磁性編碼器演示儀原理

李寶河,王立錦,王海成,陳曉白,李 文,張 勇

(1.北京工商大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,北京100048; 2.北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京100083)

磁性編碼器演示儀原理

李寶河1,王立錦2,王海成2,陳曉白1,李 文1,張 勇1

(1.北京工商大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,北京100048; 2.北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京100083)

介紹了磁性編碼器演示儀的整機(jī)結(jié)構(gòu),磁性編碼器內(nèi)部核心部件——磁頭和磁鼓.詳細(xì)介紹了各向異性磁電阻磁頭和CoP磁鼓的制作方法以及工作原理.

各向異性磁電阻效應(yīng);磁性編碼器;磁鼓

1 引 言

旋轉(zhuǎn)編碼器是精密測(cè)量位置、角度或轉(zhuǎn)速的數(shù)字化儀器,廣泛用于數(shù)控機(jī)床等各類運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),旋轉(zhuǎn)編碼器分為光學(xué)編碼器和磁性編碼器.目前工業(yè)中普遍使用光學(xué)編碼器,但光學(xué)編碼器對(duì)環(huán)境要求高,潮濕、污染的惡劣環(huán)境會(huì)造成器件穩(wěn)定性變差.磁性編碼器封裝成一體,可以克服環(huán)境影響,隨著磁頭技術(shù)的發(fā)展,靈敏度可以達(dá)到并超過光學(xué)編碼器,而且具有體積小、使用方便等有利條件,因此磁性編碼器的使用逐漸增多.

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)

筆者設(shè)計(jì)的磁性編碼器的樣機(jī)作為演示教具包含了磁性編碼器的核心部件:各向異性磁電阻磁頭、磁鼓等,并且加裝了光學(xué)編碼器用于對(duì)比.

整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示.磁鼓和光學(xué)編碼器用中軸連接,用步進(jìn)電機(jī)控制磁鼓旋轉(zhuǎn),靠近磁鼓裝有各向異性磁電阻磁頭,磁頭信號(hào)經(jīng)放大電路后送入示波器.同時(shí)光學(xué)編碼器的輸出信號(hào)也輸入示波器,可以比較光學(xué)編碼器和磁性編碼器角度或轉(zhuǎn)速測(cè)量的結(jié)果.

圖1 磁性編碼器演示儀結(jié)構(gòu)圖

3 各向異性磁電阻磁頭的結(jié)構(gòu)和原理

各向異性磁電阻磁頭是根據(jù)金屬薄膜材料的各向異性磁電阻(AMR)效應(yīng),利用金屬薄膜在不同的外磁場(chǎng)磁化下具有不同的電阻值而測(cè)量磁鼓上磁信號(hào)變化的.AMR效應(yīng)是指鐵磁材料的電阻率隨磁化強(qiáng)度和電流方向的改變而變化的現(xiàn)象,英國(guó)科學(xué)家Thomson早在150年前就發(fā)現(xiàn)了鐵磁金屬的AMR效應(yīng),但直到1971年Hunt首次提出利用AMR效應(yīng)來制造磁盤磁頭后,AMR薄膜材料才被廣泛地研究.NiFe薄膜具有較大的AMR效應(yīng),而且磁場(chǎng)靈敏度高、磁滯小,因此被廣泛應(yīng)用于AMR磁場(chǎng)傳感器元件.

圖2顯示了AMR材料金屬Ni的電阻率與外磁場(chǎng)的關(guān)系.當(dāng)外加與材料中電流密度垂直的磁場(chǎng)(H⊥J)時(shí),其電阻率減小,發(fā)生負(fù)的磁電阻效應(yīng);當(dāng)外加與材料中電流密度平行的磁場(chǎng)(H∥J)時(shí),其電阻率增加,發(fā)生正的磁電阻效應(yīng).因此,把這種效應(yīng)稱為各向異性磁電阻效應(yīng).

圖2 Ni金屬薄膜的磁電阻效應(yīng)

各向異性磁電阻值R通常定義為

其中:ρa(bǔ)v=(ρ∥+2ρ⊥)/3,ρ∥為磁場(chǎng)平行電流方向的電阻率,ρ⊥為磁場(chǎng)垂直電流方向的電阻率.

在磁性金屬(合金)中,磁電阻效應(yīng)與疇壁位移、磁化矢量的方向有關(guān),其電阻率可表示為

式中θ為磁化矢量與電流方向的夾角,ρ0為與θ無關(guān)的各向同性的電阻率,Δ ρ=ρs-ρ0,其中ρs為磁化矢量平行于電流方向被飽和磁化時(shí)的電阻率.AMR材料的磁電阻效應(yīng)很小,金屬Fe,Co的MR在5 K時(shí)約為1%,坡莫合金(Ni81Fe19)的MR在室溫約為2.5%,其飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度小于796 A/m.

