王紅洲，鄭金菊，鄭建龍，金林楓，趙 靜

(浙江師范大學(xué) 信息電子研究所，浙江 金華321004)

0 引 言

對(duì)物體位置、位移測(cè)量的傳感器有多種［1］，按是否接觸可分為接觸式和非接觸式位移傳感器。傳統(tǒng)的接觸式位移傳感器，如繞線式電位器位移傳感器，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易操作，但存在著磨損、階梯誤差的弊端［2］。非接觸位移傳感器有多種，如磁阻位移傳感器［3］，它是基于磁場(chǎng)變化下電阻發(fā)生變化的原理而研制。由于在同樣的微弱磁場(chǎng)變化下，巨磁阻抗(GMI)材料具有更明顯的阻抗變化，因此，本文研制了一種基于GMI 效應(yīng)的位移傳感器。該傳感器小型化，且經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

1 鐵基非晶薄帶的GMI 特性與后續(xù)處理

GMI 效應(yīng)是指在交變電流的激勵(lì)下，軟磁導(dǎo)體的阻抗隨著外界微弱磁場(chǎng)的變化而發(fā)生巨大改變的現(xiàn)象。通常用巨磁阻抗比GMI(Z)衡量材料的GMI 特性

式中 Z(Hex)為外界磁場(chǎng)Hex時(shí)材料的阻抗值; Z(Hmax)為外界磁場(chǎng)達(dá)到飽和Hmax時(shí)材料的阻抗值。

為同樣磁場(chǎng)變化下獲得更高的GMI(Z)，需對(duì)鐵基非晶薄帶進(jìn)行一定的處理。

1.1 縱向磁化

對(duì)非晶鐵芯的磁化主要有兩種方式，即橫向磁化和縱向磁化［4］。橫向磁化是指電流直接通過(guò)材料，根據(jù)通電直導(dǎo)線能產(chǎn)生磁場(chǎng)定律可知，材料在橫向受到了磁化?？v向磁化是指電流通過(guò)繞在材料外面的線圈，通電的線圈在材料的縱向產(chǎn)生了磁場(chǎng)，因此，材料在縱向被磁化。由于鐵基材料的橫向滲透性相對(duì)較?。?］，采取橫向磁化的GMI(Z)比較?。?］，故設(shè)計(jì)采取了縱向磁化的方式。

1.2 材料對(duì)GMI 的影響

從圖1 可知，GMI 與所用晶帶的類型相關(guān)。本文選取FeCuNbSiP，F(xiàn)eCoNbSiP 進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。從圖中可以看出FeCoNbSiP 能獲得更高的GMI。

1.3 電流退火對(duì)GMI 的影響

圖1 不同材料的GMIFig 1 GMI of different materials

為獲得更高的GMI 效應(yīng)，可以對(duì)晶帶進(jìn)行處理。常用的處理方式有溫度退火、磁場(chǎng)退火、電流退火。由于電流退火使用時(shí)間少，故采用了電流退火的處理方式。不同的退火方式下的GMI 如圖2 所示，實(shí)驗(yàn)選取了0.365A 電流退火(即電流密度為31 A/mm2)下的晶帶。

圖2 不同電流退火下GMIFig 2 GMI under different current annealing

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，最終采用了0.365A 電流退火下的Fe-CoNbSiP 晶帶作為磁敏材料，并對(duì)其進(jìn)行縱向磁化。

2 位移傳感器電路設(shè)計(jì)與工作原理

位移傳感器電路由矩形波產(chǎn)生電路、敏感單元和信號(hào)處理電路組成，傳感器電路如圖3 所示。

由于材料在330 kHz 范圍內(nèi)呈現(xiàn)最佳特性，故傳感器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)需要是高頻信號(hào)。設(shè)計(jì)采用了STC15F104E 集成電路產(chǎn)生高頻矩形波信號(hào)，將上述信號(hào)作用在敏感單元，由于不同位移時(shí)的敏感單元呈現(xiàn)的阻抗不一樣，故經(jīng)敏感單元后的輸出信號(hào)波形不一樣;通過(guò)檢波電路對(duì)其進(jìn)行信號(hào)拾取，然后通過(guò)差分運(yùn)放電路對(duì)前級(jí)拾取的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，改變到適合讀取的部分。

