基于TMR和时栅技术的角位移传感机理及实验研究

发布时间：2017-07-14 17:19

  本文关键词：基于TMR和时栅技术的角位移传感机理及实验研究

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【摘要】：角度作为主要的几何参数之一,在仪器仪表制造、工业机器人的运动控制中发挥着重要作用,它的准确度对产品的质量和寿命有着直接性影响。角位移传感器作为一种实时测量角度的机电元件,广泛的应用于科学研究和生产实践中。传统的角位移传感器都依赖空间精密刻线,存在成本高、对环境要求苛刻的缺点。时栅角位移传感器采用“时空坐标转换”思想,将空间量的测量转换为时间量的测量,使精密位移测量对精密空间刻线的依赖程度大幅度下降。不过,无论是最初的场式时栅还是后来改进的变耦合系数时栅都需要在定子或转子上人工绕制线圈,且传感器的转子和定子是紧贴的,所以存在因绕组分布不均带来测量误差、在极端环境条件下存在安装不方便的问题。本课题在国家自然科学基金的支持下,依据时栅结构的灵活多变性,将霍尔效应、磁阻效应和磁电效应等物理效应和时栅的测量思想集成于一体来实现角位移的测量。其中最新一代的TMR隧道磁阻传感器与传统的磁传感器相比,具有得天独厚的高灵敏度、小体积、低功耗及易集成等性能优势,因而提出一种基于TMR隧道磁阻效应与时栅的测量思想及信号处理方式相结合的新型角位移传器。本课题的主要研究内容包括以下几个方面:(1)分析时栅传感器的工作原理和TMR线性磁传感器的特性,提出基于TMR和时栅技术的角位移测量原理。(2)根据角位移测量原理,对传感器模型进行仿真,完成了磁路设计和结构中重要参数的确定。(3)对TMR芯片的特性进行测试并验证仿真结构参数设计的合理性,在此基础上,对传感器的原理进一步验证。(4)搭建实验平台对传感器的静态性能进行测试,并结合存在的系统误差提出传感器的封装设计。综上所述,基于TMR和时栅技术的角位移传感器主要从理论分析、仿真设计和实验研究三个方面展开,理论结合实际,不断的完善传感器的设计。经实验测试,传感器样机不仅能够实现角位移的测量,而且具有较好的稳定性能,其稳定性达0.025v,分辨率为0.1°。
【关键词】：TMR 时栅 传感器 磁场仿真 角位移
【学位授予单位】：重庆理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-17
• 1.1 课题的背景和意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-14
• 1.2.1 角位移传感器的研究现状10-12
• 1.2.2 磁传感器的研究现状12-14
• 1.3 课题来源及主要研究内容14-17
• 2 基于TMR和时栅技术的传感器工作原理17-31
• 2.1 时栅角位移传感器工作原理17-21
• 2.1.1 时空坐标转换思想17-18
• 2.1.2 场式时栅角位移传感器测量原理18-19
• 2.1.3 时栅信号处理方式19-21
• 2.2 TMR隧道磁阻传感器21-24
• 2.2.1 TMR隧道磁阻效应21-23
• 2.2.2 TMR线性磁传感器23-24
• 2.3 基于TMR和时栅技术的传感原理24-29
• 2.3.1 传感理论24-26
• 2.3.2 传感数学模型26-27
• 2.3.3 转动部件的选择27-29
• 2.4 本章小结29-31
• 3 传感器模型研究31-49
• 3.1 传感器的结构31-35
• 3.1.1 芯片的选择32-34
• 3.1.2 仿真软件的选择34-35
• 3.2 齿轮设计35-41
• 3.2.1 齿轮结构设计36-38
• 3.2.2 齿轮材料的选取38-41
• 3.3 永磁体的选型41-45
• 3.3.1 永磁体材料的选取41-42
• 3.3.2 永磁体形状尺寸参数的设计42-45
• 3.4 传感器结构的优化设计45-48
• 3.4.1 空气间隙的确定45-46
• 3.4.2 空间正交位置的确定46-48
• 3.5 本章小结48-49
• 4 传感器原理性验证49-63
• 4.1 实验平台的搭建49-51
• 4.1.1 电机的选择49-50
• 4.1.2 数据采集卡50
• 4.1.3 Labview测试平台50-51
• 4.2 传感器结构与参数实验51-57
• 4.2.1 TMR芯片性能测试51-54
• 4.2.2 齿轮的磁场变化周期测试54-55
• 4.2.3 不同空气间隙下传感器的输出信号测试55-56
• 4.2.4 传感器的空间正交性测试56-57
• 4.3 角位移的测量57-60
• 4.3.1 驻波信号57-59
• 4.3.2 行波信号59-60
• 4.3.3 相位差60
• 4.4 本章小结60-63
• 5 传感器性能测试与封装设计63-71
• 5.1 传感器静态特性63-67
• 5.1.1 稳定性63-64
• 5.1.2 分辨率64-67
• 5.2 传感器的封装设计67-70
• 5.3 本章小结70-71
• 6 总结与展望71-73
• 6.1 总结71-72
• 6.2 展望72-73
• 致谢73-75
• 参考文献75-79
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果79

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本文编号：541977