基于巨磁电阻的转速测量在实验教学中的应用

姚　志，杨　华，孙继忠

(大连理工大学,辽宁 大连　116024)



基于巨磁电阻的转速测量在实验教学中的应用

姚志，杨华，孙继忠

(大连理工大学,辽宁 大连116024)

摘 要：介绍了巨磁电阻梯度传感器工作原理，设计、制作了适用于实验教学的巨磁电阻转速测量实验装置，实现了通过单片机对步进电机转速的控制及对被测转盘转速的实时测量，给出了电机工作在不同转速状态下的测量结果，验证了同步电机转速与控制频率的变化关系。

关键词：巨磁电阻；转速测量；单片机；步进电机

巨磁电阻(Giant Magnetoresistance,简称GMR )效应是法国A.Fert研究小组在1988年发现的磁阻变化现象[1]。此后，随着对巨磁电阻研究的进一步深入，巨磁电阻的应用也受到了人们的重视[2-4]，现在许多高校开设了有关巨磁电阻效应的相关实验[5-7]。然而，在实验教学中，通过巨磁电阻测量转速的实验装置介绍不多。为此，我们设计了基于巨磁电阻的转速测量实验装置，并利用所设计的实验装置给出了相关测量结果。

1巨磁电阻传感器原理

巨磁电阻通常由磁性纳米金属多层薄膜组成，无外磁场时，多层膜处于高阻状态，外磁场足够强时，多层膜处于低阻状态，并且随着外磁场的改变电阻变化存在线性关系[8]。将巨磁电阻构成传感器时，一般利用4个巨磁电阻组成桥式结构。在工艺制作时，巨磁电阻电桥的两对对角电阻分别置于集成芯片的两端，如图1所示。当传感器置于均匀磁场时，由于4个桥臂电阻阻值变化相同，电桥输出为零。如果磁场存在一定的梯度，各巨磁电阻接收到的磁场不同，磁阻变化不一样，就会有信号输出，通常这种传感器也称为梯度传感器。如图2所示为传感器工作原理，将一永磁体放置于传感器上方，可移动齿轮置于传感器下方，若齿轮为铁磁材料，当永磁体产生的空间磁场相对于齿牙的不同位置时，将产生不同的梯度磁场。a位置时，传感器输出为零。b位置时，R1、R2感受到的磁场强度大于R3、R4，输出正电压u。c位置时，输出回归零。d位置时，R1、R2感受到的磁场强度小于R3、R4，输出负电压。于是,在齿轮转动过程中,每转过一个齿牙便产生一个完整的波形输出。

图1　GMR梯度传感器结构图

图2　GMR梯度传感器工作原理

2测速实验装置设计

装置的转速测量系统如图3所示，系统由转动部分、传感器测量部分、单片机主控部分和测速显示部分组成。转动齿轮转盘为直径80 mm、厚度8 mm、齿数30的碳钢材料，通过电机直接带动转动。装置的转动电机采用步距角为1.8°的二相步进电机，通过单片机控制可以使步进电机工作在不同的转速。巨磁电阻传感器采用NVE公司的FDB型梯度传感器，将巨磁阻传感器与一个永磁体组成的组件置于齿轮转盘的旁边，当电机带动转盘转动时，齿牙不同位置与永磁体之间将产生梯度磁场，每当电机主轴转动一周，传感器就会输出30个模拟周期信号。将该信号经电路放大、整形后，转化为可用于计数的脉冲信号输入到单片机主控单元，经过单片机处理后，由显示单元给出电机的转速显示。

图3　GMR传感器转速测量系统

装置的信号放大电路采用低功耗高精度宽带仪表放大器AD620，通过调节AD620的管脚1和8之间外接可调电阻，使信号增益在0—50db范围内调整，当传感器与转盘之间距离变化时，可适当调节可调电阻以改变增益。信号整形电路采用迟滞比较电路，以克服扰动干扰，由运放集成电路OP07搭建构成，完成将模拟放大信号整形为方波信号。单片机控制单元采用89C52RC芯片，对来自传感器的测速整形脉冲信号，由芯片的端口P3.4输入，经测速程序处理后输出到显示电路。显示部分由集成电路74HC573和四位LED数码管组成。

对转速测量通常采用频率法或周期法[9]，两种方法都是对脉冲进行测量。频率法是在规定的检测时间内，测量计数脉冲的个数；周期法是测量信号发出脉冲个数所需要的时间。本装置的被测转速不是很高，测速采用周期法。测量时单片机取样测速脉冲，记录脉冲个数及对应时间，以30个连续脉冲为计算单元给出转速值。装置工作时对转动齿轮转速设计有6个不同的转速值，通过单片机输出转速控制脉冲到步进电机驱动芯片TB6560，使步进电机可以在6种不同转速下转动。不同转速的选择操作通过单片机端口P3.0~3.3和装置面板的相关控制按键完成。

