《磁電阻傳感器的理論分析以及應(yīng)用案例》1900字

磁電阻傳感器的理論分析以及應(yīng)用案例綜述1.1磁電阻響應(yīng)分析1.1.1磁電阻曲線分析磁電阻與磁場(chǎng)函數(shù)方程帶入到origin軟件進(jìn)行仿真有： （1.1）圖4-1低磁場(chǎng)條件下磁電阻曲線由圖像4-1可知道，外磁場(chǎng)對(duì)磁電阻存在影響。對(duì)于小于0.12T的磁場(chǎng)，我們可以觀察到負(fù)磁電阻隨著外磁場(chǎng)的增大而急劇增大。對(duì)于大于0.12T的磁場(chǎng)，負(fù)磁電阻隨著外磁場(chǎng)增大而緩慢的增大。1.1.2磁電阻參數(shù)分析圖4-2模擬結(jié)果不同低磁場(chǎng)條件下磁電阻曲線由圖像4-2（a）可知道，β參數(shù)會(huì)影響磁電阻性能。在相同的外磁場(chǎng)下，當(dāng)β增大時(shí)，磁電阻會(huì)隨著β的增大而快速增大。此時(shí)，我們可以進(jìn)一步的提高低磁場(chǎng)磁電阻的線性度。圖像4-2（b）C參數(shù)會(huì)影響磁電阻性能，在相同外磁場(chǎng)的下，當(dāng)C增大時(shí)，磁電阻會(huì)隨著C的增大而平緩的增大。此時(shí)，我們可以進(jìn)一步增大磁場(chǎng)的線性度區(qū)域。圖像（c）D參數(shù)會(huì)影響磁電阻性能，在相同外磁場(chǎng)的下，當(dāng)D增大時(shí)，磁電阻會(huì)隨著D的增大而快速的增大。此時(shí)，我們可以進(jìn)一步增大磁場(chǎng)的線性度區(qū)域。1.2磁電阻靈敏度響應(yīng)分析圖4-5低磁場(chǎng)條件下LSMO磁電阻靈敏度曲線分析圖4-5在低磁場(chǎng)區(qū)，我們可以清晰的看到MR的一階導(dǎo)數(shù)隨著H的增大而急劇增大。在0.12T時(shí)，將會(huì)達(dá)到每特斯拉3%靈敏度最高值。進(jìn)一步增加磁場(chǎng)將會(huì)導(dǎo)致一階導(dǎo)數(shù)減少。對(duì)于外磁場(chǎng)大于0.12T，磁電阻靈敏度呈線性場(chǎng)變化。1.3磁電阻的標(biāo)定1.3.1磁電阻的工作點(diǎn)負(fù)磁電阻在大于0.12T時(shí)，其磁電阻效應(yīng)呈線性變化，由于磁電阻在應(yīng)用時(shí)對(duì)該材料不容易區(qū)分磁電阻的正負(fù)，我們需要對(duì)磁電阻進(jìn)行標(biāo)定。我們規(guī)定將在外磁場(chǎng)0.25T時(shí)，該點(diǎn)為該磁電阻的工作點(diǎn)，當(dāng)小于0.25T時(shí)，我們將其規(guī)定為磁電阻的N極。當(dāng)外磁場(chǎng)大于0.25T時(shí)，我們規(guī)定為磁電阻的S極。0.15T～0.35T為磁電阻傳感器的工作區(qū)間。圖4-6磁電阻對(duì)零點(diǎn)的標(biāo)定1.3.2偏置磁場(chǎng)的標(biāo)定利用永磁鐵實(shí)現(xiàn)對(duì)LSMO磁場(chǎng)偏置，采用0.25T作為磁場(chǎng)偏置，用外磁場(chǎng)對(duì)偏置磁場(chǎng)發(fā)生磁場(chǎng)的控制，來實(shí)現(xiàn)磁電阻處在線性區(qū)域。當(dāng)無永磁鐵時(shí)候，外加磁場(chǎng)增大時(shí)，電阻變化無規(guī)則，不能辨認(rèn)磁場(chǎng)的方向。而當(dāng)我們加入外磁場(chǎng)時(shí)，傳感器在兩邊產(chǎn)生雙極輸出信號(hào)。