摘 "要：以某信號(hào)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸傳感器為例，對比研究了Hall傳感器和隧道磁電阻（TMR）傳感器安裝位置偏移對測量結(jié)果的影響，包括3個(gè)方向的線性移動(dòng)距離以及3個(gè)角度的轉(zhuǎn)動(dòng)量。通過對凸輪軸傳感器磁路進(jìn)行建模，對TMR和Hall磁路進(jìn)行對比分析。通過實(shí)驗(yàn)得到極限位移對應(yīng)的TMR齒根磁場，從而得到其他5個(gè)極限安裝誤差范圍。研究結(jié)果表明TMR傳感器的允許測量范圍比Hall傳感器更大。

關(guān)鍵詞：磁傳感器；Hall傳感器；TMR傳感器；安裝誤差

中圖分類號(hào)：U463.6；TP212 " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-5483（2024）03-0046-05

Simulation of Tunnel Magnetoresistance Effect Sensor

Based on Camshaft Gear

Liu Xianlong1，2，3， Li Jingliang2， Zhang Bo3， Zhao Haoyuan2， Wang Tao2， Zhang Xu2，

Chang Chen2， Bai Haolong1

（1. School of Materials Science amp; Engineering， Hubei University of Automotive Technology， Shiyan 442002， China;

2. Dongfeng Motor Corporation Research amp; Development Institute， Wuhan 430058， China;

3. University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China）

Abstract： The camshaft sensor of a signal automobile engine was taken as an example， and the influence of the mounting position offset of Hall sensor and tunnel magnetoresistance （TMR） sensor on the measurement results was studied， including the linear travel distance in three directions and the degree of rotation at three angles. The magnetic circuit of the camshaft sensor was modeled， and the magnetic circuits of the TMR and Hall sensors were compared. The magnetic field at the dedendum of TMR corresponding to the displacement of the limit was obtained by experiment， and the other five limit mounting error ranges were thus obtained. The results show that the allowable measurement range of the TMR sensor is larger than that of the Hall sensor.

Key words： magnetic sensor; Hall sensor; TMR sensor; mounting error

磁傳感器是將磁場、放射線、壓力、溫度、光等因素作用下引起敏感元件磁性能的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，來檢測相應(yīng)的物理量［1］。用于測量齒輪轉(zhuǎn)速的磁傳感器種類繁多，性能和應(yīng)用場合各異，常見的磁傳感器主要有探測線圈、磁通門磁強(qiáng)計(jì)、半導(dǎo)體霍爾元件和磁電阻元件、使用塊狀鐵氧體磁芯的應(yīng)力傳感器、以熱敏鐵氧體為磁芯的溫度傳感器、利用亞鐵磁石榴石磁光效應(yīng)的光纖電流傳感器、高靈敏度超導(dǎo)量子干涉器件（SQUID）及巨磁阻抗傳感器等［2-3］。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對不同類型的齒輪磁傳感器進(jìn)行了研究。劉豫輝［4］利用Maxwell對Hall傳感器的磁路進(jìn)行分析，以磁敏感芯片為中心，分析了齒輪的尺寸和形狀、永磁磁鐵和齒輪之間的氣隙、永磁磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度。姚恩濤等［5］分析了InSb磁敏電阻器的工作原理和溫度特性，討論了利用偏置磁場作用于半橋磁敏電阻構(gòu)成齒輪轉(zhuǎn)速傳感器的測試原理。孟慶豐［6］利用Ansoft Maxwell 對運(yùn)動(dòng)齒輪的磁場分布進(jìn)行了仿真，得出了兩路采集GMR芯片的磁場分布情況，并對齒輪與兩路芯片之間的間距對芯片周圍磁場分布的影響進(jìn)行了分析。Jiang等［7］設(shè)計(jì)了一種AMR齒輪傳感器的硬件電路，并分析了傳感器的頻率特性以及有效檢測距離。現(xiàn)有研究工作主要集中在Hall傳感器、AMR傳感器和GMR傳感器，對TMR傳感器安裝位置的研究比較缺乏。TMR傳感器具有靈敏度高、體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)［8-9］，廣泛應(yīng)用于信息技術(shù)、電子電力、能源工業(yè)、汽車電子、工業(yè)自動(dòng)控制及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域［10］。文中針對基于隧道結(jié)的凸輪軸傳感器，采用有限元仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法，構(gòu)建磁敏芯片-背磁磁鋼-凸輪軸三者之間高增益磁路，通過有限元設(shè)計(jì)仿真TMR傳感器和Hall傳感器與磁鐵、凸輪軸齒輪之間的距離。

