姚　志，楊　華，孫繼忠

(大連理工大學(xué),遼寧 大連　116024)

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基于巨磁電阻的轉(zhuǎn)速測量在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

姚志，楊華，孫繼忠

(大連理工大學(xué),遼寧 大連116024)

摘 要：介紹了巨磁電阻梯度傳感器工作原理，設(shè)計(jì)、制作了適用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的巨磁電阻轉(zhuǎn)速測量實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了通過單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制及對被測轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)測量，給出了電機(jī)工作在不同轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的測量結(jié)果，驗(yàn)證了同步電機(jī)轉(zhuǎn)速與控制頻率的變化關(guān)系。

關(guān)鍵詞：巨磁電阻；轉(zhuǎn)速測量；單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)

巨磁電阻(Giant Magnetoresistance,簡稱GMR )效應(yīng)是法國A.Fert研究小組在1988年發(fā)現(xiàn)的磁阻變化現(xiàn)象[1]。此后，隨著對巨磁電阻研究的進(jìn)一步深入，巨磁電阻的應(yīng)用也受到了人們的重視[2-4]，現(xiàn)在許多高校開設(shè)了有關(guān)巨磁電阻效應(yīng)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)[5-7]。然而，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過巨磁電阻測量轉(zhuǎn)速的實(shí)驗(yàn)裝置介紹不多。為此，我們設(shè)計(jì)了基于巨磁電阻的轉(zhuǎn)速測量實(shí)驗(yàn)裝置，并利用所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置給出了相關(guān)測量結(jié)果。

1巨磁電阻傳感器原理

巨磁電阻通常由磁性納米金屬多層薄膜組成，無外磁場時(shí)，多層膜處于高阻狀態(tài)，外磁場足夠強(qiáng)時(shí)，多層膜處于低阻狀態(tài)，并且隨著外磁場的改變電阻變化存在線性關(guān)系[8]。將巨磁電阻構(gòu)成傳感器時(shí)，一般利用4個(gè)巨磁電阻組成橋式結(jié)構(gòu)。在工藝制作時(shí)，巨磁電阻電橋的兩對對角電阻分別置于集成芯片的兩端，如圖1所示。當(dāng)傳感器置于均勻磁場時(shí)，由于4個(gè)橋臂電阻阻值變化相同，電橋輸出為零。如果磁場存在一定的梯度，各巨磁電阻接收到的磁場不同，磁阻變化不一樣，就會(huì)有信號輸出，通常這種傳感器也稱為梯度傳感器。如圖2所示為傳感器工作原理，將一永磁體放置于傳感器上方，可移動(dòng)齒輪置于傳感器下方，若齒輪為鐵磁材料，當(dāng)永磁體產(chǎn)生的空間磁場相對于齒牙的不同位置時(shí)，將產(chǎn)生不同的梯度磁場。a位置時(shí)，傳感器輸出為零。b位置時(shí)，R1、R2感受到的磁場強(qiáng)度大于R3、R4，輸出正電壓u。c位置時(shí)，輸出回歸零。d位置時(shí)，R1、R2感受到的磁場強(qiáng)度小于R3、R4，輸出負(fù)電壓。于是,在齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程中,每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒牙便產(chǎn)生一個(gè)完整的波形輸出。

