【摘 要】
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无人机磁反潜、地磁导航、智能磁引信等新兴弱磁探测应用快速发展,急需高性能小型三轴磁传感器。磁电阻传感器,尤其是巨磁电阻(Giant Magneto Resistance,GMR)和隧道磁电阻(T
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无人机磁反潜、地磁导航、智能磁引信等新兴弱磁探测应用快速发展,急需高性能小型三轴磁传感器。磁电阻传感器,尤其是巨磁电阻(Giant Magneto Resistance,GMR)和隧道磁电阻(Tunneling Magneto Resistance,TMR)传感器具有发展为高性能小型三轴磁传感器的巨大潜力。但其输出响应中存在的磁滞现象,严重影响其性能。在国家自然科学基金项目支持下,本文主要针对磁电阻传感器中的磁滞问题,开展了抑制方法研究:建立了GMR磁电阻传感器改进型T(x)磁滞模型,提出了基于改进型T(x)模型的磁场跟踪补偿方法来抑制磁滞影响;通过设计制备补偿微结构,并研制相应的补偿软硬件系统,最终实验验证了改进型T(x)模型的正确性和基于改进型T(x)模型的磁场跟踪补偿方法对于磁滞抑制的有效性。主要工作和成果如下:通过分析多层膜GMR磁传感器磁滞产生的原理,在传统T(x)磁滞模型的基础上,推导出针对多层膜GMR磁电阻传感器的改进型T(x)磁滞模型。为减小直接跟踪补偿方法中的线性近似误差,提出了基于改进型T(x)模型的磁场跟踪补偿方法,并以多层膜GMR磁电阻传感器为例,从理论角度证明该方法对于磁滞抑制、提高磁信号测量准确性的作用。围绕励磁系数、电阻和电感等关键性能参数,建立了补偿线圈的有限元仿真设计方法,实现了补偿线圈及磁滞补偿结构的优化设计;通过引入微电镀技术,突破了高密度大厚度补偿微线圈的高质量制备工艺;通过引入缓冲层,并采用高精度光学对准系统,实现了敏感体三维高精度安装,进而完成了高性能磁滞补偿微结构的制备。采用高分辨率DAC和压控恒流源技术,研制了高精密低噪声补偿/脉冲电流产生电路。采用正交锁相参数估计和数字PI电流控制算法,实现了磁场跟踪补偿及GMR磁电阻传感器的工作点控制。通过搭建磁滞补偿测试平台,开展了基于改进型T(x)模型的跟踪补偿测试实验,拟合得到的针对GMR磁电阻传感器的改进型T(x)模型误差为0.31%;基于改进型T(x)模型的磁场跟踪补偿与直接磁场跟踪补偿方法进行对比,磁滞从1%降低至0.4%。
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