用于实验室环境磁场检测的高灵敏度GMI磁传感器研制

小型化、高灵敏、可实时精确测量实验室环境磁场的专用磁传感器,对确保实验室内精密设备仪器的正常运行具有重要意义。该文研制了一种基于巨磁阻抗(GMI)效应的磁传感器,传感器以钴基非晶丝为核心敏感材料,采用非对角激励方式测量磁场变化。在电路设计上,由预编程晶振与单稳态多谐振荡器构成磁传感器的激励信号发生电路,由反相缓冲器、开关检波和反相积分器构成磁传感器的信号处理电路。性能测试结果表明在–60 000~60 000 nT的磁场强度范围内,传感器分辨率可达750 pT,24 h漂移量≤3 nT,非线性度<0.5%,达到了实验室实际环境磁场测量要求。

实验环境中主动消磁器的研究与设计

现代凝聚态物理学实验技术向高空间、时间分辨率和高探测灵敏度发展,对环境磁场要求极其严格。主动式消磁器是优化实验室环境磁场的一个重要手段。本文设计了基于亥姆霍兹线圈特性与Labview系统信号处理功能的新型数字式主动式消磁器。该消磁器可以实时补偿实验室内特定频率范围的环境磁场,降低环境磁场对物理实验仪器的影响。实验证明,在不同磁场环境下应用该消磁器消磁后环境磁场可控制在50nT内,达到了电子显微镜等多种凝聚态物理学实验仪器的低磁场环境使用要求。

可寄生式双极电感绝对角度传感器研究

角度传感器作为电机的核心定位部件,对电机的定位精度有重要影响。该文设计了一种双极电感式绝对角度传感器,该传感器通过周期性改变线圈中感应电压的大小来测量角度,敏感结构主要包括转子和定子,可实现与电机主轴的一体化。其中转子由内外单周期、多周期扇形铜箔组成,形成双极布局,定子由激励线圈、接收线圈以及后续处理电路组成。定子中的两组接收线圈,一组线圈由8个回路组成,对应为外沿多周期扇形铜箔,另一组由2个回路组成,对应中心180°扇形(半圆形)铜箔,两组线圈相互独立,互不影响。当转子在接收线圈上方转动时,转子中产生的涡流会使相邻两个接收线圈感应电压呈周期性正余弦形式变化。8回路线圈测量精度高,但360°内会出现多个周期信号,无法实现绝对位置测量。而2回路线圈在360°范围感应出1个周期信号,通过2回路线圈为8回路线圈提供周期数鉴别,进而解决了绝对位置测量的问题。通过算法对正余弦信号进行识别解算,以高精度转台为基准对样机进行测试,结果表明,传感器测量误差可以达到0.04°,满足电机位置控制精度要求,验证了该方案的可行性。

用于伺服定位实验系统的高精度磁编码器设计与研制

编码器作为伺服电机系统角度检测、反馈的最核心部件,其自身定位精度至关重要。将基于隧道结磁电阻原理的磁敏芯片作为敏感元件,配合开关电源和线性电源模块形成电源系统,使用STM32F373单片机芯片及其外围电路组成信号处理微系统,使用自定义基于RS-485的Modbus RTU协议进行数据传输和通信,设计和研制了一种高精度的磁电式旋转编码器,并采用自动采集系统对编码器数据进行了采集及存储。在程序设计方面,针对敏感元件的原始输出数据,设计和编写了一种数据处理、修正和校准算法,并使用MATLAB软件对编码器解算的角度数据进行了仿真、运算和验证。为进一步检验所研制的编码器在实际工况下的角度测量精度,将编码器安装在高精度时栅转台系统上进行了测试,编码器测试精度达到0.0469°,可应用于伺服电机角度反馈系统。

基于电涡流的多周期双极直线位移传感器

传统的基于电涡流的多周期位移传感器由于输出信号的周期重复性,难以解决断电重启后的绝对位置识别问题。提出一种基于电涡流的新型双极直线位移传感器。经过理论与仿真分析,验证了随着滑片的滑动,接收线圈中感应电压的幅值呈现正余弦变化。设计了双极敏感结构,通过上极多周期接收线圈保证位移的精确测量。下极布置单周期接收线圈对上级所处周期进行识别。通过感应信号偏移及幅值归一化处理算法提高精度,在实验室搭建传感器样机,以高精度电控平移台进行测试。经测试,新型多周期双极电涡流直线位移传感器可以实现绝对位置测量,在0~60 mm量程内测量误差为30μm,最大非线性为0.08%。突破了传统多周期涡流式位移传感器绝对位置无法识别的局限。