圖1　GMR梯度傳感器結(jié)構(gòu)圖

圖2　GMR梯度傳感器工作原理

2測速實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

裝置的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)如圖3所示，系統(tǒng)由轉(zhuǎn)動(dòng)部分、傳感器測量部分、單片機(jī)主控部分和測速顯示部分組成。轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)盤為直徑80 mm、厚度8 mm、齒數(shù)30的碳鋼材料，通過電機(jī)直接帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)采用步距角為1.8°的二相步進(jìn)電機(jī)，通過單片機(jī)控制可以使步進(jìn)電機(jī)工作在不同的轉(zhuǎn)速。巨磁電阻傳感器采用NVE公司的FDB型梯度傳感器，將巨磁阻傳感器與一個(gè)永磁體組成的組件置于齒輪轉(zhuǎn)盤的旁邊，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒牙不同位置與永磁體之間將產(chǎn)生梯度磁場，每當(dāng)電機(jī)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周，傳感器就會(huì)輸出30個(gè)模擬周期信號。將該信號經(jīng)電路放大、整形后，轉(zhuǎn)化為可用于計(jì)數(shù)的脈沖信號輸入到單片機(jī)主控單元，經(jīng)過單片機(jī)處理后，由顯示單元給出電機(jī)的轉(zhuǎn)速顯示。

圖3　GMR傳感器轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)

裝置的信號放大電路采用低功耗高精度寬帶儀表放大器AD620，通過調(diào)節(jié)AD620的管腳1和8之間外接可調(diào)電阻，使信號增益在0—50db范圍內(nèi)調(diào)整，當(dāng)傳感器與轉(zhuǎn)盤之間距離變化時(shí)，可適當(dāng)調(diào)節(jié)可調(diào)電阻以改變增益。信號整形電路采用遲滯比較電路，以克服擾動(dòng)干擾，由運(yùn)放集成電路OP07搭建構(gòu)成，完成將模擬放大信號整形為方波信號。單片機(jī)控制單元采用89C52RC芯片，對來自傳感器的測速整形脈沖信號，由芯片的端口P3.4輸入，經(jīng)測速程序處理后輸出到顯示電路。顯示部分由集成電路74HC573和四位LED數(shù)碼管組成。

對轉(zhuǎn)速測量通常采用頻率法或周期法[9]，兩種方法都是對脈沖進(jìn)行測量。頻率法是在規(guī)定的檢測時(shí)間內(nèi)，測量計(jì)數(shù)脈沖的個(gè)數(shù)；周期法是測量信號發(fā)出脈沖個(gè)數(shù)所需要的時(shí)間。本裝置的被測轉(zhuǎn)速不是很高，測速采用周期法。測量時(shí)單片機(jī)取樣測速脈沖，記錄脈沖個(gè)數(shù)及對應(yīng)時(shí)間，以30個(gè)連續(xù)脈沖為計(jì)算單元給出轉(zhuǎn)速值。裝置工作時(shí)對轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)有6個(gè)不同的轉(zhuǎn)速值，通過單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)速控制脈沖到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片TB6560，使步進(jìn)電機(jī)可以在6種不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動(dòng)。不同轉(zhuǎn)速的選擇操作通過單片機(jī)端口P3.0~3.3和裝置面板的相關(guān)控制按鍵完成。

筆者自行設(shè)計(jì)制作的巨磁電阻轉(zhuǎn)速測量實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，裝置由齒輪轉(zhuǎn)盤組件和轉(zhuǎn)速測量主機(jī)兩部分組成。通過裝置的主機(jī)面板按鍵，可以選擇步進(jìn)電機(jī)工作在速度Ⅰ和速度Ⅱ的高、中、低不同轉(zhuǎn)速狀態(tài)。

圖4　巨磁電阻轉(zhuǎn)速測量實(shí)驗(yàn)裝置

通過“測量”功能鍵對相應(yīng)轉(zhuǎn)速狀態(tài)進(jìn)行測量并通過顯示給出轉(zhuǎn)速測量值，利用“停止”和“復(fù)位”鍵實(shí)現(xiàn)電機(jī)的停止和顯示的清零。同時(shí)，裝置面板設(shè)計(jì)有傳感器模擬放大信號、整形脈沖及電機(jī)轉(zhuǎn)速控制脈沖信號測量端子，分別對應(yīng)如圖3所示的測試點(diǎn)TP1、TP2和TP3，實(shí)驗(yàn)中可以對相關(guān)信號進(jìn)行實(shí)時(shí)的觀察和觀測。

