磁敏感传感器接近开关的设计

唐林

（四川职业技术学院电子电气工程系，四川遂宁629000）

磁敏感传感器接近开关的设计

唐林

（四川职业技术学院电子电气工程系，四川遂宁629000）

本文叙述了磁敏感传感器元件的研制原理．并阐述了磁敏感接近开关的应用前景，简述了利用磁敏感传感器元件为检测部件设计磁敏感接近开关．

传感器；磁敏感；接近开关

人类社会在发展过程中，需要不断地认识自然与改造自然，而认识与改造必然伴随着对各种信号的感知和测量，这些都需要应用传感器技术．传感器技术运用在自动检测控制系统中，对系统运行的各项功能起着重要的作用.系统的自动化程度越高，对传感器的依赖性就越强．接近开关是自动控制和某些物理量的重要部件，国民经济的各个领域都有着广泛的用途.国外先进国家早在六十年代就将接近开关投入了商品化生产,现在工控市场各种接近开关越来越细分，供需量非常大，促进了相关产业的发展．

1 各相异性磁电阻效应简介

传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成.敏感元件是传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适合传输或测量的电信号的部分．

磁传感器用来检测磁场物理量信号的元件,磁敏感接近开关以磁敏感元件（MR）为敏感元件，而磁敏感元件的敏感机理是强磁性合金薄膜的各向异性磁电阻效应，下面对各向异性磁电阻效应做一简要介绍．

铁磁性材料中，存在三种电阻变化，一种是在固定温度下阻值与它的磁化状态有关；一种是阻值与因温度变化而引起的磁化状态变化有关；另一种是组织与材料的磁化方向有关，这最后一种电阻变化现象被称为各相异性磁电阻效应，是威廉·汤姆逊于1857年首次发现的．在理论上，各向异性磁电阻效应可用电子自旋磁矩的相互耦合及电子d能带的分裂来解释．

铁磁金属具有很大的内部自发磁化，对于坡膜合金一类材料，只要用比内部磁化小3-4个数量级的外部磁场就能控制其内部磁化，而且，这类合金中电子的平均自由程很短，仅为200A左右，所以可有效地利用很薄的膜．我们的MR元件就是基于它们的这些特性设计的．

2 磁敏感元件的设计

由各向异性磁电阻效应可知，强磁性合金薄膜中电流方向平行时具有最大阻值，而在相互垂直时具有最小阻值．对于多晶薄膜，具有下面的关系式：

图一MR元件的结构示意图

其中θ为电流与磁化方向的夹角，R⊥和R∥分别为电流与磁化方向垂直和平行时的阻值．

根据式⑴，我们设计了由垂直放置的两个N i-F e合金薄膜电阻值组成的三端MR元件，使其电流方向相差900．图一是它的结构示意图，图二是它的等效电路图．

由式⑴可知：

给MR元件加电压V0，则b c端间的电压

用式⑵、⑶代入式⑷，整理后得:

式⑸中等号右边的第一项为退磁状态下b c间的电压，第二项为加磁场后b c间电压的变化值，即输出信号.从这一项可见，外加磁场若为旋转磁场，则输出信号是以π为周期的余弦交变信号，即在磁场旋转一周时，输出两个余弦周期．我们用这个结构设计的三端MR元件主要性能参数如表一．

表一三端MR元件主要参数

3 MR磁敏感接近开关设计

我们利用MR元件作敏感元件设计了磁敏接近开关，其工作原理是利用磁敏感元件对磁场的磁感应信号的变化进行相应的变化，将此变化信号转换成有用的电信号，设计响应的电路来完成信号的变换，以有利于传输．

根据检测信号的特点设计框图如图二，检测信号首先通过电路放大器进行放大，在此放大电路中是将检测元件送过来的信号不加区分都进行了放大，在这部分放大信号中就有相当大部分信号是无用信号，甚至是干扰信号．为此必须设计整形放大电路，整形放大电路的功能就是去除无用和干扰信号，然后将有用信号传输至下一级．

电路工作机理是当永磁体接近或经过MR元件前时，MR元件受磁场作用而输出电压信号．该信号直接耦合到放大电路放大，经整形而成为接近电源电压的直流信号，为了使接近开关能在较宽的温度范围内稳定地工作，对MR元件的温度特性做了必要的补偿，其主技术指标如表二．为了适应各种场合，可以采用塑料封装、金属封装等形式，要求封装方式必须安装方便，通用性强．

图二MR接近开关等效电路图

表二MR磁敏接近开关的主要系数

4 结语

利用MR元件设计的磁敏接近开关具有很多优点，是有些高频振荡型、差动型、静电电容型、光电及霍尔型接近开关所不及的．这在实际应用中已体现出来，随着我国工业自动化程度的提高和国民经济的发展，MR磁敏接近开关应用也越来越广泛．

[1]李学慧，李艳琴.磁学基础与磁性材料[M].杭州：浙江大学出版社，2006．

[2]俞云强.传感器与检测技术[M]．北京：高等教育出版社，2013．

责任编辑：张隆辉

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1672-2094（2017）01-0155-02

2016-09-08

唐林（1966-），男，四川遂宁人，四川职业技术学院副教授，硕士.研究方向：应用电子技术方面.