高精度磁栅式隧道磁阻微位移传感器

利用隧道磁阻(TMR)效应设计了一种结构相对简单的磁栅式高精度微位移传感器。首先,介绍了磁栅式隧道磁阻位移传感器检测原理,凭借隧道磁阻传感器高灵敏度的特点检测磁栅敏感轴上方的空间磁场,接着利用COMSOL有限元仿真软件对磁栅结构进行仿真设计,验证了磁栅的磁场分布特性。通过搭建四桥路检测电路能够使TMR传感器有效抑制外部磁场干扰以及温度对TMR传感器的影响;得益于90°移相电路模块的加入,得到两路相位相差90°的标准正余弦信号,解决了传统的由于空间非正交引起的相位和幅值等误差问题,为超高倍数的细分插值技术奠定了基础,最后结合细分因子为9600的插值电路,理论上可实现208 nm的高分辨率位移检测,在20 mm量程范围内能达到0.15%的位移测量精度。

高灵敏隧道磁阻传感器在铝合金材料检测中的应用

针对铝合金材料的电导率和厚度检测,基于隧道磁阻传感器的高灵敏特性设计了一种用隧道磁阻传感器替代涡流传感器中敏感线圈的装置,减小了激励线圈的体积和功耗。采用正交锁相放大器的信号处理电路降低了噪声,对铝合金材料引起的磁场变化灵敏度可达0.1μT。实验结果表明:电导率差值小于0.4×10^(7)S/m,厚度差为1 mm的3种被测铝合金材料可被准确区分。该装置与涡流传感器相比,体积更小,功耗更低,灵敏度更高。

基于3D打印的隧道磁阻加速度计研究

由于隧道磁阻(TMR)效应具有高灵敏度优势,被用于加速度的检测,设计了一种基于3D打印的TMR加速度计。首先,根据线性加速度计的工作原理,推导出输入加速度与输出位移的关系,同时通过对永磁体数学模型的分析得出永磁体周围磁场强度变化率与位移变化的关系;接着,根据TMR效应的原理,设计加速度计整体架构,实现加速度—位移—磁场—电压的转换;随后,设计加速度计机械结构,进行机械结构仿真优化与磁场仿真分析,确定结构参数和布局方式;最后,设计了TMR加速度计测控电路,进行电路仿真和实验验证。实验测试数据显示,该TMR加速度计标度因数为161.1 mV/gn。

隧道磁阻传感器在OLED电流检测中的应用

有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode,OLED)显示器的亮度、色域和显示不均(Mura)等特性与其驱动电流息息相关。为了实现封装后OLED电流的无损检测,本文建立了一种基于隧道磁阻(Tunneling Magnetoresistance,TMR)效应的OLED电流无损检测方法。首先,根据OLED显示器亮度与驱动电流的关系,得到一行像素全部点亮时的驱动电流是40 mA,通过仿真分析40 mA电流的空间磁场分布,估算出TMR磁传感器的灵敏度指标要求。然后,选择TMR2922作为磁传感器,实验研究了点亮双行、多行和单列像素时,显示器磁场与电流的关系、屏幕电磁兼容问题和传感器灵敏度问题。最后,对比分析了不同驱动电流下,TMR2922的磁场数据和Hyperion色度计的光学数据。仿真表明,高度为1.5 mm时磁场传感器的噪声要优于1.1 nT/√Hz;实验结果表明,在无屏蔽环境下TMR2922可以检测出OLED mA级的行电流,对于μA级的列电流需要灵敏度更高的磁传感器。

基于隧道磁阻传感器的车辆探测器研究

设计了一款基于隧道磁电阻传感器(TMR)的车辆探测器。通过理论分析与仿真,确定了车辆探测器的关键指标。对车辆所产生的磁异常信号进行了测量与分析,并根据磁异常信号的特征设计了专用检测电路。在此基础上,对车辆探测器的线性度、噪声、带宽、检测距离、有效探测率等性能指标进行了标定和测试。测试结果表明,该车辆探测器的最远探测距离可达4 m,在3.5 m的探测距离内有效探测率达100%。该车辆探测器拥有精度高、线性度好、体积小、功耗低等优势,适用于高灵敏度的运动车辆目标检测和探测。