圖5　測量模擬信號和整形脈沖信號波形

4實(shí)驗(yàn)測量及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測量時(shí)，首先調(diào)整裝置的巨磁電阻傳感器與齒輪轉(zhuǎn)盤的相對位置，兩者間距為10 mm左右(調(diào)整范圍5~15 mm)，使裝置工作在正常工作狀態(tài)。通過裝置，筆者分別對轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為速度Ⅰ和速度Ⅱ的高、中、低不同轉(zhuǎn)速狀態(tài)進(jìn)行了測量，由單片機(jī)處理給出的相應(yīng)轉(zhuǎn)速V(r/min)如表一所示。另外，表一還給出了在不同轉(zhuǎn)速下，測得的整形脈沖信號周期T1(ms)和電機(jī)轉(zhuǎn)速控制脈沖信號周期T2(ms)的測量值。 圖5所示為轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速在速度Ⅱ的 “高”轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下，通過面板測量端子測得的測量轉(zhuǎn)速模擬放大信號及相應(yīng)的整形脈沖信號波形。

表1　步進(jìn)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下的測量值

由所測數(shù)據(jù)可知，測量的整形脈沖信號周期與所測轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速是對應(yīng)一致的.同時(shí)，根據(jù)所測數(shù)據(jù)可以得到轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速v與同步電機(jī)轉(zhuǎn)速控制脈沖頻率f2的變化關(guān)系，其相應(yīng)曲線如圖6所示。通過最小二乘法對f2和v做線性回歸可得回歸系數(shù)k=0.302，相關(guān)度r為0.999，不難看出所測量轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)速控制脈沖頻率是線性變化的，這與步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速與電機(jī)轉(zhuǎn)速控制脈沖頻率成正比[10]的理論相吻合。

圖6　轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率變化曲線

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，通過本文設(shè)計(jì)的巨磁阻測速實(shí)驗(yàn)裝置，可以實(shí)現(xiàn)基于巨磁電阻的轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)測量，同時(shí)，通過對轉(zhuǎn)速的測量可以驗(yàn)證同步電機(jī)轉(zhuǎn)速與控制頻率變化的線性關(guān)系。另外，通過裝置也可以直接觀測模擬放大、整形脈沖及電機(jī)轉(zhuǎn)速控制脈沖信號，使測量過程更加直觀。

5結(jié)論

巨磁電阻傳感器用于轉(zhuǎn)速測量具有測量精度高、頻率范圍寬、無需溫度補(bǔ)償?shù)忍攸c(diǎn)，本文通過對巨磁阻測量電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)，給出了一種基于巨磁阻傳感器測速的實(shí)驗(yàn)方法，同時(shí)，采用步進(jìn)電機(jī)使被測轉(zhuǎn)速可以通過程序控制，為巨磁阻測量轉(zhuǎn)速在教學(xué)中的應(yīng)用提供了有效的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

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Implementation of Measuring the Rotation Velocity of Motors Based on Giant Magnetoresistance Sensor in Experimental Teaching

YAO Zhi,YANG Hua,SUN Ji-zhong

(Dalian University of Technology，Liaoning Dalian 116024)

Abstract：This paper reports an experimental set-up of real time measuring the motor rotation velocity based on giant magnetoresistance (GMR) sensor.The paper briefly reviews the working principle of the GMR sensor first,and then describes the design of the chip-controlled experimental set-up and its implementation.Measurements are then carried out for different rotation velocities of a stepping motor and the relation.Between the rotation velocity of the synchronous motor and control frequency is obtained and verified.This present experimental set-up can realize the real-time measurement of the rotation velocity of an object.

Key words：giant magnetoresistance；multilayer；measurement of rotation；single chip processor；stepping motor

中圖分類號：O 472.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.001.007

文章編號：1007-2934(2016)01-0026-04

基金項(xiàng)目：大連理工大學(xué)教改項(xiàng)目 (NO.ZX201311)

收稿日期：2015-09-16