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磁阻角度和线性位置测量

ADI?? 2015年08月11日 ?? 收藏1

磁阻(MR)理论

磁阻是存在外部磁场时,材料改变其电阻值的能力。 最常用的MR传感器基于AMR技术。

图2. 各向异性磁阻示例
图2. 各向异性磁阻示例

AMR效应示例如图2所示。 电流(I)流过导体,受外部磁场(HY)影响。 导体电阻的变化与磁化矢量(M)和电流矢量(I)之间的角度成函数关系。 磁化矢量是内部磁场(HX)与施加的外部磁场(HY)的净求和结果。

当磁化矢量(M)与电流矢量(I)平行时,具有最大电阻。 当磁化矢量(M)与电流矢量(I)垂直时,具有最小电阻。

有效利用AMR效应要求导体自身必须对机械应力材料不敏感,但对磁约束敏感。 由于这些原因,透磁合金(80%镍,20%铁)是AMR传感器制造中最常用的合金。

透磁合金属性

透磁合金条有两个属性,创建角度测量系统时会具有设计挑战性。

首先,透磁合金具有较窄的线性工作区(见图3)。 仅当磁化矢量(M)和电流矢量(I)之间的角度变大时,响应才是线性的。 不幸的是,线性响应不久后透磁合金就会饱和。

图3. 透磁合金电阻与磁场的关系
图3. 透磁合金电阻与磁场的关系

其次,透磁合金对极性不敏感。 无论磁化矢量(M)和电流矢量(I)之间的角度是正或负,透磁合金条的电阻都将下降。

双色条磁极

改善透磁合金条线性度和磁极非敏感特性的常用方法是与金属条的轴向成45°添加铝条(称为双色条磁极,如图4所示)。 双色条磁极间流动的任何电流都将走最短的路径——垂直路径,并且电流矢量(I)和磁化矢量(M)之间的角度偏移45°。

图4. 透磁合金条的双色条磁极效应
图4. 透磁合金条的双色条磁极效应

图5显示向透磁合金条中加入双色条磁极后的结果。 电流矢量偏移45,但磁化矢量保持不变。 注意,线性特性现在存在于图形的中央部分。

图5. 双色条磁极透磁合金电阻与磁场的关系
图5. 双色条磁极透磁合金电阻与磁场的关系

磁场强度

磁场强度至少为25 kA/m,才能确保满足ADA4571数据手册中的规格。 该激励磁场必须与ADA4571封装内传感元件的中央部分相交。

选择磁体时,需考虑传感器和磁体之间的气隙,如图6所示。 如果磁体未靠近传感器放置(即距离d极大),则可能需要更强或更大的磁体才能确保达到最小磁场强度要求。

图6. 用于转轴角度测量的磁体方向与气隙
图6. 用于转轴角度测量的磁体方向与气隙

传感器基础知识

标准AMR传感器由两个惠斯登电桥组成,互相之间的相对角度为45°,如图7所示。

图7. ADA4571双惠斯登电桥配置
图7. ADA4571双惠斯登电桥配置

旋转磁场产生正弦和余弦输出信号,如图8所示。 两个信号在180°范围内均为周期信号,因此没有额外元件或参考点就无法进行全方位360°测量检测。

图8. 磁阻传感器输出电压
图8. 磁阻传感器输出电压

通道灵敏度

ADA4571传感器标称灵敏度为每通道52 mV/°,这意味着磁化矢量和传感器方向之间的每一度变化都会产生52 mV的输出电压改变。角度的灵敏度并非常量。 灵敏度下降的部分是线路斜率接近零时的输出部分。

如图8所示,余弦输出(绿线)在磁化矢量角度接近0°、90°、180°或270°时损失灵敏度。 类似地,正弦输出(红线)在磁化矢量角度接近45°、135°、225°和315°时损失灵敏度。 幸运的是,当一个通道的灵敏度降低时,另一个通道处于高灵敏度区域。

系统带宽、磁场旋转

磁场角度矢量是理解电路带宽的重要内容。 ADC每微秒转换一个样本。 为了获得1°分辨率,磁场1 ms只能移动1° (2.778 kHz),否则ADC无法以足够高的速度进行采样,以便跟上磁场变化的速度。 对于1 MSPS ADC,这表示磁场的最大可用角速度为2.778 kHz。

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