磁敏感傳感器接近開關的設計

唐林

（四川職業技術學院電子電氣工程系，四川遂寧629000）

磁敏感傳感器接近開關的設計

唐林

（四川職業技術學院電子電氣工程系，四川遂寧629000）

本文敘述了磁敏感傳感器元件的研制原理．并闡述了磁敏感接近開關的應用前景，簡述了利用磁敏感傳感器元件為檢測部件設計磁敏感接近開關．

傳感器；磁敏感；接近開關

人類社會在發展過程中，需要不斷地認識自然與改造自然，而認識與改造必然伴隨著對各種信號的感知和測量，這些都需要應用傳感器技術．傳感器技術運用在自動檢測控制系統中，對系統運行的各項功能起著重要的作用.系統的自動化程度越高，對傳感器的依賴性就越強．接近開關是自動控制和某些物理量的重要部件，國民經濟的各個領域都有著廣泛的用途.國外先進國家早在六十年代就將接近開關投入了商品化生產,現在工控市場各種接近開關越來越細分，供需量非常大，促進了相關產業的發展．

1 各相異性磁電阻效應簡介

傳感器是能感受規定的被測量并按照一定規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成.敏感元件是傳感器中能直接感受或響應被測量的部分；轉換元件是傳感器中能將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適合傳輸或測量的電信號的部分．

磁傳感器用來檢測磁場物理量信號的元件,磁敏感接近開關以磁敏感元件（MR）為敏感元件，而磁敏感元件的敏感機理是強磁性合金薄膜的各向異性磁電阻效應，下面對各向異性磁電阻效應做一簡要介紹．

鐵磁性材料中，存在三種電阻變化，一種是在固定溫度下阻值與它的磁化狀態有關；一種是阻值與因溫度變化而引起的磁化狀態變化有關；另一種是組織與材料的磁化方向有關，這最后一種電阻變化現象被稱為各相異性磁電阻效應，是威廉·湯姆遜于1857年首次發現的．在理論上，各向異性磁電阻效應可用電子自旋磁矩的相互耦合及電子d能帶的分裂來解釋．

鐵磁金屬具有很大的內部自發磁化，對于坡膜合金一類材料，只要用比內部磁化小3-4個數量級的外部磁場就能控制其內部磁化，而且，這類合金中電子的平均自由程很短，僅為200A左右，所以可有效地利用很薄的膜．我們的MR元件就是基于它們的這些特性設計的．

2 磁敏感元件的設計

由各向異性磁電阻效應可知，強磁性合金薄膜中電流方向平行時具有最大阻值，而在相互垂直時具有最小阻值．對于多晶薄膜，具有下面的關系式：

圖一MR元件的結構示意圖

其中θ為電流與磁化方向的夾角，R⊥和R∥分別為電流與磁化方向垂直和平行時的阻值．

根據式⑴，我們設計了由垂直放置的兩個N i-F e合金薄膜電阻值組成的三端MR元件，使其電流方向相差900．圖一是它的結構示意圖，圖二是它的等效電路圖．

由式⑴可知：

給MR元件加電壓V0，則b c端間的電壓

用式⑵、⑶代入式⑷，整理后得:

式⑸中等號右邊的第一項為退磁狀態下b c間的電壓，第二項為加磁場后b c間電壓的變化值，即輸出信號.從這一項可見，外加磁場若為旋轉磁場，則輸出信號是以π為周期的余弦交變信號，即在磁場旋轉一周時，輸出兩個余弦周期．我們用這個結構設計的三端MR元件主要性能參數如表一．

表一三端MR元件主要參數

3 MR磁敏感接近開關設計

我們利用MR元件作敏感元件設計了磁敏接近開關，其工作原理是利用磁敏感元件對磁場的磁感應信號的變化進行相應的變化，將此變化信號轉換成有用的電信號，設計響應的電路來完成信號的變換，以有利于傳輸．

根據檢測信號的特點設計框圖如圖二，檢測信號首先通過電路放大器進行放大，在此放大電路中是將檢測元件送過來的信號不加區分都進行了放大，在這部分放大信號中就有相當大部分信號是無用信號，甚至是干擾信號．為此必須設計整形放大電路，整形放大電路的功能就是去除無用和干擾信號，然后將有用信號傳輸至下一級．

電路工作機理是當永磁體接近或經過MR元件前時，MR元件受磁場作用而輸出電壓信號．該信號直接耦合到放大電路放大，經整形而成為接近電源電壓的直流信號，為了使接近開關能在較寬的溫度范圍內穩定地工作，對MR元件的溫度特性做了必要的補償，其主技術指標如表二．為了適應各種場合，可以采用塑料封裝、金屬封裝等形式，要求封裝方式必須安裝方便，通用性強．

圖二MR接近開關等效電路圖

表二MR磁敏接近開關的主要系數

4 結語

利用MR元件設計的磁敏接近開關具有很多優點，是有些高頻振蕩型、差動型、靜電電容型、光電及霍爾型接近開關所不及的．這在實際應用中已體現出來，隨著我國工業自動化程度的提高和國民經濟的發展，MR磁敏接近開關應用也越來越廣泛．

[1]李學慧，李艷琴.磁學基礎與磁性材料[M].杭州：浙江大學出版社，2006．

[2]俞云強.傳感器與檢測技術[M]．北京：高等教育出版社，2013．

責任編輯：張隆輝

TN602

A

1672-2094（2017）01-0155-02

2016-09-08

唐林（1966-），男，四川遂寧人，四川職業技術學院副教授，碩士.研究方向：應用電子技術方面.