1 研究方法

1.1 凸輪軸傳感器仿真

首先建立幾何模型，將齒輪、圓柱狀永磁體、磁敏材料的UG 模型導(dǎo)入Maxwell3D 內(nèi)。凸輪齒頂對應(yīng)半徑為45 mm，齒根對應(yīng)半徑為35 mm，齒寬為10 mm，齒高為5 mm（圖1a）?？臻g坐標(biāo)系的中心在齒輪前端面圓心處，構(gòu)建一個(gè)垂直于x 軸、長度為100 mm、寬度為10 mm、高度為100 mm 的長方形區(qū)域作為空氣域進(jìn)行求解。接下來對模型物理場的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括材料屬性與邊界條件。Maxwell3D材料庫內(nèi)有部分材料參數(shù)，物理場邊界條件為磁通量守恒定律，磁鐵材料為 4 mm×4 mm×4.5 mm釤鈷，其圓角半徑0.3 mm，充磁方向?yàn)閦向（圖1b），磁化強(qiáng)度為1.13×106 A·m?1。永磁體與芯片貼合，芯片與齒輪的位置可以調(diào)節(jié)。由于永磁鐵材料相對磁導(dǎo)率與空氣近似，設(shè)置為1，材料為鐵的齒輪相對磁導(dǎo)率設(shè)置為2000。

由于求解域內(nèi)無體電流的存在，故定義零磁標(biāo)勢面。模型有限元網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)是使有限元分析計(jì)算的求解精度更加緊密，同時(shí)也要衡量計(jì)算時(shí)間。所以將永磁鐵與齒輪區(qū)域劃分密度選擇為“極細(xì)化”、將空氣域劃分密度選擇為“細(xì)化”進(jìn)行單元求解，劃分單元為自由剖分的四面體結(jié)構(gòu)，最后設(shè)定邊界條件后開始電磁場穩(wěn)態(tài)研究計(jì)算求解，進(jìn)入后處理查看求解結(jié)果，并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行分析。建模過程如圖2所示。

采用敏感單元感受到的平均磁場來計(jì)算，利用Maxwell中Calculator工具進(jìn)行變量處理，得到敏感單元y向平均磁場強(qiáng)度[By]和z向平均磁場強(qiáng)度[Bz]。

[By=V-1bydV， " Bz=V-1bzdV] （1）

式中：V為敏感單元的體積。當(dāng)Hall和TMR傳感器在三維空間有安裝誤差時(shí)，會(huì)造成傳感器輸出信號(hào)減小，從而導(dǎo)致齒輪檢測丟失。因此設(shè)置2款傳感器不同的安裝偏差，6項(xiàng)安裝偏差定義如圖3所示，研究安裝偏差對傳感器芯片感應(yīng)的磁場變化。傳感器沿z軸、y軸、x軸的移動(dòng)距離分別定義為H、W、L，均為1～ 5 mm；傳感器沿z軸、y軸、x軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度分別定義為φ、θ、α，均為順時(shí)針1°～ 5°。

1.2 凸輪軸傳感器實(shí)驗(yàn)

