基于InSb磁敏电阻器的齿轮转速传感器

　　齿轮转速传感器的种类很多，但大都存在应用的局限性，如，电磁感应式传感器的输出信号幅值与转速有关，当转速很低时，由于信号太弱而无法测量；霍尔传感器由于灵敏度的限制，使其与齿轮要保持比较近的检测距离，由于安装位置太近，容易与齿轮碰撞造成传感器的损坏。InSb 磁敏电阻齿轮传感器是基于半导体InSb 的磁阻效应原理，结合磁性齿轮结构特点而制成，具有输出信号幅值大、抗电磁干扰能力强、分辨力高等特点，可以测量非常低的转速。但InSb 磁敏电阻的温度系数很高，在使用时必须进行温度补偿。本文对磁敏电阻齿轮转速传感器的测试原理和温度补偿方法进行了深入的分析和研究。

　　1 半导体磁阻效应

　　InSb磁敏电阻器是利用半导体磁阻效应制成的一种磁敏元件。磁阻效应包括物理磁阻效应和几何磁阻效应。在通电的半导体上加磁场时，洛仑兹力使在半导体中作直线运动的载流子偏离了原来的运动方向，这样就延长了载流子通过的路程和时间，也就增加了它们与晶格、杂质原子和晶格缺陷碰撞的机会，从而降低了电子的迁移率。亦即半导体中电流方向发生偏转，结果延长了电流经过的路经，宏观地表现为元件阻值增加。若半导体晶片的几何尺寸不同，电阻值的变化率也不相同。与半导体薄片几何形状有关的阻值变化可表达为

　　式中ρB，ρ0分别是有磁场和无磁场时的半导体材料的电阻率，Ω·m；RB和R0分别为有磁场和无磁场时半导体薄片的电阻值，Ω；L 和W 分别为薄片的长度和宽度，m；θ 为霍尔角，表示由于洛仑兹力作用使载流子运动偏离原来方向的角度，rad；Gr为与磁场和样品形状有关的几何因子。宽度远远大于长度方向尺寸的InSb 半导体磁敏电阻器具有比较大的磁阻效应，如果将若干个该种式样的元件串联起来，就可以构成零场电阻值较大、灵敏度又较高的磁敏电阻器。图1 为磁敏电阻器单元及栅格结构示意图。

　　InSb 磁敏电阻器对温度十分敏感，表现为负温度特性。所以，用于检测磁场的变化时，必须考虑其环境温度的变化，并加以补偿。在弱磁场中，磁阻比随磁感应强度B 的平方增加［3］，一般用磁阻平方灵敏度SS表示其阻值变化与磁感应强度的关系

　　式中 ξ 为磁阻系数；g 为与几何尺寸有关的常数（ 由W/ L决定）；d 为磁敏电阻器的厚度，m；RH为霍尔系数，m3 / C；μn为电子迁移率，m2 / V·s。而SS的温度系数βSB为

　　式中 Eg为能带宽度，eV。代入相应参数计算，InSb 磁敏电阻器的温度系数约为- 0. 02 / ℃，可见其对温度的变化非常敏感。

　　2 测试电路分析

　　用磁敏电阻器制成的齿轮传感器是采用对称半桥结构形式，结合齿轮结构特点，由半导体InSb 磁敏电阻器和偏置磁钢组成，如图2 所示。

　　与相应模数磁性齿轮（由铁、矽钢片等软磁材料制成）配套。当其中一齿恰好覆盖在一个磁阻元件上时；另一磁阻元件则处于齿空隙处，如此每转过一个齿，该传感器就输出一个完整的准正弦波信号。因此，传感器齿轮旋转的速度及位置决定了这一准正弦波信号的工作频率。而其输出信号幅值与旋转速度大小无关。在信号处理电路中，采用了浮动零点跟踪技术，可以很好地克服由于温度、环境磁场等变化而带来的影响。其原理如图3 所示。

　　设运算放大器A1和A2都是理想运算放大器，Rt1、Rt2为半桥磁敏电阻器的两个桥臂电阻，Vr为供桥电压，其大小由磁敏电阻器的阻值和散热条件决定，运算放大器工作于单电源方式，电源电压为12 V，R3和C1构成一阶低通滤波器，其时间常数为R3C1，大小由传感器的温度惯性大小等决定。当温度惯性较大时，时间常数取值可以相应增大，此处取值为1. 2 s；稳压管的稳压值为4. 7 V。由于A2为一跟随器，所以，A1的输出的直流分量和A2的输出相等，设为V0。分析电路可以得到

　　当环境温度或磁场发生变化时，V0随其变化，在较大的范围内不会饱和；齿轮转动时，运算放大器A1的输出是在V0直流分量上叠加了一个交流信号，而运算放大器A2的输出只有直流成分。两者经施密特比较器后输出方波信号，施密特的回差电压起到抑制干扰的作用，但同时降低了传感器的灵敏度。

　　3 实验结果

　　用45#钢制成直径为180 mm、模数为2 的齿轮，两相邻齿的圆弧间距为6. 28 mm。将表面积为3 mm × 4 mm 的半桥磁敏电阻置于齿轮侧面，两者相距1 mm，敏感面的法线方向过齿轮的圆心；在敏感面和齿轮的同侧、紧靠磁敏电阻器的背面粘贴一磁感应强度为0. 3 T 的磁钢。设输出信号的频率为f，齿轮的转速为n（r / min），齿数z = 90，则有

      利用光电式标准转速表测得的转速为nBZ，利用变频调速器调节转速，定时5 s 计数，对磁敏电阻转速传感器进行标定，结果如表1 所示，最大额定相对误差为0. 03 %。

　　4 结 论