罗氏线圈与隧道磁阻复合的电流测试方法

针对车载微电网中电流频率成分丰富和电磁环境复杂的环境特征,为了实现车载微电网电流测试的问题,利用隧道磁阻传感器低频特性好和罗氏线圈中高频特性好的优点,研究了罗氏线圈与隧道磁阻复合的全封闭式电流测试方法。采用Ansoft Maxwell对屏蔽壳体的屏蔽效能进行了仿真分析,利用罗氏线圈和隧道磁阻传感器进行工频测试实验,并以钳形电流探头作为基准完成标定,将标定后的传感器及测试系统进行微电网储能并/离网过程中的尖峰脉冲电流测试实验,进行了数据复合处理。实验结果表明,复合后的电流测试信号与钳形电流探头测量信号一致性好,特别是尖峰处误差减小,复合后脉冲电流峰值相对误差减少到3.67%。罗氏线圈与隧道磁阻两种传感器数据复合的电流测试方法对于装备的电气化测试具有重要意义。

基于隧道磁阻阵列的钢索断丝检测传感器研制

为将新型高灵敏度磁敏元件——隧道磁阻(TMR)器件应用于钢索断丝漏磁检测,采用带磁屏蔽层的类赫姆霍兹线圈作为励磁结构,设计了基于柔性印刷电路的隧道磁阻圆环阵列,可实现对直径为14 mm钢索表面断丝处漏磁场的检测。利用加工有全环向沉槽的钢杆试件,测试7个TMR阵元的一致性,结果表明,宽、深均为0.5 mm的沉槽缺陷检测信号幅值均值约33 mV,信噪比可达14.5 d B,而7个阵元输出电压的极限误差为±1.85 mV。将研制的隧道磁阻阵列传感器应用于钢索表面6处位置不同的断丝缺陷检测,依据检测信号或扫查成像结果,可以清晰分辨出单根0.5 mm断丝缺陷,并确定各断丝在轴向和周向的位置。

基于隧道磁阻效应的电流传感器设计

针对复杂电流环境下高精度电流采样的需求,设计基于隧道磁阻效应的电流传感器,它能有效实现在直流和偶次谐波影响下的高精度电流采样,直接替换微型电磁式电流互感器。研制了基于隧道磁阻效应的电子式电流传感器样机并进行实验,在直流(半波)条件下测试,电子式电流传感器采样的电表用电量与锰铜采样的电表用电量基本接近,误差基本为零,而电磁式电流互感器采样的电表在不同功率因数下计量都不准确。该传感器能够广泛应用于智能电网、新能源和广播电视领域设备的电流测量,如新能源汽车、直流充电桩等应用。

基于隧道磁阻传感器的三维电子罗盘设计

针对现有电子罗盘在地磁场检测时易受到外界磁场干扰而导致测量精度不高的问题,设计了基于隧道磁阻传感器(TMR)的三维电子罗盘并完成样机制作。研究了实际环境中电子罗盘的误差特性,经椭球拟合校正后,采用基于椭圆假设的椭圆拟合方法对误差进行补偿,补偿后其方位角精度可达0.85°,有效降低94.81%的方位角误差。实验结果验证了TMR传感器在电子罗盘应用的可行性。

隧道磁阻电流传感器的设计研究

隧道磁阻(TMR)器件具有灵敏度高、温度漂移小、线性误差小、动态范围宽的优良特性,采用隧道磁阻器件替代传统的霍尔器件、各向异性磁阻(AMR)器件和巨磁阻(GMR)器件可以显著地改善电流测量能力。以提高测量精度、系统小型化为目的,通过综合调整TMR元件尺寸以及聚磁结构位置,设计一种新型Z轴TMR电流传感器,实现采用隧道磁阻(TMR)器件的电流测量。根据初始测量数据进行温度补偿和线性补偿,该电流传感器在0.1~60 A范围内达到了1%的测量精度,在电流测量领域内具有较好的应用前景。