當(dāng)偏置磁場(chǎng)的方向與外磁場(chǎng)相同的時(shí)候，電阻會(huì)增大；當(dāng)偏置磁場(chǎng)的方向與外磁場(chǎng)的方向反平行時(shí)，會(huì)抵消偏置磁場(chǎng)，電阻會(huì)減小。1.4磁電阻電橋電路圖4-7磁電阻的單臂電橋布局如圖4-7可見，采用最常見的電阻電橋布局方式，由四個(gè)相同電阻組成的橋臂，E提供輸入電源，U0為輸出的電壓。單臂上的R1覆蓋上一層磁電阻層，構(gòu)成單臂工作片電橋。其中磁電阻的偏置磁場(chǎng)為0.25T，當(dāng)加入外磁場(chǎng)大于0.25T,且與偏置磁場(chǎng)反向，磁電阻呈現(xiàn)正磁電阻?！鱎1是加入磁場(chǎng)后R1的變化量。但此時(shí)，磁電阻電橋會(huì)失衡。單臂電橋傳感器的輸出電壓為：（1.2）因?yàn)橐沟弥绷麟姌虻钠胶?，所? （1.3）將公式（4-3）帶入到（4-2）中，且△R1<<R1,所以忽略分母中的△R1/R1得到單臂磁電阻電橋輸出電壓： （1.4）其中單臂電橋的電壓靈敏度為 （1.5）為了最大的電壓靈敏度，我們使得R1/R2=1、R1=R2、R3=R4，則單臂的最大輸出電壓以及電壓靈敏度分別為： （1.6） （1.7）但是電路中單臂電橋的線性度比較差，為了使得我們?cè)O(shè)計(jì)出來的傳感器靈敏度較高，所以我們采用了半橋磁電阻傳感器。在R1、R2分別附上磁電阻敏感單元。其中R1、R2上敏感單元的偏置磁場(chǎng)工作點(diǎn)為0.25T,當(dāng)外磁場(chǎng)與偏置磁場(chǎng)反向時(shí)，R1的磁電阻呈現(xiàn)正磁電阻。而R2的偏置磁場(chǎng)與R1的偏置磁場(chǎng)相反，使得在加入同等磁場(chǎng)的情況下，R2呈現(xiàn)負(fù)磁電阻效應(yīng)。如圖1.8圖4-8磁電阻的半橋布局半橋電橋的輸出電壓為： （1.8）按等臂電橋：R1=R2=R3=R4,△R1=△R2=△R可以得到半橋電路輸出和電壓靈敏度別為： （1.9） （1.10）在這里磁電阻半橋電路與磁電阻單臂電橋?yàn)閮杀兜年P(guān)系，且沒有線性的誤差。為了進(jìn)一步提高磁電阻傳感器的靈敏度，采用了磁電阻全橋布局，如圖4-9。將R1與R4放置正磁電阻，而將R2與R3放置負(fù)磁電阻。圖4-9磁電阻的全橋布局全橋電路的電壓輸出則有： （1.11）按照對(duì)臂同性，鄰臂異性原則，因此△R1=△R2=△R3=△R4，全橋的電壓輸出函數(shù)和電壓靈敏度函數(shù)分別為： （1.12） （1.13）分析公式（1.6）、（1.12），全橋輸出電壓靈敏度會(huì)是單臂的四倍，并且沒有非線性的誤差。下面將采用磁電阻全橋電路進(jìn)行應(yīng)用。1.5磁測(cè)量傳感器的應(yīng)用為了讓傳感器在零點(diǎn)的位置有良好的線性度，我們采用全橋磁電阻電路如圖4-9。在偏置磁場(chǎng)的作用下，經(jīng)過（3-21）公式的變化磁電阻可以表示為： （1.14）帶入圖4-6標(biāo)定磁電阻標(biāo)定數(shù)據(jù)可得經(jīng)過磁場(chǎng)偏置下的磁電阻： （1.15）對(duì)磁電阻全橋通入大于0.25T外磁場(chǎng)后，磁電阻R1與R3會(huì)增大，磁電阻R2與R4會(huì)減小；反之通入小于0.25T外場(chǎng)，磁電阻R1與R3會(huì)減小，磁電阻R2與R4會(huì)增大： （1.16）其中Hx表示通入的外磁場(chǎng)大小的改變量，大小不得超過|Hx|<0.2T，D’表示