一种消除磁阻脉冲传感器温度影响的新方法

0:10.13374/j.1ssn1001053x.1997.06.020 第19卷第6期 北京科技大学学报 VoL19 No.6 1997年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.1997 一种消除磁阻脉冲传感器温度影响的新方法* 和文国)田跃》王元玮2) 1)北京科技大学应用科学学院，北京1000832)北京科技大学材料科学与工程学院 摘要提出了一种克服外界缓变物理量（如温度）对半导体型脉冲传感器影响的电压跟随比较 法.与传统的电压直接比较法相比，该方法只跟随传感器触发的正弦波原始信号的变化趋势，与 外界缓变物理量温度等的变化无关；然后整形成矩形波，有效地消除了温度漂移的影响，提高了 传感器的稳定性，此外，还分析了信号处理电路中各参数的选取及注意事项等， 关键词磁编码器，磁阻效应，温度漂移，电压跟踪 中图分类号TN721.5 1问题的提出 高分辨磁编码器是一种具有优异性能价格比的新型传感器，与光学编码器比较，具有结 构简单，寿命长，反应速度快，频率响应高，可适用于水，油、粉尘等恶劣环境，广泛应用于采 矿、冶金、石油、机械、航空、航天以及各种自动控制行业.本文所讨论的是采用InSb-NiSb型 半导体磁敏电阻为敏感元件的高分辨率磁编码器.InSb-NiSb是一种半导体复合材料，磁阻效 应显著，但由于其禁带宽度窄，E。=0.17eV,所以受温度影响显著，这是它的不足之处.在 0~50℃范围内零场电阻R的温度系数约为-1%~-2%.另外，在不同的磁场中，磁阻R。 的温度系数也不一样.与B=0T时的温度系数相比，在B=0.3~0.4T的磁场中，InSb-NISb 磁阻器件的磁阻R的温度系数将近 增加1倍，如图1中的D线所示.为 -n D(未多杂InSb-NiSb) 了改善磁阻器件的温度特性，在 InSb-NISb材料中摻一些N型杂质， 如碲Te)或硒(Se).掺杂之后虽然温 M摔杂InSb-SD) -0.20 度特性大为改善，但电子迁移率下 -0.10 }橱格InSb 降的比较大，所以磁阻灵敏度普遍 -0.05 下降.如何消除温度对该种材料磁 -0.01 阻性能的影响，提高温度稳定性，是 0 0.20.40.60.81.0 B/T Insb-NiSb能否用于高分辨率磁编码 图1InSb-NiSb磁阻器件的温度特性 器的关键技术之一，本文将对上述 问题提出一个切实可行的解决方案和具体实现 1997-09-26收稿第一作者男26岁助研硕士 *国家自然科学基金资助项目

第 ，卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 丫 一种消除磁阻脉冲传感器温度影 响的新方法 和文 国 ‘ 田 跃 王 元玮 “ 北京科技 大学 应用 科学学院 ， 北京 北 京科技大学材料科学 与工程学 院 摘要 提 出 了 一 种 克服 外界 缓变物理 量 如温度 对半 导体型脉冲传感 器影 响的 电压跟 随 比较 法 与传 统 的 电压直接 比较法相 比 ， 该方法 只跟 随传感器触发 的正 弦波原始信号 的变化趋 势 ， 与 外界缓变物理量温度等的变 化无 关 然 后 整形 成矩形 波 ， 有效地 消除了温度 漂移的影 响 ， 提高了 传感器的稳定性 此外 ， 还分析了信号处理 电路 中各参数的选取及注意事项等 关健词 磁编码器 ， 磁阻效应 ， 温度漂移 ， 电压跟踪 中图分类号 问题的提出 高分 辨磁 编 码器是 一种 具 有 优异 性 能价格 比的新 型传感 器 ， 与光 学 编码器 比较 ， 具有结 构 简单 ， 寿命 长 ， 反 应 速 度 快 ， 频 率 响 应 高 ， 可 适 用 于 水 、 油 、 粉 尘 等恶 劣 环 境 ， 广泛 应 用 于 采 矿 、 冶金 、 石油 、 机械 、 航空 、 航 天 以 及 各种 自动控 制行 业川 本 文所讨论的是 采 用 卜瓦 型 半 导体磁敏 电阻为敏感元件 的高分辨率磁编码器 卜预 是 一种半导体复合材料 ， 磁 阻效 应显著 ， 但 由于 其禁 带宽度 窄 ， 气一 ， 所 以 受 温 度 影 响显著 ， 这 是 它 的不 足 之 处 · 在 一 ℃ 范 围 内零场 电阻 。 的温度系数约 为 一 一 一 另外 ， 在 不 同的磁 场 中 ， 磁 阻 的温度 系数 也不 一样 与 时的温度 系数相 比 ， 在 一 的磁 场 中 ， 卜 · 、岁︶︵卜 · 、礴︶︵叫国 磁阻器件 的磁 阻 的温度 系数将 近 增 加 倍 ， 如 图 中的 线所 示 为 了 改 善 磁 阻 器 件 的 温 度 特 性 ， 在 卜 材料 中掺一 些 型 杂质 ， 如蹄 或硒 掺杂之后 虽 然温 度 特 性 大 为 改 善 ， 但 电 子 迁 移 率 下 降的 比较 大 ， 所 以 磁 阻 灵 敏 度 普 遍 下 降 如 何 消 除 温 度 对该 种 材 料 磁 阻性 能 的影 响 ， 提 高温 度 稳 定 性 ， 是 卜瓦 能否 用于 高分辨率磁编码 器 的 关 键 技 术 之 一 本 文 将 对 上 述 口 洲尸一 一一一一一一 一 一一 一一一 一一一一一一一一一 一洲二一一一一一一叫 示 侧未参杂 卜饨 ‘ 杂 卜凡 橱格 五 图 一 磁阻器件的温度特性 问题提 出一个切 实可行 的解 决方 案和具体实现 一 一 收稿 第一作者 男 岁 助研 硕 士 国家 自然科学基金 资助项 目 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1997．06．020

