磁性编码器演示仪原理

李宝河,王立锦,王海成,陈晓白,李 文,张 勇

(1.北京工商大学机械工程学院,北京100048; 2.北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083)

磁性编码器演示仪原理

李宝河1,王立锦2,王海成2,陈晓白1,李 文1,张 勇1

(1.北京工商大学机械工程学院,北京100048; 2.北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083)

介绍了磁性编码器演示仪的整机结构,磁性编码器内部核心部件——磁头和磁鼓.详细介绍了各向异性磁电阻磁头和CoP磁鼓的制作方法以及工作原理.

各向异性磁电阻效应;磁性编码器;磁鼓

1 引 言

旋转编码器是精密测量位置、角度或转速的数字化仪器,广泛用于数控机床等各类运动控制系统,旋转编码器分为光学编码器和磁性编码器.目前工业中普遍使用光学编码器,但光学编码器对环境要求高,潮湿、污染的恶劣环境会造成器件稳定性变差.磁性编码器封装成一体,可以克服环境影响,随着磁头技术的发展,灵敏度可以达到并超过光学编码器,而且具有体积小、使用方便等有利条件,因此磁性编码器的使用逐渐增多.

2 整机结构

笔者设计的磁性编码器的样机作为演示教具包含了磁性编码器的核心部件:各向异性磁电阻磁头、磁鼓等,并且加装了光学编码器用于对比.

整机结构如图1所示.磁鼓和光学编码器用中轴连接,用步进电机控制磁鼓旋转,靠近磁鼓装有各向异性磁电阻磁头,磁头信号经放大电路后送入示波器.同时光学编码器的输出信号也输入示波器,可以比较光学编码器和磁性编码器角度或转速测量的结果.

图1 磁性编码器演示仪结构图

3 各向异性磁电阻磁头的结构和原理

各向异性磁电阻磁头是根据金属薄膜材料的各向异性磁电阻(AMR)效应,利用金属薄膜在不同的外磁场磁化下具有不同的电阻值而测量磁鼓上磁信号变化的.AMR效应是指铁磁材料的电阻率随磁化强度和电流方向的改变而变化的现象,英国科学家Thomson早在150年前就发现了铁磁金属的AMR效应,但直到1971年Hunt首次提出利用AMR效应来制造磁盘磁头后,AMR薄膜材料才被广泛地研究.NiFe薄膜具有较大的AMR效应,而且磁场灵敏度高、磁滞小,因此被广泛应用于AMR磁场传感器元件.

图2显示了AMR材料金属Ni的电阻率与外磁场的关系.当外加与材料中电流密度垂直的磁场(H⊥J)时,其电阻率减小,发生负的磁电阻效应;当外加与材料中电流密度平行的磁场(H∥J)时,其电阻率增加,发生正的磁电阻效应.因此,把这种效应称为各向异性磁电阻效应.

图2 Ni金属薄膜的磁电阻效应

各向异性磁电阻值R通常定义为

其中:ρav=(ρ∥+2ρ⊥)/3,ρ∥为磁场平行电流方向的电阻率,ρ⊥为磁场垂直电流方向的电阻率.

在磁性金属(合金)中,磁电阻效应与畴壁位移、磁化矢量的方向有关,其电阻率可表示为

式中θ为磁化矢量与电流方向的夹角,ρ0为与θ无关的各向同性的电阻率,Δ ρ=ρs-ρ0,其中ρs为磁化矢量平行于电流方向被饱和磁化时的电阻率.AMR材料的磁电阻效应很小,金属Fe,Co的MR在5 K时约为1%,坡莫合金(Ni81Fe19)的MR在室温约为2.5%,其饱和磁场强度小于796 A/m.

将AMR薄膜通过微加工技术制作成薄膜磁头元件.图3为薄膜磁头光刻板结构图,元件制作流程是:将AMR薄膜通过甩胶、曝光、离子刻蚀、蒸镀电极、超声压焊等微加工工艺直接在薄膜上形成所需的材料形状和电极连接,真正实现材料与器件一体化.磁头读出的磁鼓的磁化信号利用放大和整形电路,使其输出标准的方波图形.

图3 薄膜磁头光刻结构图

4 磁鼓的结构和记录原理

在铝鼓上先镀上一层非晶无磁的NiP做底层,再镀上一层CoP形成磁鼓,NiP底层可以使磁性层CoP成膜均匀平滑.如图4(a)所示.磁鼓经充磁装置磁化,磁化后在磁鼓表面形成如图4 (b)所示的磁化结构.我们使用的磁鼓表面共磁化有256对NS极.当磁鼓每旋转1周则产生512个磁脉冲.磁鼓上1对NS极间相距为λ,磁头上AMR磁阻条相距λ/2,与磁鼓磁极匹配则4个AMR磁阻条零场状态和饱和磁化2种状态下相当于大小2种阻值的4个电阻,磁头等效电路如图5所示(用黑白电阻符号区分处于高低状态的2个AMR磁阻条).随着磁鼓的转动,磁条的电阻可由高阻状态到低阻状态交替变化,磁头输出信号经过放大电路和差分电路后就可反映出磁鼓的磁脉冲信号.通过单位时间产生的脉冲的个数,就可以计算出磁鼓的转速和精确的角位移.受到磁头响应时间和放大电路带宽的影响,磁性编码器可测量的信号脉冲范围为0～10 kHz,当磁鼓表面磁极有256对时,磁鼓每转动1周可以产生512个脉冲,则可测量的转速范围为0～70 312 r/h.

图4 磁鼓结构和磁鼓表面的磁化结构

图5 磁头等效电路图

5 结束语

本文综述了磁编码器的磁头及磁鼓的结构和原理.我们研制的磁编码器演示仪器可以演示AMR传感器磁头读出磁鼓上的磁信号,并在示波器上显示出磁鼓不同转速下的方波信号,通过计算方波的周期,可以准确得到磁鼓的转速和角位移,并可与光学编码器给出的结果进行比较.

[1] 王海成,杜中美,王立锦,等.NiP底层对化学镀CoP薄膜性能的影响[J].功能材料,2008,39:51-54.

[2] 朱名日,蒋存波,马学文.高分辨率磁性编码器的磁鼓研究[J].桂林工学院学报,2004,24:241-244.

[3] 王立锦,胡强,滕蛟.一种具有消谐波正弦输出的AMR薄膜磁头设计[J].电子器件,2006,29:134-138.

Principle of magnetic encoder

LI Bao-he1,W ANG Li-jin2,W ANG Hai-cheng2,CHEN Xiao-bai1,LI Wen1,ZHANG Yong1
(1.College of Mechanical Engineering,Beijing Technology and Business University,Beijing 100048,China; 2.School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)

This paper introduces the outline of a magnetic encoder demonstrator and its critical parts:magnetic head and magnetic drum.Preparation and principles of the magnetic head with anisotropic magnetoresistance and CoP magnetic drum are also presented.

anisotropic magnetoresistance;magnetic encoder;magnetic drum

TN762;O441.2

A

1005-4642(2010)06-0025-03

[责任编辑:尹冬梅]

“全国高等学校第9届物理演示实验教学研讨会”论文

2009-08-27;修改日期:2009-10-25

北京市属高等学校人才强教计划项目(No.PHR201007122);北京市自然科学基金项目(No.2102014)

李宝河(1972-),男,河北保定人,北京工商大学机械工程学院教授,博士,从事磁性薄膜材料及器件研究.