圖3 傳感器電路圖Fig 3 Circuit diagram of sensor

2.1 矩形波產(chǎn)生電路

根據(jù)對(duì)非晶薄帶特性可知，需要有一種交變的磁信號(hào)作用在非晶鐵芯上。因高頻正弦信號(hào)的產(chǎn)生復(fù)雜，采用脈沖信號(hào)激勵(lì)磁芯可以降低傳感器的損耗，提高靈敏度的特性［7］，故用矩形波驅(qū)動(dòng)。傳統(tǒng)的激勵(lì)磁芯的信號(hào)源大部分是通過(guò)74HC04 產(chǎn)生方波，后接RC 充放電改變占空比［5］或者采樣分立元器件產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)［8］。由于這些信號(hào)源的頻率不穩(wěn)定，導(dǎo)致輸出信號(hào)的不穩(wěn)定，故提出了采用一種新穎的占空比和頻率可調(diào)的矩形波產(chǎn)生方式，即用集成芯片STC15F104E。該芯片是由宏晶公司研制的一種基于51 單片機(jī)的微型單片機(jī)，通過(guò)編程可以實(shí)現(xiàn)某一占空比和頻率的矩形波信號(hào)。具體電路見(jiàn)圖3 中矩形波產(chǎn)生電路部分。

2.2 傳感單元

傳感單元是由直徑0.08 mm 的漆包線繞在長(zhǎng)度為20 mm的非晶薄帶組成。薄帶就是上述具有高阻抗效應(yīng)的非晶材料。在測(cè)試的過(guò)程中，通過(guò)移動(dòng)一外置磁鐵來(lái)改變作用在傳感單元上的磁場(chǎng)強(qiáng)度，由于不同磁場(chǎng)強(qiáng)度作用下傳感單元對(duì)外呈現(xiàn)的阻抗不一樣，設(shè)計(jì)電路可將這一現(xiàn)象通過(guò)位移和電壓的關(guān)系顯現(xiàn)出來(lái)。

2.3 信號(hào)處理電路

該部分電路包括檢波電路和OPA2344 差分運(yùn)放電路。

1)檢波電路:檢波電路采用最簡(jiǎn)潔的二極管包絡(luò)檢波電路，它由D1，R2，C1 構(gòu)成。其中，R2=680 kΩ，C1=0.1 μF，具體電路見(jiàn)圖3 中的檢波電路部分。由于前面一級(jí)電路是高頻信號(hào)，故所用的二極管應(yīng)具有耐高頻且導(dǎo)通電壓低的特點(diǎn)，電路中采用的是肖特基二極管IN5818。

2)差分運(yùn)放電路:該部分的目的是為了放大顯示電壓。通過(guò)電阻器R2，RV1 來(lái)確定偏置電壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)源輸入信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算。

3 GMI 位移傳感器性能測(cè)試

實(shí)驗(yàn)前自制了一種位移移動(dòng)裝置，用該裝置作為移動(dòng)的平臺(tái)測(cè)試了所設(shè)計(jì)的位移傳感器(如圖4 所示)。該精密裝置由安裝在滑軌上測(cè)微頭和支架以及滑塊、磁體組成的敏感單元構(gòu)成。測(cè)試時(shí)將滑塊固定，通過(guò)可旋轉(zhuǎn)測(cè)微頭實(shí)現(xiàn)精密的位移。實(shí)驗(yàn)的初始狀態(tài)是磁體距離敏感單元50 mm。

