姚　志，楊　華，孫繼忠

(大連理工大學,遼寧 大連　116024)

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基于巨磁電阻的轉速測量在實驗教學中的應用

姚志，楊華，孫繼忠

(大連理工大學,遼寧 大連116024)

摘 要：介紹了巨磁電阻梯度傳感器工作原理，設計、制作了適用于實驗教學的巨磁電阻轉速測量實驗裝置，實現(xiàn)了通過單片機對步進電機轉速的控制及對被測轉盤轉速的實時測量，給出了電機工作在不同轉速狀態(tài)下的測量結果，驗證了同步電機轉速與控制頻率的變化關系。

關鍵詞：巨磁電阻；轉速測量；單片機；步進電機

巨磁電阻(Giant Magnetoresistance,簡稱GMR )效應是法國A.Fert研究小組在1988年發(fā)現(xiàn)的磁阻變化現(xiàn)象[1]。此后，隨著對巨磁電阻研究的進一步深入，巨磁電阻的應用也受到了人們的重視[2-4]，現(xiàn)在許多高校開設了有關巨磁電阻效應的相關實驗[5-7]。然而，在實驗教學中，通過巨磁電阻測量轉速的實驗裝置介紹不多。為此，我們設計了基于巨磁電阻的轉速測量實驗裝置，并利用所設計的實驗裝置給出了相關測量結果。

1巨磁電阻傳感器原理

巨磁電阻通常由磁性納米金屬多層薄膜組成，無外磁場時，多層膜處于高阻狀態(tài)，外磁場足夠強時，多層膜處于低阻狀態(tài)，并且隨著外磁場的改變電阻變化存在線性關系[8]。將巨磁電阻構成傳感器時，一般利用4個巨磁電阻組成橋式結構。在工藝制作時，巨磁電阻電橋的兩對對角電阻分別置于集成芯片的兩端，如圖1所示。當傳感器置于均勻磁場時，由于4個橋臂電阻阻值變化相同，電橋輸出為零。如果磁場存在一定的梯度，各巨磁電阻接收到的磁場不同，磁阻變化不一樣，就會有信號輸出，通常這種傳感器也稱為梯度傳感器。如圖2所示為傳感器工作原理，將一永磁體放置于傳感器上方，可移動齒輪置于傳感器下方，若齒輪為鐵磁材料，當永磁體產(chǎn)生的空間磁場相對于齒牙的不同位置時，將產(chǎn)生不同的梯度磁場。a位置時，傳感器輸出為零。b位置時，R1、R2感受到的磁場強度大于R3、R4，輸出正電壓u。c位置時，輸出回歸零。d位置時，R1、R2感受到的磁場強度小于R3、R4，輸出負電壓。于是,在齒輪轉動過程中,每轉過一個齒牙便產(chǎn)生一個完整的波形輸出。

圖1　GMR梯度傳感器結構圖

圖2　GMR梯度傳感器工作原理

2測速實驗裝置設計

裝置的轉速測量系統(tǒng)如圖3所示，系統(tǒng)由轉動部分、傳感器測量部分、單片機主控部分和測速顯示部分組成。轉動齒輪轉盤為直徑80 mm、厚度8 mm、齒數(shù)30的碳鋼材料，通過電機直接帶動轉動。裝置的轉動電機采用步距角為1.8°的二相步進電機，通過單片機控制可以使步進電機工作在不同的轉速。巨磁電阻傳感器采用NVE公司的FDB型梯度傳感器，將巨磁阻傳感器與一個永磁體組成的組件置于齒輪轉盤的旁邊，當電機帶動轉盤轉動時，齒牙不同位置與永磁體之間將產(chǎn)生梯度磁場，每當電機主軸轉動一周，傳感器就會輸出30個模擬周期信號。將該信號經(jīng)電路放大、整形后，轉化為可用于計數(shù)的脈沖信號輸入到單片機主控單元，經(jīng)過單片機處理后，由顯示單元給出電機的轉速顯示。

圖3　GMR傳感器轉速測量系統(tǒng)

裝置的信號放大電路采用低功耗高精度寬帶儀表放大器AD620，通過調(diào)節(jié)AD620的管腳1和8之間外接可調(diào)電阻，使信號增益在0—50db范圍內(nèi)調(diào)整，當傳感器與轉盤之間距離變化時，可適當調(diào)節(jié)可調(diào)電阻以改變增益。信號整形電路采用遲滯比較電路，以克服擾動干擾，由運放集成電路OP07搭建構成，完成將模擬放大信號整形為方波信號。單片機控制單元采用89C52RC芯片，對來自傳感器的測速整形脈沖信號，由芯片的端口P3.4輸入，經(jīng)測速程序處理后輸出到顯示電路。顯示部分由集成電路74HC573和四位LED數(shù)碼管組成。

