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宽测量间距巨磁阻齿轮转速传感器的研制

作　者: 窦珂
导　师: 钱正洪
学　校: 杭州电子科技大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 多层膜巨磁阻自旋阀巨磁阻齿轮转速传感器宽测量间距
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

齿轮转速传感器是通过采集齿轮的凸齿和凹齿在转动过程中对周围环境的不同作用信号，从而得到齿轮转速的一种传感器。齿轮转速传感器的种类繁多，可广泛应用于工业测量、自动控制和汽车安全等领域。然而这些应用场合大都环境恶劣，目前市场上应用的比较多的转速传感器有：光电式转速传感器易受油污、粉尘等杂质的影响，磁电式转速传感器的低转速性能差，霍尔转速传感器的测量间距小，容易受到振动冲击的作用而发生错位或者损坏，造成不能准确测量转速。因此，需要一种宽测量间距的齿轮转速传感器来克服这个缺陷，达到能够精确、无误、安全地测量转速的目的。想要实现转速传感器具有宽测量间距的性能，就要求其敏感芯片的灵敏度必须很高。本文研究了一种具有宽测量间距的齿轮转速传感器。该传感器选用巨磁阻芯片作为敏感元件，巨磁阻芯片的灵敏度很高，比一般磁阻元件要高一至两个数量级。永磁体提供该传感器的偏置磁场，然后通过信号处理电路采集齿轮转动过程中所产生的磁场扰动信号实现齿轮转速的测量。文中选用多层膜和自旋阀两种巨磁阻芯片分别作为探头设计转速传感器，并利用磁场有限元软件Ansoft Maxwell仿真分析了该传感器的磁场分布情况，仿真结果可以指导转速传感器的设计：（1）齿轮在转动过程中，其凸齿和凹齿对分布在巨磁阻芯片磁敏感轴方向上磁场的影响，利用仿真结果可以更加清晰地分析本文设计的转速传感器的工作原理；（2）齿轮与巨磁阻芯片的测量间距不同，对分布在巨磁阻芯片磁敏感轴方向上磁场的影响，通过仿真结果，可以分析得到本文设计的转速传感器具有宽测量间距特性；（3）齿轮的凸齿宽、凹齿宽和齿深对分布在巨磁阻芯片上磁场的影响，仿真结果可以指导设计永磁体与齿轮的大小关系；（4）永磁体对巨磁阻芯片工作区间的偏置特性。本文还详细介绍了该传感器的信号处理电路的各个部分的功能和特点。最后，在实验室自主设计的齿轮转速传感器测试平台上，对该传感器的宽测量间距性能和基于多层膜巨磁阻芯片设计的转速传感器的单极输出特性进行验证。总之，本文设计了一种基于巨磁阻芯片的齿轮转速传感器。该转速传感器不仅具有灵敏度高，频率性能好，体积小等优点，测量间距超过4mm，解决了传统转速传感器测量间距小的问题，因而有着广泛的应用前景。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
1 绪论  10-20
  1.1 转速传感器概述  10-15
    1.1.1 机械转速计  10-11
    1.1.2 测速电机  11
    1.1.3 磁电转速传感器  11-12
    1.1.4 光电转速传感器  12-13
    1.1.5 电容转速传感器  13-14
    1.1.6 霍尔转速传感器  14-15
  1.2 磁性传感器介绍  15-17
  1.3 国内外研究现状  17-18
  1.4 本文的研究目的和意义  18-20
2 巨磁阻效应及其原理  20-28
  2.1 巨磁阻效应概述  20-23
    2.1.1 巨磁阻多层膜  20-21
    2.1.2 巨磁阻自旋阀  21-23
  2.2 本研究所用巨磁阻芯片介绍  23-26
    2.2.1 SS 系列巨磁阻芯片  23-25
    2.2.2 SAS 系列巨磁阻芯片  25-26
  2.3 本章小结  26-28
3 巨磁阻齿轮转速传感器原理及仿真  28-41
  3.1 转速传感器的构成及工作原理  28-29
  3.2 齿轮转速传感器磁场分布分析  29-31
    3.2.1 建立模型  29-30
    3.2.2 仿真结果分析  30-31
  3.3 测量间距对传感器磁场分布的影响  31-33
    3.3.1 模型设置  31-32
    3.3.2 仿真结果分析  32-33
  3.4 齿轮凸齿对磁路的影响  33-35
    3.4.1 模型设置  33-34
    3.4.2 仿真结果分析  34-35
  3.5 齿轮凹齿对磁路的影响  35-36
    3.5.1 模型设置  35
    3.5.2 仿真结果分析  35-36
  3.6 齿轮齿深对磁路的影响  36-38
    3.6.1 模型设置  36-37
    3.6.2 仿真结果分析  37-38
  3.7 传感器芯片的偏置特性  38-39
  3.8 本章小结  39-41
4 巨磁阻齿轮转速传感器整体设计  41-48
  4.1 传感器探头设计  41-43
  4.2 信号处理电路设计  43-46
    4.2.1 稳压电路  43
    4.2.2 放大电路  43-44
    4.2.3 隔直电路  44-45
    4.2.4 迟滞比较器和电压跟随器  45-46
    4.2.5 驱动电路  46
  4.3 传感器制作  46
  4.4 本章小结  46-48
5 巨磁阻转速传感器的试验与分析  48-55
  5.1 巨磁阻齿轮转速传感器测速性能  48-49
  5.2 巨磁阻齿轮转速传感器宽测量间距性能  49-52
  5.3 巨磁阻齿轮转速传感器偏置特性  52-54
  5.4 本章小结  54-55
6 总结和展望  55-57
  6.1 总结  55-56
  6.2 展望  56-57
致谢  57-58
参考文献  58-61
附录  61-62
详细摘要  62-69

宽测量间距巨磁阻齿轮转速传感器的研制

内容摘要

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