磁场传感器分解实用教案

1、14.1 应用(yngyng)磁阻元件与磁透镜的地磁场传感器14. 1. 1地磁场传感器的概述 (1)MR元件。在地磁场传感器上，最重要的部件是检测磁场的元件，作为小型的固体(gt)检测元件有MR元件、霍尔元件等，这些固体(gt)检测元件用直流电源就可以驱动，而且电路也很简单。 MR元件的结构与电路如图14一1所示，MR元件是由制成有磁阻薄膜图案的玻璃基板、并粘接偏置永久磁铁后，再装好电极，用树脂模塑而成的。 一个是磁阻图案的等效电路为桥型，如图14一1(b)所示;另一个特点如图14一1(c)所示，通过图案的精心设计，保证对外部磁场而言，加上垂直方向的偏置磁场时，在45方向上的灵敏度最强。下一

2、页返回(fnhu)第1页/共57页第一页，共58页。14.1 应用(yngyng)磁阻元件与磁透镜的地磁场传感器 通过检测外部磁场与偏置磁场的合成磁场，可得到图14一2所示的输出特性，从图可知，在磁场强度(cchng qingd)为零附近的弱磁场处，对外部磁场来说，MR元件具有线性输出，而且还可以判别极性为S，还是为N。上一页下一页 返回(fnhu)第2页/共57页第二页，共58页。14.1 应用(yngyng)磁阻元件与磁透镜的地磁场传感器 (2)地磁场传感器。地磁场传感器的结构与输出特性如图14-3所示。它是由汇集磁通的磁透镜(导磁板)及在水平面内分别在x、y方向上设置的检测磁场用MR元件

3、(yunjin)构成的。上一页下一页返回(fnhu)第3页/共57页第三页，共58页。14.1 应用(yngyng)磁阻元件与磁透镜的地磁场传感器14. 1. 2提高地磁场传感器的灵敏度 (1)导磁板的最佳状态。地球上，地磁场的水平分量允其量仅为0.35Gs，这对检测用MR元件来说就太弱了，因此，需要用磁透镜汇集地磁场的磁通。通常，磁透镜上采用了两个带锥度的强磁性磁棒，将强磁性体的锥度直线相对，其间放置磁场检测元件。 要想缩小磁场传感器的体积，关键在于提高磁透镜的效率。 最初时在MR元件上安装了长度不同的导磁板，这时地磁场传感器的增益及偏移变化情况分别(fnbi)如图14一4、图14一5所示，

4、从图14一4中可知，地磁场传感器的增益与导磁板的长度大致成正比。从图14-5中可知，地磁场传感器的偏置与导磁板的长度没有关系。导磁板的宽度与增益的关系如图14一6所示。导磁板的锥部顶端宽与增益的关系如图14一7所示。上一页下一页返回(fnhu)第4页/共57页第四页，共58页。14.1 应用(yngyng)磁阻元件与磁透镜的地磁场传感器 (2)提高MR元件的灵敏度。将MR元件固定在南北方向上，改变驱动电压(驱动电流)时的输出电压如图14-8所示。驱动电压与输出电压成正比例关系，越是增大驱动电压，偏置与增益就越高。当然，希望增益要尽可能高。 提高MR元件灵敏度的结果如图14一9所示，通过改变偏置

5、永久磁铁及去磁使得偏置磁场变得适当;通过图案(t n)形成及粘接偏置永久磁铁等元件结构的改进及制造工艺的改进，与最初相比，灵敏度提高了3倍以上。特别是去磁的效果最为显著。 MR元件改进前后的特性对比如图14一10所示。上一页下一页返回(fnhu)第5页/共57页第五页，共58页。14.1 应用(yngyng)磁阻元件与磁透镜的地磁场传感器14. 1. 3地磁场传感器的温度特性(txng) 温度变化时地磁场传感器的输出电压变化情况如图14一11所示。与定电压驱动相比，定电流驱动时的偏置变化(方位圆中的变动)与增益的变化(方位圆半径的变化)都很小。这是因为温度变化时强磁性薄膜的电阻发生了变化，温度

6、升高时，因强磁性薄膜的温度系数是正的，所以电阻增加。在采用定电压驱动时，通过薄膜图案的电流变小，输出电压下降，所以偏置与增益同时下降与此相比，采用定电流驱动时，即使电阻增加，但外加电压升高而维持电流不变，所以输出电压不变，偏置与增益也保持不变，实际上，虽说是定流源，并不可能维持完全一定的电流值，多少还有些变化，如图14一11所示。温度下降时，与此相反。上一页返回(fnhu)第6页/共57页第六页，共58页。14.2 采用磁阻元件的车用电子(dinz)罗盘14. 2. 1电子罗盘的构成及其原理 (1)电子罗盘的构成。电子罗盘的方框图如图14一12所示。不包括放大器、电源等电路部分(b fen)的

