可判向磁敏电阻转速传感器

可判向磁敏电阻转速传感器 2005焦 第12期 仪表技术与传感器 InstrumentTechnioueandSensorNo.12 可判向磁敏电阻转速传感器 宁学明,姚恩涛 (南京航空航天大学自动化学院,江苏南京210016) ? 摘要:简要介绍了磁敏电阻转速传感器的敏感元件——InSb磁敏电阻的工作原理.设计了一 种可 以判别齿轮转向的判向测速电路,并给出了对应于判向与倍频功能的时序图.测速时对传感 器输出信 号进行了四倍频,提高了测速精度.采用高性能的可编辑逻辑器件(PlY))GAL16V8代替了通 常的分立 器件,实现判向倍频的功能,简化了外围电路,提高了判向测速电路的稳定性和可靠性. 关键词:判向倍频电路;转速传感器;InSb磁敏电阻 中图分类号:TP212文献标识码:A文章编号:1002—1841(2o05)12一OO06—02 Direction-judgableRotatingVelocitySensorofMagnetoresistanee NINGXue-ming,YAOEn-tao (CollegeofAutomationEngineering,NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics,Nanjing 210016,China) Abstrcct:TheprincipleofInSbmag~etoresistancewasintroduced.Acircuitofdirection-judgableandm easuringrotativevelocity Wasdesigned,andthetimeprocedure&a~ngofdirection-judgableandmulti~e—frequencycircuitWasprovided.Themeasuringaccuracy ofvelocityWasimprovedbyadoptingthemethodoffourfold-frequency.Thehigh-performanceprogra mmablelogicaldevice(PLD) GAL16V8insteadofnormaldiscretedevicesWasutilizedtorealizethelogicalfunction,andbesides,the stabilityandreliabilityofthedi— rection-judgableandmultiple-frequencycircuitWasimproved. KeyWords:Direction-judgableandMultiple—frequencyCircuit;RotativeVelocityTransducer;InSbMagnetoresistance 1InSb磁敏电阻工作原理应强度,其数学表达式为 InSb磁敏电阻是利用半导体磁阻效应制成的一fL..\, 种磁敏元件.磁阻效应包括物理磁阻效应和几何磁一R0一P0×I’切nJj 洛仑兹力使在式中G,为几何形状因子,它与半导体片长 阻效应.在通电的半导体上加磁场时, 度L,宽度 半导体中作直线运动的载流子偏离了原来的运动方和霍尔角0有密切关系. 向,这样就延长了载流子通过的路程和时间,也就增设计的转速传感器是用InSb磁敏电阻的 对称半 加了它们与晶格,杂质原子和晶格缺陷碰撞的机会,桥结构形式再加上偏置磁钢做成的,其结构原理如图 从而降低了电子的迁移率.即半导体中电流方向发l所示.在齿轮旋转时,其中一个磁敏元件就会被齿 生偏转,结果延长了电流的路径,宏观地表现为元件轮的齿部覆盖,而另一磁敏元件则处在齿轮的凹部, 电阻的增加.在弱磁场作用下,其电阻率变化为从而引起两个磁敏元件的阻值发生变化.因此当齿 : P0=3.8x10-ivH2:?~a-iZZl篇2’畲薯喜爰萼IDo.1百芎,叉U所不.传恐嵛铜出1舌亏削拟罕利相1一] 式中:和』D.分别为有和无磁场时的半导体材料的齿轮的转速和位置有关,幅值的大小和齿轮无关.对 电阻率;H为磁场强度;为半导体中的电子迁移率.此磁敏元件输出的正弦信号再经放大,整形等电路就 若半导体晶片的几何尺寸不同,电阻值的变化率可以使传感器输出较好的方波信号. 也不相同.在强磁场作用下,其电阻率变化为 ::A+C(2) lDolDo. 式中:A为磁阻系数;C为常数. 几何磁阻效应描述的是导体磁阻效应与半导体 片几何形状的关系.若用R.和分别表示有磁场 和无磁场时半导体片的电阻值,B表示外磁场的磁感 收稿日期:2005—0l一20收修改稿日期:2005—08—02 图1转速传感器原理图2输出波形 2判向测速 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 及电路设计 使用2个磁敏电阻转速传感器,并且它们的安装 位置应保证其输出相位相差1/4周期,即1/4(1齿部 +1凹部).如图3所示,调整两传感器安装位置,即 壁 龋 第12期宁学明等:可判向磁敏电阻转速传感器7 使传感器1的探头中心对准一齿轮齿部的中心,传感 器2的探头中心偏离齿轮一齿部中心半齿的距离(即 两齿部中心距的1/4),即可实现两传感器输出信号相 位差为1/4周期. 霉曰D传感器2 图3传感器位置不意图 如图3所示,在齿轮转动时,当齿轮的齿部和凹部 交替通过磁敏传感器探头时,引起磁敏感元件的阻值 变化,传感器输出脉冲电压;当连续的齿部通过探头 时,输出一具有周期性的脉冲信号,该信号直接体现 了单位时间内通过探头的齿数,即齿轮的转速.即: 单位时间内有多少个齿部通过探头,传感器就会输出 多少个脉冲.齿轮齿数为定值,所以,传感器输出信 号的频率就和齿轮转速一一对应,可描述为 厂=ZN/60(4) 式中:z为齿轮齿数;N为齿轮转速. 