對轉速測量通常采用頻率法或周期法[9]，兩種方法都是對脈沖進行測量。頻率法是在規(guī)定的檢測時間內(nèi)，測量計數(shù)脈沖的個數(shù)；周期法是測量信號發(fā)出脈沖個數(shù)所需要的時間。本裝置的被測轉速不是很高，測速采用周期法。測量時單片機取樣測速脈沖，記錄脈沖個數(shù)及對應時間，以30個連續(xù)脈沖為計算單元給出轉速值。裝置工作時對轉動齒輪轉速設計有6個不同的轉速值，通過單片機輸出轉速控制脈沖到步進電機驅(qū)動芯片TB6560，使步進電機可以在6種不同轉速下轉動。不同轉速的選擇操作通過單片機端口P3.0~3.3和裝置面板的相關控制按鍵完成。

筆者自行設計制作的巨磁電阻轉速測量實驗裝置如圖4所示，裝置由齒輪轉盤組件和轉速測量主機兩部分組成。通過裝置的主機面板按鍵，可以選擇步進電機工作在速度Ⅰ和速度Ⅱ的高、中、低不同轉速狀態(tài)。

圖4　巨磁電阻轉速測量實驗裝置

通過“測量”功能鍵對相應轉速狀態(tài)進行測量并通過顯示給出轉速測量值，利用“停止”和“復位”鍵實現(xiàn)電機的停止和顯示的清零。同時，裝置面板設計有傳感器模擬放大信號、整形脈沖及電機轉速控制脈沖信號測量端子，分別對應如圖3所示的測試點TP1、TP2和TP3，實驗中可以對相關信號進行實時的觀察和觀測。

圖5　測量模擬信號和整形脈沖信號波形

4實驗測量及結果

實驗測量時，首先調(diào)整裝置的巨磁電阻傳感器與齒輪轉盤的相對位置，兩者間距為10 mm左右(調(diào)整范圍5~15 mm)，使裝置工作在正常工作狀態(tài)。通過裝置，筆者分別對轉盤轉速為速度Ⅰ和速度Ⅱ的高、中、低不同轉速狀態(tài)進行了測量，由單片機處理給出的相應轉速V(r/min)如表一所示。另外，表一還給出了在不同轉速下，測得的整形脈沖信號周期T1(ms)和電機轉速控制脈沖信號周期T2(ms)的測量值。 圖5所示為轉盤轉速在速度Ⅱ的 “高”轉動狀態(tài)下，通過面板測量端子測得的測量轉速模擬放大信號及相應的整形脈沖信號波形。

表1　步進電機在不同轉動狀態(tài)下的測量值

由所測數(shù)據(jù)可知，測量的整形脈沖信號周期與所測轉盤轉速是對應一致的.同時，根據(jù)所測數(shù)據(jù)可以得到轉盤轉速v與同步電機轉速控制脈沖頻率f2的變化關系，其相應曲線如圖6所示。通過最小二乘法對f2和v做線性回歸可得回歸系數(shù)k=0.302，相關度r為0.999，不難看出所測量轉盤轉速隨轉速控制脈沖頻率是線性變化的，這與步進電機工作時，電機轉速與電機轉速控制脈沖頻率成正比[10]的理論相吻合。

圖6　轉速與控制脈沖頻率變化曲線

從實驗結果可以看出，通過本文設計的巨磁阻測速實驗裝置，可以實現(xiàn)基于巨磁電阻的轉速實驗測量，同時，通過對轉速的測量可以驗證同步電機轉速與控制頻率變化的線性關系。另外，通過裝置也可以直接觀測模擬放大、整形脈沖及電機轉速控制脈沖信號，使測量過程更加直觀。

5結論

巨磁電阻傳感器用于轉速測量具有測量精度高、頻率范圍寬、無需溫度補償?shù)忍攸c，本文通過對巨磁阻測量電機轉速實驗裝置的設計，給出了一種基于巨磁阻傳感器測速的實驗方法，同時，采用步進電機使被測轉速可以通過程序控制，為巨磁阻測量轉速在教學中的應用提供了有效的實驗依據(jù)。

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Implementation of Measuring the Rotation Velocity of Motors Based on Giant Magnetoresistance Sensor in Experimental Teaching

YAO Zhi,YANG Hua,SUN Ji-zhong

(Dalian University of Technology，Liaoning Dalian 116024)

Abstract：This paper reports an experimental set-up of real time measuring the motor rotation velocity based on giant magnetoresistance (GMR) sensor.The paper briefly reviews the working principle of the GMR sensor first,and then describes the design of the chip-controlled experimental set-up and its implementation.Measurements are then carried out for different rotation velocities of a stepping motor and the relation.Between the rotation velocity of the synchronous motor and control frequency is obtained and verified.This present experimental set-up can realize the real-time measurement of the rotation velocity of an object.

Key words：giant magnetoresistance；multilayer；measurement of rotation；single chip processor；stepping motor

中圖分類號：O 472.6

文獻標志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.001.007

文章編號：1007-2934(2016)01-0026-04

基金項目：大連理工大學教改項目 (NO.ZX201311)

收稿日期：2015-09-16