測試臺(tái)架（圖4a）的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為調(diào)速直流電機(jī)，用電機(jī)固定件固定電機(jī)，電機(jī)外部連接控制器，控制器有正反轉(zhuǎn)按鈕、啟停按鈕、轉(zhuǎn)速旋鈕，電機(jī)最大速度可達(dá)10 000 r·min-1，可模擬發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速情況。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸與聯(lián)軸器相連，然后聯(lián)連軸器的另一端連接轉(zhuǎn)軸。轉(zhuǎn)軸組裝上凸輪軸信號(hào)盤和曲軸信號(hào)盤，通過自鎖螺母固定信號(hào)盤，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)1圈相當(dāng)于信號(hào)盤旋轉(zhuǎn)1圈。凸輪軸信號(hào)盤上方安裝1個(gè)z軸垂直升降平臺(tái)，以便精確調(diào)整凸輪軸傳感器（圖4b）與信號(hào)盤的空氣間隙。垂直升降平臺(tái)的水平位置通過下方4顆螺絲固定調(diào)整，把傳感器安裝在垂直升降平臺(tái)后，首先通過4顆螺絲調(diào)整，保證傳感器的頭部中心檢測位置正對信號(hào)盤中心，再通過調(diào)整垂直升降平臺(tái)的千分尺手柄精確調(diào)整傳感器與信號(hào)盤的空氣間隙。整體傳感器測試工裝整體示意如圖4c所示，除了測試臺(tái)架和傳感器外，還包括示波器和外接電源等。

2 凸輪軸傳感器研究結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

測試條件為電機(jī)1000 r·min-1正轉(zhuǎn)，傳感器供電為5 V。通過調(diào)整TMR和Hall傳感器與信號(hào)盤之間的間隙，得到不同間隙下的試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。從圖5a～d中可以看出，當(dāng)空氣間隙為2.0～4.0 mm時(shí)，2款傳感器能正常識(shí)別凸輪軸信號(hào)盤，檢測到1個(gè)周期大約20 ms。當(dāng)空氣間隙為4.0 mm時(shí)，測試結(jié)果如圖5e～f 所示，發(fā)現(xiàn)TMR傳感器可以正常識(shí)別凸輪軸信號(hào)盤，檢測到1個(gè)周期大約為20 ms；Hall傳感器樣品不能識(shí)別信號(hào)，輸出都為高電平。空氣間隙為5.0 mm的測試結(jié)果如圖5g～h所示，可以看出TMR傳感器不能正常識(shí)別凸輪軸信號(hào)盤，但能識(shí)別部分信號(hào)；Hall傳感器完全不能識(shí)別信號(hào)。通過多次測試得出，TMR傳感器可以正常識(shí)別凸輪軸信號(hào)盤的空氣間隙最大為4.20 mm、Hall傳感器最大感應(yīng)間隙大約為3.20 mm。

2.2 仿真結(jié)果分析

設(shè)置電機(jī)1000 r·min-1正轉(zhuǎn)，對磁傳感器的磁場進(jìn)行仿真，齒輪旋轉(zhuǎn)1周后的感應(yīng)磁場如圖6所示，可以看出，傳感器在遇到齒沿時(shí)，磁場的幅值和方向均發(fā)生顯著變化。這是因?yàn)镠all傳感器原理是垂直于芯片表面的磁場發(fā)生變化引起霍爾電壓變化，因此文中Hall傳感器的敏感磁場是z向。TMR原理是自由層的在外磁場偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致隧穿電阻變化，因此文中TMR傳感器的敏感磁場是y向。

對不同安裝誤差導(dǎo)致的2種傳感器磁場變化進(jìn)行仿真，對極限敏感磁場進(jìn)行定量分析。H不同時(shí)傳感器對應(yīng)的磁場變化如圖7所示。從圖7中可看出：隨著氣隙增加，芯片受到磁場變化逐漸減小；齒根和齒根感應(yīng)的磁場同時(shí)減小，且齒根處磁場強(qiáng)度減小幅度更大；TMR傳感器感應(yīng)最小磁場強(qiáng)度約為Hall傳感器的1/5。

