疊加結(jié)果。其中,采用中頻振動標準裝置來檢測InSb-In振動傳感器,采用該系統(tǒng)對傳感器輸出信號與振動強度大小之間的關(guān)系、機械振動通頻帶寬等特性進行了測試,其測量精度為2%。4.1噪聲峰峰值分布隨機選取8只磁敏元件,分別在圖2中的Va,Vb處測量噪聲。測量結(jié)果表明:MR1,MR2磁敏元件噪聲峰峰值在43.25～45.16μV之間變化,平均值約為44μV;磁敏元件MR3與MR4產(chǎn)生的噪聲峰峰值在38.67～41.58μV范圍內(nèi),其平均值約為40μV。4.2t.3t最大的為3.2倍隨機選取1只InSb-In振動傳感器,其中的磁敏元件靈敏度在0.3T下為3.2倍。使待測信號的0振動頻率保持在160Hz不變,改變檢測振動強度,計算Vo在不同振動強度時的峰峰值VP-P,得出磁敏元件輸出信號與振動強度的關(guān)系如圖3所示。4.3振動信號的峰峰值vp-p保持振動強度不變,即a=0.98m·s-2=0.1gn不變,而振動檢測頻率f從0～900Hz變化,得出磁敏元件輸出總信號Vo的峰峰值VP-P,其關(guān)系如圖4所示。從圖形中可以看出:傳感器機械振動有效頻帶不窄于4～760Hz,當振動頻率保持在該區(qū)間,磁敏元件輸出的總信號Vo經(jīng)放大后,可由滯回比較器轉(zhuǎn)化為矩形波信號,即傳感器能檢測到振動信號。在通頻帶范圍內(nèi),經(jīng)換算,靈敏度約為16mV/gn,將信號Vo的峰峰值VP-P和前面得到的噪聲信號峰峰值相比,得此時信噪比為30～32dB。5機械頻率檢測新型二維InSb-In振動