测控技术与仪器 毕业论文范文——基于地磁原理的弹体运动检测技术.doc

1、第1页 共36页摘 要一个单体进入磁场会引起磁场的变化，磁场的变化由磁传感器体现，连接放大电路让我们更好的判断，因为地球磁场在很广阔的区域内（大约几公里）是一定的，可以在一定的空间内来研究磁体运动对地磁场的扰动，而我们要用一个磁阻传感器来测量这些变化进而可明确的知道单体的运动方向及状态，研究磁阻传感器的测量原理，并设计在所要求距离范围内信号放大电路，连接示波器观察波形，进行总结。关键字：磁阻传感器第2页 共36页AbstractMonomer into the magnetic field will cause a change in the magnetic field, magnetic

2、field changes reflected by the magnetic sensor, amplifier connected to us better to judge, because the Earths magnetic field in a very wide area (approximately a few kilometers) is certain, to a certain the space to study the magnetic movement of the geomagnetic field disturbances, we use a magnetor

3、esistive sensor to measure these changes in turn may be clear that the movement direction and the single state of magnetoresistive sensor measuring principle and design in the demands from within the signal amplification circuit, connect an oscilloscope waveform, were reviewed.Keywords: Magnetic sen

4、sors1 绪论1.1 研究本课题的目的和意义研究本课题能够检测到铁磁体（如弹体）经过某固定区域时的运动状态。现在多应用于飞行器，船舶等主要用途是感应姿态的变化，可用于检测车辆的存在和车型识别。同时在导航定位系统中的应用也具军事意义。这种技术应用于磁场传感和磁力计、电子罗盘、线性和角位置传感器，车辆探测，GPS导航，以及更多。1.2 基于地磁原理检测的应用研究的背景地球可视为一个磁偶极（magnetic dipole），其中一极位在地理北极附近，第3页 共36页另一极位在地理南极附近。通过这两个磁极的假想直线（磁轴）与地球的自转轴大约成11.3度的倾斜。地磁场的成因或许可以由发电机原理解释。地

5、球的磁场向太空伸出数万公里形成地球磁圈(magnetosphere)。因为我们只在一定范围内做实验检测，可看作平行均匀的地磁场，平均为0.5mgauss地磁场对人类的生产、生活都有重要意义。行 军 、 航 海 利 用 地 磁 场 对 指 南 针 的 作 用 来 定 向 。 人 们 还 可 以 根 据 地 磁 场 在地 面 上 分 布 的 特 征 寻 找 矿 藏 。 最早的检测磁场的人通过测量地球磁场的方向在茫茫无际的大海上航行。随着科技的发展，多种磁传感器被用来测量磁场的存在、强度和方向，这个磁场不仅仅是地球磁场，还包括永磁体、磁化的软磁体、车辆的扰动、脑电波以及电流产生的磁场。磁传感器可以非

6、接触地测量这些物理参数，成为许多工业和导航控制系统的眼睛。本文将讨论在地球磁场范围内的磁感测技术的现状，以及这些传感如何应用。侧重于在地磁场环境下的车辆检测和导航的应用。人类使用磁传感器已有两千多年的历史。早期的应用仅为定向和导航。今天，磁传感器仍然是解决导航问题的基本方法之一，但更多的用途被开发出来。同时人们一直朝着提高灵敏度、缩小体积、和电子系统兼容的方向努力。William Thormpson 在1856 年，Lord Kelvin 在晚些时候，先后发现了在铁磁金属中的磁阻效应。这一发现一直等待了100 多年，直到厚膜电路技术的发展制造了第一只实验性的传感器投入应用。磁阻传感器有多种形式

7、。对于磁阻传感器最新的增长的市场是用在磁带和磁盘驱动器中的高密度读入头。其它的典型应用包括汽车轮速和曲轴转速的测量、罗盘定向、车辆检测、电流传感等。使用磁传感器的一个特点是所测量的磁场通常不是人们的初衷。第二级的参量才是所需要的，如轮速、磁性油墨的存在、车辆的检测和方向的判定等。这些参量不能被直接测量，但可以从磁场的变化或畸变中提取出来。传统的传感器，如温度、压力、应变、或光传感器可以直接将所需的参量转化为成比例的输出电压或电流，参见图1。另一方面，使用磁传感器只能对方向、存在、旋转、角度或电流进行间接的检测。首先，输入量必须创造或改变一个磁场。例如导线中的电流、在永磁体表面通过的齿牙、在地磁

8、场中移动的铁磁物体都可以创造出磁场的第4页 共36页变化。一旦磁传感器检测到磁场的变化，需要信号处理电路将传感器的输出信号转化成所需的参量值。这给在大多数应用中的磁感测方法带来一点困难。但是如果充分理解这些磁场变化的影响，可以精确可靠地检测到这些参量，而这些参量是使用其它方法难以检测到的。区分不同的磁传感器的方法之一是按照它们所感测的磁场范围的不同来区分。可分为三类：低磁场、中磁场和高磁场。检测低于1毫高斯磁场的传感器定义为低磁场传感，检测从1毫高斯到10高斯磁场的传感器定义为地球磁场传感器，检测高于10高斯磁场的传感器在本文中定义为附加磁场传感器。表1 列出了各种技术的传感器和相应的检测磁场