笔者自行设计制作的巨磁电阻转速测量实验装置如图4所示，装置由齿轮转盘组件和转速测量主机两部分组成。通过装置的主机面板按键，可以选择步进电机工作在速度Ⅰ和速度Ⅱ的高、中、低不同转速状态。

图4　巨磁电阻转速测量实验装置

通过“测量”功能键对相应转速状态进行测量并通过显示给出转速测量值，利用“停止”和“复位”键实现电机的停止和显示的清零。同时，装置面板设计有传感器模拟放大信号、整形脉冲及电机转速控制脉冲信号测量端子，分别对应如图3所示的测试点TP1、TP2和TP3，实验中可以对相关信号进行实时的观察和观测。

图5　测量模拟信号和整形脉冲信号波形

4实验测量及结果

实验测量时，首先调整装置的巨磁电阻传感器与齿轮转盘的相对位置，两者间距为10 mm左右(调整范围5~15 mm)，使装置工作在正常工作状态。通过装置，笔者分别对转盘转速为速度Ⅰ和速度Ⅱ的高、中、低不同转速状态进行了测量，由单片机处理给出的相应转速V(r/min)如表一所示。另外，表一还给出了在不同转速下，测得的整形脉冲信号周期T1(ms)和电机转速控制脉冲信号周期T2(ms)的测量值。 图5所示为转盘转速在速度Ⅱ的 “高”转动状态下，通过面板测量端子测得的测量转速模拟放大信号及相应的整形脉冲信号波形。

表1　步进电机在不同转动状态下的测量值

由所测数据可知，测量的整形脉冲信号周期与所测转盘转速是对应一致的.同时，根据所测数据可以得到转盘转速v与同步电机转速控制脉冲频率f2的变化关系，其相应曲线如图6所示。通过最小二乘法对f2和v做线性回归可得回归系数k=0.302，相关度r为0.999，不难看出所测量转盘转速随转速控制脉冲频率是线性变化的，这与步进电机工作时，电机转速与电机转速控制脉冲频率成正比[10]的理论相吻合。

图6　转速与控制脉冲频率变化曲线

从实验结果可以看出，通过本文设计的巨磁阻测速实验装置，可以实现基于巨磁电阻的转速实验测量，同时，通过对转速的测量可以验证同步电机转速与控制频率变化的线性关系。另外，通过装置也可以直接观测模拟放大、整形脉冲及电机转速控制脉冲信号，使测量过程更加直观。

5结论

巨磁电阻传感器用于转速测量具有测量精度高、频率范围宽、无需温度补偿等特点，本文通过对巨磁阻测量电机转速实验装置的设计，给出了一种基于巨磁阻传感器测速的实验方法，同时，采用步进电机使被测转速可以通过程序控制，为巨磁阻测量转速在教学中的应用提供了有效的实验依据。

参考文献：

[1]M.N.Baibich,J.M.Broto,A.Fert,et al.Giant Magnetoresistance of( 001) Fe / ( 001) Cr Magnetic Super- lattices[J].Phys.Rev.Lett.,1988,61(21):2472-2475.

[2]郭成锐,江健军,邸永江.巨磁阻抗传感器应用研究最新进展[J].电子元件与材料,2006(11):8-10.

[3]钱政.巨磁电阻效应的研究与应用[J].传感技术学报,2003,16(4):516-520.

[4]赖武彦.巨磁电阻引发硬盘的高速发展[J].自然杂志,2007,29(6):348-352.

[5]张朝民,张欣,陆申,等.巨磁电阻效应实验仪的研制与应用[J].物理实验,2009,29(6):16-19.

[6]邹红玉.巨磁电阻传感器在物理实验中的应用[J].大学物理,2009,28(5)：38-42.

[7]余虹.大学物理实验[M].北京:科学出版社,2012:233-238.

[8]康伟芳.巨磁电阻传感器的特性比较及其实验应用[J].武汉理工大学学报,2009,31(3):425-428.

[9]李福进,陈至坤,王汝琳,等.基于单片机的转速测量方法 [J].工矿自动化,2006(1):54- 55.

[10] 陈隆昌,阎治安,刘新正.控制电机[M].西安:西安电子科技大学出版社,2013:238-240.

[11] 黄军，等.用传感器探究影响向心力大小因素的实验装置研究[J].大学物理实验，2015，28(2)：31-34.

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

中图分类号：O 472.6

文献标志码：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.001.007

文章编号：1007-2934(2016)01-0026-04

基金项目：大连理工大学教改项目 (NO.ZX201311)

收稿日期：2015-09-16