2012年第11期
仪表技术与传赢
Instrument Techniqueand Sensor
宽测量间距巨磁阻齿轮转速传感器的研制
窦可，钱正洪"2，于晓东”，白茹”，时劭华，詹宏良”，孙宇澄，杨昌茂
（1.杭州电子科技大学磁电子中心，浙江杭州310018;2.东方微磁科技有限公司，湖北宜昌443003）
2012 No. 11
摘要：文中设计了一种宽测量间距齿轮转速传感器。所研制的齿轮转建传感器选用巨磁阻芯片作为敏感元件，永磁体提供偏置磁场，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。采用有限元磁场仿真软件AnsoftMaxwell仿真了该齿轮转速传感器工作时，巨磁阻敏感芯片周围的磁场分布及变化情况，并通过实验验证了仿真数据的正确性。所研制的齿轮转速传感器不仅具有频率性能好，灵敏度高，体积小等优点，测量间距可超过4mm，
解决了传统转速传感器测量间距小的问题。关键词：巨磁阻；齿轮转速传感器；宽测量间距
中图分类号：TN4
文献标识码：A
文章编号：1002-1841(2012)11001303
GMR-based Gear Sensor with Wide Air Gap
DOU Ke' , QIAN Zheng-hong', YU Xiao-dong" ,BAI Ru',SHI Shao-hua',ZHAN Hong-liang’,
SUN Yu-cheng',YANG Chang-mao?
(1. Center for Integrated Spintronie Devices,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China;
2. SPINIC Ine. ,Yichang 443003,China)
Abstract: This paper designed a GMR-based gear sensor. The sensor included three parts, a GMR ( giant magneto-resistance) sensor element,a magnet placed behind the sensor,and a eircuit for processing the sensor output,which was a reflection of the mag netic field signals generated from the gear rotation. Ansoft Maxwell software was used to simulate and analyze the magnetic field sig-nals generated on the GMR sensor element by the gear rotation, and then the experiments were carried out to confirm that the sensor output was in agreement with the simulated results., The GMR-based gear sensor has excellent characters of wide bandwidth, high sensitivity ,small size, and can realize measurement of the rotation speed with the air gap more than 4 mm. The GMR-based gear
sensor is an ideal replacement for the traditional gear speed sensors,which have to be placed closely to the gear Key words: giant magneto-resistance; gear sensor;wide air gap
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引言
齿轮转速传器种类紧多，在工业测量、自动控制和汽车安全等领域，都发挥着重要的作用")。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。目前市场上应用最多的齿轮转速传感器主要有3种：光电式齿轮转速传感器、磁电式齿轮转速传感器和霍尔式齿轮转速传感器。光电式齿轮转速传感器易受振动冲击，油污、粉尘及杂质等恶劣环境的影响，应用领域有限(2]。磁电式齿轮转速传感器无需外电源，但是信号幅度的变化取决于信号转子的转速，低转速性能比较差，体积较大，不方便安装和测量[3]。霍尔式齿轮转速传感器的输出信号幅值不受信号转子转速的影响，但是由于其磁场检测灵敏度的限制，测量时与齿轮的间距需在1.5mm左右[4]，易受机械振动等因素影响。此外，由于霍尔材料本身特性，其温度稳定性不好。
想要实现在宽测量间距时对齿轮转速的准确测量，就要求其敏感芯片的灵敏度必须很高。巨磁阻（giantmagneto-resist-基金项目；渐江省育厅“磁性材料和器件"高校创新团队（2009[171]）；浙江省重点科技创新团队子项目（（2010R50010）；浙江省重大科技专项重点工业项目(2011C11047)
收稿日期：2011-1110收修改稿日期：2012-0801
ance，GMR)效应[3]是1988年在Fe/Cr多层膜中发现的各向异性效应，相对于传统的磁电阻效应（约1%~3%）大一个数量级以上6)。基于巨磁阻效应制或的巨磁阻芯片具有灵敏度高，相同条件下输出信号大，响应频率高、体积小等优点7-")。
文中将采用高灵敏度SS02-1巨磁阻芯片作为敏感元件，研制一种巨磁阻齿轮转速传感器。AnsoftMaxwell软件被用于分析齿轮与偏置磁铁的磁场特性。齿轮传感器测试平台被用
于对传感器的输出特性的分析。齿轮转速传感器整体设计
巨磁阻齿轮转速传感器是通过采集齿轮的凸齿和齿在转动过程中对分布在敏感芯片周围磁场的不同扰动信号，从面得到齿轮转速的一种传感器。文中设计的齿轮转速传感器主要由巨磁阻芯片、永磁体和信号处理电路三部分组成，具体结构分布如图1所示。
黄轮
C巨磁阻芯片
y
辅出口
信号处理电路
B水磁体
图1
齿轮转速传感器的基本构成及工作原理示意图