將AMR薄膜通過微加工技術(shù)制作成薄膜磁頭元件.圖3為薄膜磁頭光刻板結(jié)構(gòu)圖,元件制作流程是:將AMR薄膜通過甩膠、曝光、離子刻蝕、蒸鍍電極、超聲壓焊等微加工工藝直接在薄膜上形成所需的材料形狀和電極連接,真正實(shí)現(xiàn)材料與器件一體化.磁頭讀出的磁鼓的磁化信號(hào)利用放大和整形電路,使其輸出標(biāo)準(zhǔn)的方波圖形.

圖3 薄膜磁頭光刻結(jié)構(gòu)圖

4 磁鼓的結(jié)構(gòu)和記錄原理

在鋁鼓上先鍍上一層非晶無磁的NiP做底層,再鍍上一層CoP形成磁鼓,NiP底層可以使磁性層CoP成膜均勻平滑.如圖4(a)所示.磁鼓經(jīng)充磁裝置磁化,磁化后在磁鼓表面形成如圖4 (b)所示的磁化結(jié)構(gòu).我們使用的磁鼓表面共磁化有256對(duì)NS極.當(dāng)磁鼓每旋轉(zhuǎn)1周則產(chǎn)生512個(gè)磁脈沖.磁鼓上1對(duì)NS極間相距為λ,磁頭上AMR磁阻條相距λ/2,與磁鼓磁極匹配則4個(gè)AMR磁阻條零場(chǎng)狀態(tài)和飽和磁化2種狀態(tài)下相當(dāng)于大小2種阻值的4個(gè)電阻,磁頭等效電路如圖5所示(用黑白電阻符號(hào)區(qū)分處于高低狀態(tài)的2個(gè)AMR磁阻條).隨著磁鼓的轉(zhuǎn)動(dòng),磁條的電阻可由高阻狀態(tài)到低阻狀態(tài)交替變化,磁頭輸出信號(hào)經(jīng)過放大電路和差分電路后就可反映出磁鼓的磁脈沖信號(hào).通過單位時(shí)間產(chǎn)生的脈沖的個(gè)數(shù),就可以計(jì)算出磁鼓的轉(zhuǎn)速和精確的角位移.受到磁頭響應(yīng)時(shí)間和放大電路帶寬的影響,磁性編碼器可測(cè)量的信號(hào)脈沖范圍為0～10 kHz,當(dāng)磁鼓表面磁極有256對(duì)時(shí),磁鼓每轉(zhuǎn)動(dòng)1周可以產(chǎn)生512個(gè)脈沖,則可測(cè)量的轉(zhuǎn)速范圍為0～70 312 r/h.

圖4 磁鼓結(jié)構(gòu)和磁鼓表面的磁化結(jié)構(gòu)

圖5 磁頭等效電路圖

5 結(jié)束語

本文綜述了磁編碼器的磁頭及磁鼓的結(jié)構(gòu)和原理.我們研制的磁編碼器演示儀器可以演示AMR傳感器磁頭讀出磁鼓上的磁信號(hào),并在示波器上顯示出磁鼓不同轉(zhuǎn)速下的方波信號(hào),通過計(jì)算方波的周期,可以準(zhǔn)確得到磁鼓的轉(zhuǎn)速和角位移,并可與光學(xué)編碼器給出的結(jié)果進(jìn)行比較.

[1] 王海成,杜中美,王立錦,等.NiP底層對(duì)化學(xué)鍍CoP薄膜性能的影響[J].功能材料,2008,39:51-54.

[2] 朱名日,蔣存波,馬學(xué)文.高分辨率磁性編碼器的磁鼓研究[J].桂林工學(xué)院學(xué)報(bào),2004,24:241-244.

[3] 王立錦,胡強(qiáng),滕蛟.一種具有消諧波正弦輸出的AMR薄膜磁頭設(shè)計(jì)[J].電子器件,2006,29:134-138.

Principle of magnetic encoder

LI Bao-he1,W ANG Li-jin2,W ANG Hai-cheng2,CHEN Xiao-bai1,LI Wen1,ZHANG Yong1
(1.College of Mechanical Engineering,Beijing Technology and Business University,Beijing 100048,China; 2.School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)

This paper introduces the outline of a magnetic encoder demonstrator and its critical parts:magnetic head and magnetic drum.Preparation and principles of the magnetic head with anisotropic magnetoresistance and CoP magnetic drum are also presented.

anisotropic magnetoresistance;magnetic encoder;magnetic drum

TN762;O441.2

A

1005-4642(2010)06-0025-03

[責(zé)任編輯:尹冬梅]

“全國(guó)高等學(xué)校第9屆物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)”論文

2009-08-27;修改日期:2009-10-25

北京市屬高等學(xué)校人才強(qiáng)教計(jì)劃項(xiàng)目(No.PHR201007122);北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.2102014)

李寶河(1972-),男,河北保定人,北京工商大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授,博士,從事磁性薄膜材料及器件研究.