圖4 位移移動(dòng)平臺(tái)Fig 4 Mobile platform for displacement

為分析傳感器的特性，對(duì)其進(jìn)行了重復(fù)性測(cè)試和遲滯性測(cè)試。測(cè)量結(jié)果如圖5 和圖6 所示。圖5 是重復(fù)性測(cè)試曲線，曲線a，b 都是非晶薄帶從位移0 mm 到位移50 mm 時(shí)的測(cè)試電壓情況，測(cè)試間隔為1 mm。從圖中可以看到兩組曲線基本重合，通過(guò)計(jì)算得重復(fù)性的最大偏差為0.297 3%，這說(shuō)明傳感器的重復(fù)性很好。圖6 是遲滯性測(cè)試曲線，曲線a 是非晶薄帶位移0～50 mm，間隔為1 mm 時(shí)的電壓測(cè)試情況。曲線c 是非晶薄帶位移50～0 mm，間隔為1 mm 時(shí)的電壓測(cè)試情況。從圖中可以看出基本重合:通過(guò)計(jì)算得遲滯性的最大偏差為0.652 6%，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的傳感器基本無(wú)遲滯。通過(guò)對(duì)圖6 中的數(shù)據(jù)分析可知，在測(cè)試的位移為18～28 mm 內(nèi)傳感器的靈敏度和線性度最優(yōu)。通過(guò)設(shè)置磁芯的最初位置可以改變量程范圍為0～10 mm。通過(guò)軟件Origin 8.0 對(duì)這段數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到圖7 中關(guān)于原始數(shù)據(jù)和擬合曲線的圖像。此時(shí)實(shí)測(cè)曲線和擬合曲線的相關(guān)度達(dá)到了99.98%，線性最大偏差為0.58%。擬合的直線方程為

式中 x 為電壓，V;y 為位置，mm。

圖5 重復(fù)性數(shù)據(jù)分析Fig 5 Repeatability data analysis

圖6 遲滯性數(shù)據(jù)分析Fig 6 Hysteresis data analysis

4 結(jié) 論

本文利用Fe 基非晶薄帶，設(shè)計(jì)和制作了一種新型的位移傳感器。設(shè)計(jì)采用了一種新的材料作為磁芯和一種新的驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生方法，并通過(guò)后續(xù)信號(hào)處理電路實(shí)現(xiàn)了位置和位移的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:研制的磁敏位移傳感器具有極微弱的遲滯現(xiàn)象、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。此外，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，成本低廉，滿足了項(xiàng)目的要求。

圖7 測(cè)試曲線與擬合曲線Fig 7 Test curve and fitting curve

［1］ 昌學(xué)年，姚 毅，閆 玲.位移傳感器的發(fā)展及研究［J］.計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2009，36(9):42－44.

［2］ 殷玲玲，尚群立.磁阻傳感器在直線位移傳感中的應(yīng)用［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，9(4):1121－1124.

［3］ 王永龍，楊 衛(wèi)，石云波，等.基于磁阻傳感器的弱磁信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2008，27(1):69－71.

［4］ 楊介信，楊燮龍，陳 國(guó)，等.一種新型的縱向驅(qū)動(dòng)巨磁阻抗效應(yīng)［J］.科學(xué)通報(bào)，1998，43(10):1051－1053.

［5］ 于葛亮，卜雄洙，史曉軍，等.基于縱向激勵(lì)的鐵磁非晶帶弱磁傳感器研究［J］.南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，35(3):338－342.

［6］ 楊曉紅，鄭金菊，任俊華，等.不同驅(qū)動(dòng)方法下Fe 基納米晶絲的GMI 研究［J］.金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，6(6):1－5.

［7］ 趙 湛，鮑丙豪，徐云峰，等.鈷基非晶磁芯巨磁阻抗效應(yīng)電流傳感器［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2007，28(3):483－488.

［8］ 卜雄洙，趙文于，葛 亮，等.反饋式巨磁阻抗弱磁傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，35(6):801－804.