對不同H條件的凸輪軸傳感器進(jìn)行仿真，得到齒根對應(yīng)的磁場絕對值如圖8a所示，隨著H增加，TMR和Hall傳感器測量到的磁場均減小，Hall傳感器的磁場變化更劇烈。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到TMR傳感器極限H為4.2 mm，對應(yīng)齒根磁場絕對值為0.01 T，即當(dāng)y向磁場小于0.01 T時(shí)無法測量凸輪軸。Hall傳感器的極限H為3.2 mm，對應(yīng)齒根磁場絕對值為0.07 T，即當(dāng)z向磁場小于0.07 T時(shí)Hall傳感器無法對凸輪軸進(jìn)行測量。

當(dāng)φ不同時(shí)齒根的磁場變化結(jié)果如圖8b所示，可以發(fā)現(xiàn)，隨著φ增加，齒根磁場均減小。TMR傳感器齒根磁場0.01 T對應(yīng)的φ是4.8°。Hall傳感器齒根磁場0.07 T對應(yīng)的φ是3.8°，即TMR傳感器極限φ比Hall傳感器大1°，由此可見TMR傳感器z軸的可測量旋轉(zhuǎn)范圍更大。

圖8c為不同W條件下的齒根磁場仿真結(jié)果，可以看出，隨著W增加，齒根磁場均減小。齒根磁場0.01 T對應(yīng)的TMR傳感器極限W是4.6 mm、Hall傳感器極限W是3.7 mm，即TMR傳感器極限W比Hall傳感器大0.9 mm，由此可見TMR 傳感器y軸的可測量位移范圍更大。

圖8d為不同θ條件下的齒根磁場仿真結(jié)果，可以看出，隨著θ增加，齒根磁場均減小。齒根磁場0.01 T對應(yīng)的TMR傳感器θ是4.8°、Hall傳感器θ是3.85°，即TMR傳感器極限θ比Hall傳感器大1°左右，可見TMR傳感器y軸的可測量旋轉(zhuǎn)范圍更大。

L不同時(shí)的齒根磁場仿真結(jié)果如圖8e所示，可以看出，隨著L增加，齒根磁場均減小。齒根磁場0.01 T對應(yīng)的TMR傳感器L是4.6 mm、Hall傳感器L是4.4 mm，即TMR傳感器沿x軸位移測量范圍比Hall傳感器大0.2 mm，兩者差異并不是很大。

圖8f為α不同時(shí)的齒根磁場仿真結(jié)果，可以看出，隨著α增加，齒根磁場均減小。齒根磁場0.01T對應(yīng)的TMR傳感器α是4.5°、Hall傳感器α是3.6°，即TMR傳感器的極限α比Hall傳感器大0.9°，由此可見TMR傳感器x軸的可測量旋轉(zhuǎn)范圍更大。

3 結(jié)論

通過搭建的凸輪軸傳感器測試臺(tái)架對TMR和Hall傳感器進(jìn)行測試，得到Hall傳感器極限z向測量間隙為3.2 mm，相比之下TMR傳感器極限z向測量間隙測量范圍更大，為4.2 mm。通過仿真得到TMR傳感器極限H對應(yīng)的齒根磁場為y向0.01 T，而Hall傳感器為z向0.07 T。不同條件下，仿真得到TMR傳感器的極限安裝誤差φ為4.8°、W為4.6 mm、θ為4.8°、L為4.6 mm、α為4.5°，Hall傳感器的極限安裝誤差φ為3.8°、W為3.7 mm、θ為3.85°、L為4.4 mm、α為3.6°，分析得到TMR傳感器的測量范圍比Hall傳感器更大。文中研究有助于減少實(shí)驗(yàn)數(shù)量，節(jié)省成本，提升TMR傳感器研發(fā)效率和效能；研究結(jié)果有利于優(yōu)化提升磁-電轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而提升凸輪軸、曲軸傳感器模組測試距離，降低發(fā)動(dòng)機(jī)與傳感器之間裝配難度，為TMR傳感器的安裝位置設(shè)計(jì)提供了參考方法，提升了傳感器安裝位置設(shè)計(jì)效率。

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