7、地磁场传感器的原理如图14一13所示。 (2)方位检测原理。 (3)方位测量中的误差。下一页返回(fnhu)第7页/共57页第七页，共58页。14.2 采用磁阻元件(yunjin)的车用电子罗盘14. 2. 2地磁场传感器模块的温度补偿 地磁场传感器模块的输出随温度的变化情况如图14一14所示。其输出电压的变化是电源、放大电路(dinl)及MR元件与温度关系的综合因素所造成的。但是，MR元件与温度的关系起主要作用这是因为磁阻薄膜图案的电阻的温度变化是主要原因。一般来说，强磁性材料的温度系数为正，温度升高时，电阻增加。因此，在驱动电压一定的条件下，温度升高时，如图14一14所示那样，增益(方位圆

8、的半径)与偏置(方位原点的位置)都减小。温度下降时，与此相反，增益与偏置都增大。 MR元件与温度的关系如图14一15所示。上一页下一页返回(fnhu)第8页/共57页第八页，共58页。14.2 采用磁阻元件(yunjin)的车用电子罗盘14. 2. 3车辆的磁化及其补偿 (1)磁化的机理。电子罗盘的作用(zuyng)是检测地磁场并求出方位，但因地磁场传感器会受到周围磁场环境强烈的影响，所以在地磁场之外的干扰磁场的影响下，方位测量会出现误差。 方位测量误差的原因分析结果如图14一16所示。 为调查电气设备、建筑物，移动物等的影响，测量车辆行车过程中前进方向的磁场，所得结果如图14一17所示。市区

9、街道行车时，从前进方向测量，变化范围也是如此。但是，在桥梁、入口、对面来车、道口等处受到其他干扰磁场影响时，情况则不一样，将干扰磁场加以汇总，结果如图14一18所示。 道口处的磁化结果如图14一19所示。由受干扰磁场影响，磁化强度的一个例子如图14一20所示。上一页下一页返回(fnhu)第9页/共57页第九页，共58页。14.2 采用磁阻元件(yunjin)的车用电子罗盘 (2)磁化补偿。过去(guq)的磁化补偿方法如表14一1所示。 根据车辆的现在方位与磁化后的地磁场传感器输出来推断磁化后方位原点的方法，其原理如图14一21所示。上一页返回(fnhu)第10页/共57页第十页，共58页。14

10、.3 陀螺仪 汽车用导航系统已经进入了实际应用阶段，许多高级小客车已将其作为标准件装用。 此系统上的方位传感器主要采用的是地磁场传感器，但这种传感器容易受建筑物引起的对地磁场的干扰的影响，以及道口引起车身磁化的影响，因此，作为性能比较稳定、精度比较高的方位传感器压电振动陀螺仪正在引起人们(rn men)的注意。 压电振动陀螺仪大致可分为两种，一种是以GE型为基型的音片型振动陀螺仪，另一种是以斯佩里型、瓦特生型为基型的音叉型振动陀螺仪。下一页返回(fnhu)第11页/共57页第十一页，共58页。14.3 陀螺仪14. 3.1压电振动陀螺仪的基本原理 给振动着的物体加上旋转角速度时，在与振动垂直的

11、方向上就会产生哥氏力，振动陀螺仪就是利用了这一力学现象。这与著名的傅克摆基于同一原理。 具体来说，将压电陶瓷钻结在音片型或音叉型振子上，驱动振子振荡(x轴)。将旋转角速度马加到振子的中心轴(z轴)上时，与其振动(x轴)垂直的方向上(y轴)就会产生哥氏力，利用钻结在J轴上的压电陶瓷就可以测出旋转角速度，其基本原理见图14一22所示. 能够成为高性能振动陀螺仪的条件是:对旋转角速度的灵敏度高，而且(r qi)在不旋转时测得的电压应为零，以下称此为零电压。上一页下一页 返回(fnhu)第12页/共57页第十二页，共58页。14.3 陀螺仪14. 3. 2等边三角形振子的概述 对陀螺仪来说，人们考虑的

12、是如何提高旋转角速度的检测电压，因此都着眼于检测部分的压电陶瓷的安装位置(角度) 现在已批量生产的音片型与音叉(ynch)型振动式陀螺仪上，都是按照此基本原理，将激振用压电陶瓷与检测用压电陶瓷成直角配置。这样作的目的是:在检测垂直于振动方向上所产生的哥氏力的同时，竭力减小压电陶瓷在检测空载x轴上因振动所产生的零电压时的自身抵消作用。 上一页下一页返回(fnhu)第13页/共57页第十三页，共58页。14.3 陀螺仪 在前面已经讲过，当将旋转加速度加到:轴上时，在y轴方向上将产生与旋转加速度成正比的哥氏力，将振子的振动模式看作是x轴与y轴的合成模式，就使人们觉得，从检测压电陶瓷的安装角度来看，压

