巨磁阻傳感器在角速度及角位移測量中的應用

摘 要 介紹了巨磁阻傳感器在角速度測量中的應用，改進了測量裝置，使其能夠精確測量出轉盤在任意時刻的位置以及任意時間段內的角位移。

關鍵詞 GMR傳感器；角速度；角位移；輸出電壓

一、引言

巨磁阻（GMR）傳感器是一個集磁性薄膜，半導體集成及納米技術為一體的高新技術產品，應用非常廣泛。其技術結構套用一個數學公式：GMR傳感器=磁性材料+納米技術+半導體集成。GMR傳感器和光電等傳感器相比，具有功耗小、可靠性高、體積小、能工作于惡劣環境等優點，可應用于測量位移，角度等傳感器中，可廣泛應用于數控機床，汽車測速，非接觸開關，旋轉編碼器中。

二、GMR傳感器角速度測量原理

圖1為角速度傳感器工作原理圖。將一塊磁鋼固定在轉盤的邊沿，GMR傳感器固定在輪子的旁邊并保持一定的距離，并使磁鋼磁場方向和GMR傳感器傳感軸方向均沿轉盤的切線方向。當轉盤轉動時，磁鋼因轉動而造成其磁場方向相對于固定的GMR傳感器發生改變，從而引起GMR磁場傳感器引腳輸出電壓的變化。只有當二者距離最近時，才會使產生一較大電壓脈沖輸出。這樣，每當轉盤轉動一圈，就會使產生一電壓脈沖輸出。通過記錄電壓脈沖的輸出，就可以計算單位時間內轉盤所轉過的弧度，即為轉盤的角速度。

圖2為電壓脈沖輸出與時間的關系圖。當轉盤作勻速轉動時，設相鄰兩電壓脈沖時間間隔為T，則轉盤的轉動角速度？棕=■。由于傳感器電壓輸出在大部分時刻均為零，所以無法確定轉盤任一時刻的與參考方向所成的夾角，也就是說上述裝置無法精確測量出轉盤任意時間間隔所轉過的角位移。

三、角位移的精確測量

圖3為在圖1基礎上改進的角位移測量工作原理圖。將四塊磁鋼均勻固定在轉盤上，GMR傳感器固定轉盤的中心（在內盤上不參加轉盤的轉動）。當轉盤位置在圖3所示位置（參考位置）時，將傳感器輸出電壓調節為2V，則轉盤轉過？茲時，傳感器輸出電壓U（？茲）=2（cos？茲+sin？茲）（0≤？茲≤90°）。圖4為傳感器電壓輸出與參考方向夾角關系圖。由圖可知，每當轉盤轉動一圈，傳感器電壓輸出會四次出現峰值，依次在與參考方向成45°、135°、225°和315°。只需要記下中間電壓峰值出現的次數以及始末時刻的電壓值，就能精確測量出轉盤在任意時刻的位置以及任意時間段內的角位移。

四、結論

介紹了利用巨磁阻效應研究開發的巨磁阻傳感器及其在角速度測量中的原理，改進了測量裝置，使其能夠精確測量出轉盤在任意時刻的位置以及任意時間段內的角位移，彌補了角速度傳感器在角位移測量中精確度不足的缺陷。

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