9、的范围。AMR 磁阻传感在车辆检测和罗盘定向的应用本文重点放在异向性磁阻传感器(AMR)，最适合工作在地球磁场范围内。AMR 传感器可以准确检测出地球磁场1/12,000 的强度和方向的变化。使用AMR传感器进行车辆检测和导航定向的应用将在本文中详细讨论。地球磁场传感器(1 毫高斯到10 高斯)地球磁场的范围非常适合于中磁场传感器。利用地磁场可以用来确定罗盘的指向、车辆检测、测量磁场变化的导数来确定偏航的速率。1.3 磁阻传感器技术研究现状GPS的电子定向和航位推测解决方案，远程信息处理和定位型服务设施。GPS，定位型服务设施和远程信息处理的应用正促使我们的旅行方式发生重大变化并适于实施针对个

10、人的导航和信息服务。LBS（横向波束传感器）中的电子罗盘定向和远程信息处理使其拥有更多的“方位指示器”，从而缩小了信息（如近处产品与服务设施）的选择范围。把这方位指示器的质量描述为以度为单位的罗盘定向仪精度。电子罗盘定向仪是与全球定位系统（GPS）结合在一起使用的，可使用户增加纬度和经度方面的航向控制。优质的2轴，或3轴倾斜型有补偿的电子罗盘给GPS提供了额外的航位推测能力。霍尼韦尔于2005年五月收购了美国加利福尼亚州方廷瓦利市的方位搜索公司。方位搜索公司的航位推测技术将使霍尼韦尔的产品能提供额外的定向能力，从而在无法使用GPS的情况下能给以非凡的定向能力。这些产品是作为元件供货的，可第5页

11、 共36页与其它设备，例如RF数据链路和地图显示器集成在一起，形成一体化。这些创新产品和创新技术将进一步增强霍尼韦尔公司在GPS个人导航技术，远程信息处理和定位型服务设施方面的领先地位。AMR 传感器是其中一种形式，最适于工作在地球磁场范围。即可以检测直流静态磁场，也可以检测磁场的强度和方向。传感器的制作过程是将铁镍合金（Permalloy）薄膜沉积在硅片上，形成电阻条。在磁场中其阻值可变化23%。通常，四个这样的电阻连接成一个惠斯通电桥的形式（图2），可以测出沿着单一轴线的磁场的强度和方向。桥臂的典型阻值为1000 欧姆，典型带宽为1 5MHz。磁阻效应的反应是非常快的，不会受到诸如线圈和振

12、荡频率的影响。AMR传感器的一个关键的优点是可以在硅片上大量生产，封装成商用集成电路的形式。这样使得磁传感器可以和其它电路和系统元件自动组合在一起。图2 AMR 传感器电路现有的AMR 传感器可以很好地感测地磁场范围内的磁场-低于1高斯。传感器可用来检测一些铁磁性物体如飞机、火车、汽车。其它应用包括磁罗盘、旋转位置传感、电流传感、钻井定向、线位置测量、偏航速率传感器和虚拟实景中的头部轨迹跟踪。车辆检测地球磁场在很广阔的区域内（大约几公里）是一定的。图4说明了一个铁磁性物体，如汽车，是如何扰动地球磁场的，无论它是运动的还是静止的。1.4 课题要完成的任务及研究方法简介在铁磁材料中会发生磁阻的非均

13、质现象（AMR），当沿着一条长而且薄的铁磁合金带的长度方向施加一个电流，在垂直于电流的方向施加一个磁场。合金带第6页 共36页自身的阻值会发生变化。利用AMR 磁阻效应生产的AMR磁阻传感器成功地将三维方向（x，y，z）的单个传感器件集成在同一个芯片上，而且将传感器与调节、补偿电路集成一体化，可以很好地感测地磁范围内低于1 高斯的磁场，可以根据一些铁磁物体对地磁的扰动，来检测车辆的存在，也可以根据不同车辆对地磁产生的扰动不同来识别车辆类型。其灵敏度可以达到1mV/V/gauss，线性度误差达到0.05%FS。迟滞误差和重复误差也很小都可以达到0.08%FS。AMR 磁阻传感器在国外的应用领域非

14、常广泛，如电流测量、地矿检测、土壤水分检测、航空导航、高速旋转体的旋转速度等。本课题设计一种基于地磁原理的检测方法，用磁传感器检测地磁场的变化，经过放大电路来判断磁体的运动情况，并保证检测距离大于5m测试地磁场运动系统设计综述，论述了磁阻传感器的基本工作原理和理论方法，介绍了国内外该领域的研究状态，如何实现检测距离在5m以上，并对设计磁阻传感器放大电路设计过程中的关键问题进行了分析和讨论，提出了可靠地解决方案，对放大电路的设计，以及最后进行的测量结果具有一定的参考价值。总体设计思路介绍，综合了解之后设计出系统总体框图，对磁阻传感器原理及解析方法进行介绍。选择合适的传感器芯片，进行分析磁阻和磁场