基于隧道磁阻效应的反正切转速测量方法

针对传统转速测试系统精度低、温度稳定性差、测量范围窄等问题,提出一种基于隧道磁电阻(TMR)效应的高性能转速测试系统。在没有误差校正的情况下实现了0.19°的位置检测精度,已经达到了工程应用中常见的2 000线编码器精度。本方法在被测转轴上布置磁栅环,利用具有高分辨率高频响特性的隧道磁电阻传感器对磁栅微弱磁场变化进行检测,得出频率随转速变化的正余弦信号。实验分别采用定时测角法、定角测时法和反正切法计算转速,结果表明3种算法中反正切算法检测精度最高,可达1.25%,更适合于隧道磁阻转速测量系统。

基于隧道磁阻效应的单轴加速度计研究

提出了一种基于隧道磁阻效应的单轴加速度计。阐述了隧道磁阻加速度计的结构原理,在线性加速度计等效模型基础上推导了加速度计的位移响应公式;构建圆柱形永磁体的磁场分布模型,借助平动位移和磁场强度分布曲线近似推导了磁场强度与位移之间的关系式;结合隧道磁阻线性磁场传感器的线性特性,推导了输入加速度与隧道磁阻线性磁场传感器输出电压的关系式;对隧道磁阻加速度计进行运动特性进行了仿真,设计了隧道磁阻效应加速度计测控电路,并进行了实验验证。实验结果表明:在弹性梁的长、宽高分别为8,1. 8,50 mm以及TMR传感器与永磁体底面竖直距离为5 mm时,隧道磁阻式加速度计的标度因数为307. 03 mV/gn,偏置稳定性为206. 4μgn,非线性度为1. 65%。

基于隧道磁阻效应微陀螺双闭环驱动电路研究

由陀螺谐振频率变化引起的陀螺灵敏度漂移和测量稳定性下降是进一步提升微陀螺性能需要解决的问题,文中提出一种基于自动增益控制和锁相环的双闭环驱动回路方法。研究了隧道磁阻微陀螺的幅频和相频特性,并利用Simulink搭建了陀螺驱动模态以及自动增益控制和锁相环双闭环控制系统模型。结果表明,当驱动模态的幅值和微陀螺的固有频率发生变化时,采用双闭环驱动电路系统可以实现恒幅控制和频率的实时跟踪,达到稳态的振荡时间在ms量级,远小于传统闭环驱动电路的响应时间,这一方法将对进一步提高微陀螺测量稳定性和高灵敏度起到关键性的作用。

基于隧道磁阻传感器的电流测试电路设计

智能电网的发展给电流测试技术提出了更高的要求,为实现待测电流的准确测试,提出使用2个敏感面相反的隧道磁阻传感器进行测试。在完成检测模型搭建、测试电路参数确定、Multisim仿真,以及调理电路设计的基础上,对微电网中的待测电流进行测试,并对处理后的测试信号进行误差计算。试验结果表明,所设计的电路可以完成电流测试;所测信号经过处理,测试误差由单个传感器的0.42%降至处理后的0.04%。该电路的设计对基于隧道磁阻传感器的电流测试具有一定的参考价值。

基于隧道磁阻磁场传感器的断路器弧后电流测量

为实现断路器开断过程弧后电流的非接触式测量,提出基于阵列式隧道磁阻(tunnel magnetoresistance,TMR)磁场传感器的弧后电流测量方法。首先以TMR磁场传感器为核心设计搭建电流测量装置,在50 Hz交流电电路中验证方案的可行性和精度;之后搭建断路器合成回路实验装置并进行弧后电流测量,获得各TMR磁场传感器的电压变化曲线,根据电压与电流的对应关系反推出电流变化曲线,并对比前人研究测得的弧后电流波形,两者变化趋势一致,数值数量级相同,佐证了测量结果的可靠性。实验结果表明:TMR磁场传感器能实现交流电流的测量,频率响应及时,误差在±7%以内,电流数值与TMR磁场传感器离电流的距离相关,最小可测得90 mA。