采用了对传感器输出信号四倍频的方法,从而使 测速精度得以提高,对脉冲实现计数的方法既可以用 软件来实现,也可以用计数器来实现. 用分立元件实现的电路如图4所示,图中A,B为 经处理后的相位差为1/4周期的传感器输出信号,此 脉冲信号通过施密特触发器整形后,再经微分电路, 或非门,反向器和异或门处理后,得到四倍频信号z. 倍频信号时序图如图5所示. 图4判向倍频电路 判向电路主要由D触发器实现,见图4,用传感器 输出信号B经施密特触发器,反相器后的信号G1作 为D触发器的时钟;传感器输出周期信号A经施密特 触发器,反相器后的信号D1作为D触发器输入,其输 出Q即为判向信号.在此电路中,当A超前B时,B 相脉冲的上升沿对应A相脉冲的高电平阶段,使D触 发器输出端Q为高电平;反之,B相脉冲的上升沿对应 A相的低电平阶段,此时D触发器输出端Q为低电 平.判向电路时序图见图6,实现判别转向的功能. 卜\卜\卜\ 图5倍频信号时序图 由图4可得出判向倍频的逻辑表达式: Z=K0L=KL+KL(5) L=G+H=GH(6) K=D+E=DE(7) Q:D1(8) 式(8)为D触发器的特性方程,其时钟信号为Gl,如图 4所示. A B Q 广_]厂.]广_]广1] 图6判向时序图 虽然此电路实现了所要求的功能,但是由图4可 知,由分立元件组成的电路所用门电路比较多,电路 复杂,较易出现问题,且不具有保密性.采用了可编 程逻辑器件PID—GAL16V8B. LiAL16v8B 图7判向倍频电路 判向倍频PLD电路硬件接线见图7,GAL16V8工 作在带时序的组合I/O模式,除了2,9脚作为固定输 入外,将13脚也设置为输入,用来引入信号D1,1脚和 l1脚在时序工作模式下固定为时钟和使能信号;16, 17,18和19脚为一般组合输出模式,用来输出中间信 号Dl,Gl,K,L;15脚也为组合输出模式,输出四倍频 信号z;14脚为时序型输出,即输出判向信号Q. 根据式(5),式(8)可应用Abel等软件编译器编写 相应程序,编译通过后,用编程器对GAL器件进行编 (下转第15页) ADEKBGHLZ 第12期刘文江等:基于ARM的沥青软化点测试仪电控系统设计15 续运行可靠性实验,采用精度为O.02的温度计每15s 测量1次.用部分测量数据绘制出温度和时间的关系 曲线(用MATLAB绘制),如图5所示.由图5可知,温 度上升速度为5?/min,最大误差为0.38?. 45 4O 35 3O p25 320 l5 lO 5 O ? 图5温度随时间变化的关系曲线 实验表明:该测量仪完全满足国家标准要求,具 有控温精度高,运行可靠,功能完善,全自动测量等优 点.该仪器现已在山东交通学院运达仪器仪表公司 制造并批量生产. 参考文献 [1]LPC2132数据手册.http//www.~gancu.con. [2]JTJ052—2000公路 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 沥青及沥青混合料试验规程. [3]曹茂永.仪用放大器AD620及其应用.电测与仪表,2000(10):49— 52. [4]纪钢.HD7279A键盘显示驱动芯片及应用.仪表技术,2001(3):16 , 17. [5]赖寿宏.微型计算机控制技术.北京:机械工业出版社,2004:90一 l12. [6]周立功.ARM嵌入式系统基础教程.北京:北京航空航天大学出版 社.2005:255—269. (上接第7页) 程,编程器在编程结束后还具有对编程芯片所有的存 储单元进行自动检验的功能.由此可见,与用一般的 分立器件实现的逻辑电路相比,GAL器件的使用使外 围电路得到了简化,而且GAL器件借助计算机辅助设 计,在程序编译正确无误后,再用编程器向芯片中烧 写,其稳定性和可靠性得到了提高. 3结束语 使用PLD器件GAL16V8设计了应用于齿轮转速 传感器的一种判向倍频电路,简化了硬件电路设计, 降低了成本,提高了电路的可靠性和稳定性,且GAL 器件可多次修改和编程,灵活性较强. 参考文献 [1]王文生.InSb磁阻元件与传感器的进展.传感器技术,1994(2):1— 9. 【2]PARTINDL,HEREMANSJ,THRUSHCM,eta1.Mag~etoresistivesen— sots.IEEESolid—stateSensorandActuatorWorkshop,1992. [3]姚恩涛,郭滨,宁学明.1nSb磁敏电阻角位移传感器的研究.航空 计测技术,2004,24(5):8—10. 14]LatticeGAL16V8HilShPerformanceECMOSPLDGeneticArrayLogic. LatticeSemiconductorCorporation,2001. [5]蒋维玉.基于GAL芯片的数字电路设计.重庆邮电学院学报, 2000,12(4):79—82. [6]赵合稳,张建卫,裴恩宽.用于光电编码器的四倍频测量电路.电 敏度为1.24V/g(单峰值),线性度为 O.2%,满量程输出为876.7nlV(有效值). 表2M2测试记录(22?) 3.2横向灵敏度 横向灵敏度见表3. 表3横向灵敏度数据 3.3频带宽 M1带宽和M2带宽分别见图4,图5. 1. 1.2 . 銎骚0 2.0 1.8 1.6 1.4 理1.2 馨1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 图4M1带宽 图5M2带宽 参考文献 [1]颜永安,牛德芳,孙正鼐.石油勘探MEMS传感器的研究.物探装 备,2005,15(1):1—5. [2]牛德芳.力学量敏感器件及其应用.北京:科学出版社,1997.