15、强度的关系。对 磁 阻 传 感 器 信 号 放 大 电 路 进 行 分 析 设 计 ， 分 析 其 测 量 的 距 离 范围 。 进 行 测 量 导 出 结 论 。第7页 共36页2 磁阻传感器信号放大电路设计综述2.1 磁阻传感器简介当沿着一条长而且薄的铁磁合金带的长度方向施加一个电流，在垂直于电流的方向施加一个磁场，合金带自身的阻值会发生变化，这就是磁阻现象。磁阻传感器是70年代中期才出现的新型磁性传感器，由于磁阻传感器具有凌密度高，体积小，可靠性高，温度特性好，工作频率高，耐恶劣环境能力强以及易于与数字电路匹配等优点，以至于虽然它远比霍尔器件，半导体磁敏电阻等出现晚，但它的发展非常的迅速

16、。霍尼威尔磁阻传感器一般由四个磁阻组成惠斯通电桥，当电阻中有电流流过时在电桥上便施加一个偏置磁场这将使得两个相对放置的电阻的磁化方向朝着电流方向转动从而引起电阻阻值的增加另外两个相对放置的电阻的磁化方向背向电流方向转动从而引起电阻阻值减小，这样便可在线性区域输出和外加磁场成正比的信号。集成度高片内集成了霍尼威尔公司取得专利的置位复位技术因第8页 共36页而可以减少温度漂移，非线性误差以及在高磁场环境中对输出信号造成的影响。而片内偏置电路则可消除磁场失真的影响。 2.2 磁阻传感器工作原理2.2.1磁敏电阻效应磁敏电阻效应（magnetoresistance effect）,就是某些材料的电阻值

17、受受磁场的影响而改变的现象，简称磁阻效应。磁阻传感器主要用来检测磁场的存在,强弱.方向,和变化等 许多金属、合金及金属化合物材料处于磁场中时，传导电子受到强烈磁散射，使电阻显著增大，这种现象称磁阻效应。通常以电阻率的相对改变量 来表示磁阻， ，式中 和 分别为无磁场和有磁场时的电阻率。 磁场与外电场垂直时所产生的磁阻称为横向磁阻，磁场平行于外电场时所产生的磁阻称为纵向磁阻。由于横向磁阻效应比纵向磁阻效应更明显， 图 1 第9页 共36页半导体样品的电阻 ，在磁场中电阻 增加的原因或者是 增大；或者是 增长、 减小。前者引起的磁阻效应称为物理磁阻效应；后者引起的称为几何磁阻效应。 2.2.2物理

18、磁阻效应如图 1 所示的长方形半导体薄片（N 型），设 CD 方向通有直流电流 ，当处于图示方向的磁场 ，半导体内的载流子将受到洛仑兹力的作用而发生偏转，在A、B 端产生电荷积聚，因而产生霍尔电场。如果霍尔电场作用和某一速度的载流子的洛仑兹力作用刚好抵消，那么小于或等于该速度的载流子将发生偏转，因而沿外加电场方向 CD 运动的载流子数目将减少，使 CD 方向的电阻增大，表现横向磁阻效应。如果将 A、B 端短接，霍尔电场将不存在，所有电子将向 A 端偏转，使电阻变得更大，因而磁阻效应加强。所以，可以看出，霍耳效应比较明显的样品，磁阻效应就小；反之，霍耳效应比较小的样品，磁阻效应就大。 2.2.3

19、几何磁阻效应磁阻效应也与样品的形状有关，不同几何形状的样品，在同样大小的磁场作用下，其电阻变化不同，此现象称为几何磁阻效应。即样品电阻 的增加，是由于 增长或 减小引起的。必须注意， 指的是载流子运动的实际路程。 图 2 画出了三种不同形状的 N 型样品内电流线的分布， （A）为不加磁场的情况， （B）为加磁场的情况。不加磁场时，电流密度与外加电场方向一致，即与样品边缘平行，与电极垂直。加磁场后，由于产生横向电场，使电流密度方向偏离合成电场形成一个角度。 第10页 共36页图 2 半导体内电流分布 可见，在磁场作用下，电流流过的路程 增长，使样品电阻 增大。然而，的增加与样品的形状有关，如图对于长宽比 的长条形样品， 增加的不明显；但对于 的扁条形样品， 增加的较明显，因而电阻增加较多；特别是圆盘形样品，从圆盘中心加以辐射形外电场时，几何磁阻效应特别明显。 因此，在实际测量中，常用磁阻器件的磁电阻相对改变量 来研究磁阻效应，由于 ， ，则 。其中 为磁场为 时样品的磁电阻， 为零磁场时样品的磁电阻。理论和实验都证明,对于一般正常磁电阻器件,磁阻相对改变量 在磁场较弱时与所加磁场 的平方成正比，而在强磁场时与 成正比。 2.3 国内外研究概况磁敏传感器是传感器产品的一个重要部分，随着我们磁敏传感器技术的发展，