13、电变换效率并不高。由此而提出了新的方案:不是180 ，而是60将如何，即激振用压电陶瓷与检测用压电陶瓷不是采用垂直配置(pizh)，而是采用锐角配置(pizh)，针对这种提高检测用压电变换效率的尝试，成功地设计出振子截面为等边三角形的特殊音片型振动式陀螺仪，下面简称等边三角形音片型振子。上一页下一页返回(fnhu)第14页/共57页第十四页，共58页。14.3 陀螺仪14. 3. 3等边三角形音片型振子的制作 根据有限元法(FEM)模拟所得振动解析结果，与普通的音片型振子一样，节点在0.225L位置处。 振子采用镍铬恒弹性合金材料，试验(shyn)尺寸为:边长a=3.5mm;长度l=40.0m

14、m所制成的等边三角形音片型振子的结果如下，共振频率为7.85kHz，与计算值是一致的。 考虑到钻结的压电陶瓷为负温度系数，所以对振子材料作退火处理，结果得到了良好的频率温度特性。等边三角形音片型振子的形状如图14一23所示.上一页下一页返回(fnhu)第15页/共57页第十五页，共58页。14.3 陀螺仪14. 3. 4共振频率的调整 等边三角形音片型振子频率的调整如图14一24所示，对棱边部位(bwi)即振动方向中心线上的高度进行加工，这样既不会破坏振动状况，几乎也不会对其他两边的共振频率产生影响。振子为最佳形状，各边的谐振频率可方便、准确地调整。上一页下一页返回(fnhu)第16页/共57

15、页第十六页，共58页。14.3 陀螺仪14. 3. 5压电陶瓷的配置与电场分布 将3片压电陶瓷(试验尺寸2mm x 5mm x 0.2mm)用环氧树脂钻结剂粘在等边三角形音片型振子的各边中央处。3边之中的1边作为激振用压电陶瓷，其他两边作检测用压电陶瓷。对等边三角形音片型振子的中央部位，截面的电场分布，利用有限要素法进行了FEM模拟。 不旋转时的电场分布如图14-25所示，加上旋转角速度时的合成(hchng)模式的电场分布如图14-26所示，伸长方向用+表示，收缩方向用表示。上一页下一页返回(fnhu)第17页/共57页第十七页，共58页。14.3 陀螺仪14. 3. 6零电压的处理 不采用零

16、电压这一参数，不用分割电极(dinj)，而是利用左、右检测电压的电平反相位，采用差动电路处理波形，由此可以作到:表观零电压完全为“0”。此外，因为旋转时的哥氏力输出与左右检测电压的增减方向的相位正好相反，所以差动电路的输出为和差动，即可以得到较大的检测电压。 不旋转与旋转时的检测电压波形如图14一27所示。上一页下一页返回(fnhu)第18页/共57页第十八页，共58页。14.3 陀螺仪14. 3. 7减小偏移的措施 若从偏移的观点来看，粘接层，压电陶瓷的压电特性根本不稳定，用二层结构的话，无法减小偏移量。因此，灵活应用(yngyng)等边三角形形状，将左右各一层的压电陶瓷兼起驱动与检测作用，

17、并采用了W驱动与检测电路，从而实现连地球自转(旋转角速度=0. 004rad/s)也可判别的高灵敏度与低偏移。偏移特性见图14一28所示。上一页下一页返回(fnhu)第19页/共57页第十九页，共58页。14.3 陀螺仪14. 3. 8电路的构成 等边三角形音片型振动陀螺仪上，左右两边的压电陶瓷为驱动用，剩下一边的压电陶瓷为反馈用，以形成振荡电路。左右两边的压电陶瓷还兼起检测用，其输出信号经差动放大之后再经同步检波与直流放大。 等边三角形音片型振动陀螺仪的旋转角速度灵敏度(检测电压)很高，而且S/N也高，其采用了独特的驱动与检测方式，与老式压电振动陀螺仪的电路构成相比，对电路的依赖程度比较低，

18、振子(zhn z)结构及电路的构成都非常简单。电路的构成如图14一29所示。上一页下一页返回(fnhu)第20页/共57页第二十页，共58页。14.3 陀螺仪14. 3. 9典型特性 对汽车导航用振动陀螺仪的主要特性要求是灵敏度、线性与耐振性。分析汽车的行驶状况可知，汽车用90%是在15rad/s之内的微小旋转角速度区内直线行驶的，此外，发动机的振动、路面引起(ynq)的上下振动及前后、左右的横等外部振动时刻都在影响车辆。在此微小的旋转角速度区域里，灵敏度，线性的好坏以及外部振动是否引起(ynq)干扰等性能都是左右导航性能的重要因素。上一页下一页返回(fnhu)第21页/共57页第二十一页，共