Vol.19 No.6 和文国等：一种消除磁脉冲传感器温度影响的新方法 。617· 2 解决方案 磁阻器件的特性如图2所示.从图中可以看出：在弱磁场范围内，磁阻器件的磁阻R按 磁场的平方律增加；在B=0.2T以上，按磁场的1.8方律增加；B=1T时，按磁场的线性律增 加.磁编码器一般采用电压直接比较的信号处理方法，其原理如图3示3).磁敏电阻芯片 15 +12 MRI 10 电压输出 LM393 0 -1.0-0500.5 l.0 B/T 图3磁编码的工作原理 图2磁阻器件的特性曲线.D未排杂InSb-NiSb: L,M掺杂inSb-NiSb;P,T栅格InSb MR1,MR2差动连接，与R,R和R.顺序连接成一个电桥电路.这里采用非电量电测技术中 最常用的直流电桥形式.当一个凸齿依次扫过MR1,MR2时，A点电压V,呈正弦变化，如图 4()示.调整电位器R,使B点电压V处于V,的极大值和极小值中间的适当位置，如 图4()示；分别把V和输入比较器的+，-端比较后再整形，这样在输出端就可以得到 一个矩形波脉冲信号，如图4(b)示.由于MR1,MR2元件的基阻阻值、放大倍数和温度系数等 不可能完全一致，因此温度变化时，V就会变化.在一定范围内变化，就会影响输出信号的占 空比.如果MR1,MR2严重不对称，V,变化很大，导致V>V或V<V。,这样，输出信号就恒 变为高或低电平，磁编码器失效.如果磁编码器存在倍频电路，对信号之间的位相差要求更为 (a) (a) t/s (b (b) 公A 图4磁编码器波形示意图 图5电压跟随比较原理图

心 和 文 国等 一种消除磁脉冲传感器温度影 响的新方法 解决方案 磁 阻 器 件 的特性 如 图 所 示 从 图 中可 以 看 出 在 弱磁 场 范 围 内 ， 磁 阻器 件 的磁 阻 按 磁场的平 方律增加 在 以 上 ， 按磁 场 的 方律增 加 二 时 ， 按磁 场 的线性 律增 加 磁编 码 器 一 般 采 用 电压 直 接 比较 的信号处理 方 法 ， 其原理 如 图 示 ， 〕 磁 敏 电阻 芯 片 电压输 出 侧。 、叫 匕 一 一 石 图 磁编码的工作原理 图 磁阻器件的特性曲线 〔珠掺杂 卜预 ， 掺杂 卜 月姗格 ， 差 动连接 ， 与 尺 ， 凡和 凡 顺 序 连 接 成 一 个 电桥 电路 这 里 采 用 非 电量 电测 技 术 中 最 常用 的直 流 电桥形 式 当一个 凸 齿依 次 扫过 ， 时 ， 点 电压 呈 正 弦变 化 ， 如 图 示 · 调 整 电 位 器 心 使 点 电 压 凡处 于 的 极 大 值 和 极 小 值 中 间 的 适 当 位 置 ， 如 图 示 分别把 和 气 输人 比较器 的 ， 一 端 比较后 再整形 ， 这样在输 出端 就 可 以 得 到 一个矩 形 波脉冲信号 ， 如 图 示 由于 ， 元 件 的基 阻 阻值 、 放大倍数和 温度 系数等 不 可 能完全一致 ， 因此温 度变 化 时 ， 就 会变 化 在 一 定 范 围 内变化 ， 就 会影 响输 出信号 的 占 空 比 如果 ， 严重 不 对称 ， 变 化 很 大 ， 导致 味 珠或 帐 气 ， 这 样 ， 输 出信号 就 恒 变 为高或低 电平 ， 磁编码器 失效 如果磁编码 器存在倍频 电路 ， 对信 号 之 间的位 相 差要 求更 为 启全卜 迁‘饭 一编 迁启卜 七启茜 图 磁编码器波形示意图 图 电压跟随 比较原理 图