常压封装下隧道磁阻微陀螺的高灵敏结构设计

针对现有微陀螺难以实现常压封装下高灵敏检测的难题,设计了两种应用隧道磁阻效应检测的微陀螺结构,分别采用面内检测与离面检测,本文从阻尼与检测磁场两方面对二者性能进行分析。首先通过对二者阻尼的计算,得到常压下面内检测结构的灵敏度为35.18 nm/(°/s),离面检测结构的灵敏度为3.19 nm/(°/s),面内结构比离面结构的灵敏度高约10倍,从阻尼方面考虑,采用面内检测的结构更优;其次设计了应用于两种结构中的检测磁场,得到了面内检测磁场相比于离面检测磁场具有更高的磁场变化率,更好的磁场一致性,从磁场方面考虑,同样得到面内检测的微陀螺结构更优。因此,应用面内检测结构可以实现隧道磁阻微陀螺在常压下的高灵敏检测。

基于隧道磁阻传感器的GIS隔离开关双确认系统设计

为实现高压隔离开关分合闸位置的精确测量,文中基于隧道磁电阻效应的磁感应原理设计了一套GIS隔离开关分合闸位置监测系统,实现GIS隔离开关分合闸状态的精确判别,与传统辅助开关接点构成隔离开关分合闸位置的非同源位置“双确认”判据,为一键顺控操作提供辅助判别支撑,满足变电站设备操作安全可靠性要求。试验证明,文中设计的系统具有较好的稳定性、准确性和可靠性,为变电站一键顺控操作的工程实施起到了极大的推动作用。

隧道磁阻加速度计温度补偿技术研究

隧道磁阻传感器具有灵敏度高、功耗低和体积小等特点。利用其高敏感特性,采用力、磁、电多物理场耦合可以实现加速度的高精度测量。针对存在的温度漂移问题,在研究隧道磁阻传感器温度误差产生机制的基础上,对其本身进行温度误差补偿;同时结合加速度计测量系统及其温度特性,采用Elman神经网络构建系统的温度补偿模型,并利用粒子群算法优化网络参数。实测数据表明,补偿后的加速度计标度因子温度系数从719×10^(-6)/℃减小为193×10^(-6)/℃,全温零偏极差从125 mg减小为5.2 mg,证明该方法能有效提升隧道磁阻加速度计的温度性能。

隧道磁阻微陀螺结构设计与加工

微机械陀螺的核心技术是微弱柯氏力的检测,而常规的微弱柯氏力检测水平已达到极限.本文设计了一款新颖的基于隧道磁阻效应检测的面内微陀螺结构,利用隧道磁阻效应的高灵敏特性来实现微弱柯氏力的高灵敏检测.阐述了隧道磁阻微陀螺的工作原理,分析了微陀螺的动力学方程,完成了微陀螺结构设计、工艺加工及测试.测试结果表明:微陀螺驱动方向和检测方向谐振频率分别为6 853Hz和6 854Hz,与理论仿真基本一致;微陀螺驱动方向Q值为571.1,检测方向Q值为527.3,结构灵敏度为15.3nm/°/s.

三轴隧道磁阻阵列电流传感器及电流测量方法

针对现有阵列式电流传感器测量偏心、倾斜导线时仍存在较大电流测量误差,设计了一种三轴隧道磁阻阵列电流传感器实现了导线偏心、倾斜时电流的准确测量,对单轴、双轴和三轴隧道磁阻阵列传感器的电流测量误差进行仿真比较,最大电流测量误差结果为25%、20.5%和1.39%,结果表明三轴隧道磁阻阵列电流传感器显著提高了导线偏心、倾斜时的电流测量精度,克服了导线偏心、倾斜对电流测量误差的影响,三轴隧道磁阻阵列电流传感器在电流测量领域中具有巨大优势。