基于MEMS器件的高精度动态倾角传感器研制

利用ICM20602 MEMS六轴传感器设计了一种基于自适应互补滤波的动态倾角传感器,建立误差模型对加速度计与陀螺仪输出进行校正,根据加速度的输出自适应选择互补系数以更好利用加速度计静态精度对陀螺仪漂移进行修正。基于STM32F103搭建传感器实机与未经校正、使用定参数互补滤波的传感器输出进行动静态对比实验,证明该传感器在校正输出并自适应滤波后能够进行较高精度的倾角测量。

非接触电感式角位移传感器的设计与校准

本文设计了一种非接触电感式角位移传感器,该传感器由定子和转子组成,其中转子由扇形铜箔获得,定子包含一组激励线圈,一组接收线圈以及后续处理电路。当给激励线圈通入交变电流时,相邻两个接收线圈产生的感应电动势大小相等,方向相反,此时感应电压为0,当转子在接收线圈上方转动时,转子中产生的涡流会导致相邻两个接收线圈感应电压产生不同的变化,经过理论与仿真分析,验证了随着转子的转动,接收线圈中感应电压的幅值呈现正余弦变化。本文编写算法对正余弦信号进行识别与校准,以定位精度为0.0003°的高精度时栅转台为基准对样机进行测试,结果表明校准完成后,在0°~360°范围内该传感器误差为0.1°,满足实际生产需求,验证了该方案的可行性。

基于TMR的二线制角度传感器设计

隧道磁阻（TMR）相比于传统磁敏感元件具有功耗低、体积小、灵敏度高、温度特性好等优点。基于TMR芯片设计的两线制非接触式角度传感器,遵循低功耗原则设计了硬件电路,软件上完成对芯片输出正弦曲线的修正和角度的校准,通过XTR115芯片实现了工业二线制4-20 m A标准输出,能对360°全角度进行精确测量。实验证明：该角度传感器精度达到设计要求,特别适用于需要远距离传输信号的工业现场。

基于STM32的图像编码与采集系统

随着机器视觉、模式识别、图像处理等技术的发展,图像编码与采集技术也显得越来越重要。针对图像采集系统的开发成本、开发难度以及所采集图像的清晰度方面的问题,本文采用意法半导体公司的STM32F407单片机作为主控芯片,OV2640摄像头模块作为图像采集模块,设计了一款低功耗、低成本的图像编码与采集系统。利用STM32的数字摄像头(DCMI)接口、直接存储器访问(DMA)等外设,以及OV2640的硬件编码能力,本系统可以采集分辨率为1600*1200的JPEG格式的图像,或者将RGB565格式的图像编码成分辨率为800*480的BMP格式图像,并将采集到的图像保存到SD卡。

基于MEMS的距离自适应型非接触静电仪

静电场测量是检测物体是否携带过量静电最直接的手段,对于静电防护具有重要意义。传统的静电仪主要依赖固定距离测量,在被测物难以维持静止或不容易靠近时,距离改变引起灵敏度变化,造成测量误差。该文基于微机电系统电场传感器,提出一种可根据测试距离自适应调整灵敏度的静电测量思路:通过超声波模块测量被测物的距离,然后通过单片机查找对应的灵敏度系数,结合电场测试结果计算被测电压。针对研制的静电仪,该文提出基于实验室标定及现场标定相结合的校准方法,搭建了动态灵敏度标定系统,计算出不同测试距离、不同被测物尺寸的传感器灵敏度系数对应关系。与定距测量的传统静电仪相比,该文通过灵敏度动态标定,实现了更精确的非接触表面静电压测量;采用微机电系统电场敏感元件,具有体积小、功耗低、易集成、可批量化制备等优点,封装后无裸露可动部件,可靠性高。经第三方计量检测,在不同测试距离下的平均误差为–2.98%。