19、58页。14.3 陀螺仪 在老式结构的压电振动陀螺仪上，因为驱动边和检测边是垂直配置的，所以不旋转时和旋转时的检测边的振动方向不同;在微小旋转角速度区的检测出现不连续性(滞后);从检测边的支承结构看，容易(rngy)受外部振动的影响，从特性上也可以看出振动状况不同。 上一页下一页 返回(fnhu)第22页/共57页第二十二页，共58页。14.3 陀螺仪 采用等边三角形音片型振动陀螺仪时，因为驱动与检测是兼用结构，所以(suy)不旋转时与旋转时的振动方向不变，没有滞后现象出现，在微小旋转角速度区就有很高的灵敏度和良好的线性特性，并且因采用的是两点支承结构、W驱动，差动检测方法，所以(suy)几乎

20、不会受到外部振动的影响，具有几乎不会产生什么干扰的耐振性能。 这种陀螺仪的灵敏度，线性特性如图14一30所示，耐振特性曲线(振动试验:1.0 g，z轴方向)如图14一31所示。上一页返回(fnhu)第23页/共57页第二十三页，共58页。14.4 小结(xioji) 汽车用导航系统内部都包含有位置检测系统，其功能就是根据传感器的输出信号检测出本身车辆的位置。本车位置的检测方式大致可以分为自主导航与无线电波导航。前者可以采用的检测方式有地磁场传感法、左右车轮速度(sd)之差法、陀螺仪法等。后者可以利用人造卫星、标杆等设施。因各种方法都有个别的难点，到目前为止，还不能说哪一种方式达到了完美无缺的地

21、步。 地磁场传感器受城市高速公路高架部分、桥梁、地下停车场等钢铁结构件的影响，会干扰地磁场的检测，在通过道口时，容易受到车身被磁化的影响。而用车轮速度(sd)之差法检测方向时，就不能忽略开车方法及路面状况等造成的影响。返回(fnhu)第24页/共57页第二十四页，共58页。表14一1 过去的磁化(chu)补偿方法返回(fnhu)第25页/共57页第二十五页，共58页。图14一1 MR元件(yunjin)的结构与电路返回(fnhu)第26页/共57页第二十六页，共58页。图14一2 MR元件(yunjin)的输出特性返回(fnhu)第27页/共57页第二十七页，共58页。图14一3 地磁场传感器

22、的构成(guchng)及输出特性返回(fnhu)第28页/共57页第二十八页，共58页。图14一4 导磁板的长度(chngd)与增益返回(fnhu)第29页/共57页第二十九页，共58页。图14一5 导磁板的长度(chngd)与偏置返回(fnhu)第30页/共57页第三十页，共58页。图14一6 导磁板的宽度(kund)与增益返回(fnhu)第31页/共57页第三十一页，共58页。图14一7 导磁板的锥部顶端(dngdun)宽度与增益返回(fnhu)第32页/共57页第三十二页，共58页。图14一8 驱动电压(diny)(驱动电流)与输出电压(diny)返回(fnhu)第33页/共57页第三十

23、三页，共58页。图14一9 提高(t go)MR元件的灵敏度返回(fnhu)第34页/共57页第三十四页，共58页。图14一10 MR元件的特性(txng)改进效果返回(fnhu)第35页/共57页第三十五页，共58页。图14一11 地磁场传感器的温度(wnd)特性返回(fnhu)第36页/共57页第三十六页，共58页。图14一12 电子(dinz)罗盘的方框图返回(fnhu)第37页/共57页第三十七页，共58页。图14一13 地磁场传感器的原理(yunl)返回(fnhu)第38页/共57页第三十八页，共58页。图14一14 地磁场传感器与温度(wnd)的关系返回(fnhu)第39页/共57

24、页第三十九页，共58页。图14一15 MR元件(yunjin)与温度的关系返回(fnhu)第40页/共57页第四十页，共58页。图14一16 方位(fngwi)测量误差的原因分析返回(fnhu)第41页/共57页第四十一页，共58页。图14一17 行车(hngch)中的磁场变化状况返回(fnhu)第42页/共57页第四十二页，共58页。图14一18 干扰(gnro)磁场的对比返回(fnhu)第43页/共57页第四十三页，共58页。图14一19 道口处的磁化(chu)结果关系返回(fnhu)第44页/共57页第四十四页，共58页。图14一20 干扰磁场(cchng)与磁场(cchng)强度返回(fnhu)第45页/共57页第四十五页，共58页。图14一21 1方位(fngwi)磁化补偿的