·618· 北京科技大学学报 1997年第6期 严格)，这样，温度对磁编码器的影响就更为显著， 为此，我们对信号V,不进行直接比较，而是跟随比较.由磁敏电阻芯片的特性可知，在不 同温度下，信号V的极大值和极小值是互相对应的，正好对应于齿轮凸齿完全覆盖MR2或 MR1的时刻.如图5(a)示.跟踪A点电压V,的变化，当V达到极大值时，输出电平翻转；当 V达到极小值时，输出电平翻转.不难看出，一个凸齿扫过MR1和MR2时，同样会产生一个 矩形脉冲信号，如图5(b)示.可以知道，矩形波脉冲的上升沿或下降沿与温度无关.这样就基 本可以消除温度的影响，保证磁编码器稳定工作， 3 电路设计 电路如图6示.从差动半桥输出的电压'被Q放大后，被Q,再次缓冲放大后输人Q,的 同时，还被Q,缩小了一点(0.95~1倍).该电压经过二级管被保持在电容上.因而电压越过极 大值后逐渐缩小的时候，电容两端也仍然能够保持着极大值.因此信号电压从极大值开始减 小后不久，其大小与电容电压一致起来，比较器Q,就跃迁.这个跃迁被单稳态触发器Q,变成 宽度为3.3μs的脉冲，使得由Q,和Q,组成的双稳态触发器动作，也就是说，检测出信号的电 压波形的波峰（即极大值）后被$双稳态触发器变成矩形波.Q,和Q,是在反相信号上发挥与 Q,和Q,同样的功能，因而Q,和Q2成为在信号电压的极大值上翻转的矩形波.Q,为输出缓 冲器，Q。,Q。上作用1/1000的正反馈，具有10mV左右的迟滞，以保证波峰检测中的动作稳 定， +12 +12 Q 12 12 MR, B 113 CLR 6 Q OUTPUT F 图6电压跟随比较电路 其次，Q,和Q是传输门元件.它们的功能是：极大值或者是极小值的检测结束后尽快地 使保持电容的电位跟踪下降中的信号电压，以便在下一个上升电压同步中不受前面的影响. 这也可以认为是本电路的特点之一， 电压跟踪比较的结果是每出现一个极大值或一个极小值，电路输出一个矩形波脉冲信 号，测试结果如图7示，达到了电压直接比较同样的功能，同时消除了温度漂移的影响

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 严格 ， 这样 ， 温度 对磁编 码 器 的影 响就更 为显著 为此 ， 我 们对信号 不 进行 直接 比较 ， 而 是 跟 随 比较 由磁敏 电阻 芯 片 的特性 可 知 ， 在不 同温度 下 ， 信号 气的极 大 值和极 小 值是 互 相 对应 的 ， 正 好 对应于齿 轮 凸 齿完全覆 盖 或 的 时刻 如 图 示 跟 踪 点 电压 的变 化 ， 当 达 到 极 大值 时 ， 输 出 电平 翻 转 当 气 达到极小值 时 ， 输 出 电平翻转 · 不 难看 出 ， 一个 凸齿扫过 和 时 ， 同样 会产生 一个 矩 形 脉冲 信号 ， 如 图 示 可 以 知 道 ， 矩 形 波 脉 冲 的上 升沿 或下 降沿 与温 度 无 关 这样 就基 本可 以 消 除温度 的影 响 ， 保证磁编码器稳定 工作 电路设计 电路 如 图 示 · 从差 动半 桥输 出的 电压 长 被 ，放大后 ， 被 再次缓冲放大后 输人 的 同时 ， 还被 。缩小 了一 点 一 倍 · 该 电压经过二 级管被保持在 电容上 因而 电压越过极 大值后 逐渐 缩 小 的 时候 ， 电容 两端 也 仍然 能够保持 着极大值 因此 信号 电压从极大 值开始减 小后 不 久 ， 其大小 与 电容 电压 一致起来 ， 比较器 就跃迁 这个跃迁被单稳态触发器 变成 宽度为 哪 的脉冲 ， 使得 由 和 ， 组成 的双稳态触发器 动作 也就是说 ， 检测 出信号 的 电 压波形 的波 峰 即极 大值 后 被 双稳态触 发器 变成矩 形波 ，和 是 在反相 信号 上 发挥 与 。和 同样 的功能 ， 因而 ，和 ， 成 为在信号 电压 的极 大值上 翻转 的矩 形波 · 。为输 出缓 冲器 ， ， 。上 作 用 的 正 反 馈 ， 具 有 左 右 的迟 滞 ， 以 保证波 峰 检 测 中 的动 作 稳 定 卜 犷 下 刁犷 述丁 图 电压跟随 比较电路 其 次 ， ，和 ，。是 传输 门元件 它们 的功 能是 极 大值或者是 极小 值 的检测 结束后 尽快地 使保持 电容 的 电位跟 踪 下 降中 的信号 电压 ， 以便 在 下 一个 上 升 电压 同步 中不 受前 面 的影 响 这也可 以认 为是 本 电路 的特 点之 一 电压跟 踪 比较 的结 果 是 每 出现 一 个 极 大 值 或 一 个极 小值 ， 电路 输 出一 个 矩 形 波脉 冲信 号 ， 测 试结果 如 图 示 ， 达到 了 电压直接 比较 同样 的功 能 ， 同时消除 了温 度漂移 的影 响

Vol.19 No.6 和文国等：一种消除磁脉冲传感器温度影响的新方法 619 4 结束语 M 新的电路不仅适用于InSb-NiSb脉冲传感器和 高分辨率磁编码器，同时也可以对其他类型的磁敏 电阻传感器信号进行整形处理，尤其善长处理直流 ΠΠΠΠΠ厂 电平随时间或温度等经常漂移的直流脉动信号，根 图7电压跟随比较结果 据现场使用证明，该电路的确可以消除温度对 inSb-NiSb磁编码器的影响，工作稳定，反应良好， 参考文献 1王文生.磁做电阻与传感器及其应用.仪表技术与传感器，1993(4)：6 2黄得星.磁敏感器件及其应用.北京：科学技术出版社，1987.108 3 Tadashi Takahashi,Kunio Miyashita,Shoichi Kawamata.Absolute Magnetic Rotary Encoder.In: Proceeding of the 5th Sensor symposium.1985.175 4 Rottamnn F.New Magnetoresistive Sensors Engineering and Application,Sensors and Actuators A, 1991,25-27:763 5 Kikuchi Y,Nakamura F,Wakiwaka H,et al.Consideration for a High Resolution of Magnetic Rotary Encoder.IEEE Transactions on Magnetics,1996,32(5):6 New Method of Eliminating the Effect of Temperature on Magnetor-resistance Pulse Sensors He Wenguo Tian Yue Wang Yuanwei) 1)Applied Science School,UST Beijing,Beijing 100083,China 2)Material Science and Engineering School ABSTRACT A method called voltage following and comparing is introduced,which elimi. nates the effect of temperature on semiconductor pulse sensors.Compared with the method of voltage comparing directly which was used traditionally,it only follwos the tredency of original sine wave which is triggered by MR elements and has no relation with tempera- ture;then shape it to square wave;thus eliminates the effect of temperature efficiently and elevates the encoder's working stability.In addition,the choices of circuit parameters and the application have been analysed KEY WORDS magnetic encoder,magnetor-resistance effect,temperature floating,voltage following and comparing

白 和 文 国等 一种消除磁脉冲传感器温度影 响的新方法 结束语 新 的 电路不仅适用 于 卜瓦 脉冲传感器和 高分辨率磁编码器 ， 同时也 可 以 对其他类 型 的磁敏 电阻传感器信号进行整 形处理 ， 尤其善长处理直 流 电平 随 时 间或温度等经 常漂移 的直 流脉 动信号 根 据 现 场 使 用 证 明 ， 该 电 路 的 确 可 以 消 除 温 度 对 卜环 磁编码器 的影 响 ， 工作稳定 ， 反 应 良好 图 电压跟随比较结果 参 考 文 献 王 文生 磁敏 电阻 与传感器及其应用 仪表技术 与传感器 ， 黄得星 磁敏感器件及其应用 北京 科学技术 出版社 ， 翻比 ， 腼 ， 五 找犯 忱双 冲 ， ， ， 一 苟 ， 瞬 ， ， 口 托 砒 涌 汉阂 ’ 留 ， ， 一 价 哑 刀 知 肠 扮 ， ， ， 飞 ， 而 · 而 丽 ， 加比 ’ 护 ， ， ，