吳志東 周穗華 張曉兵

(海軍工程大學(xué)兵器工程系 武漢 430033)

1 引言

在利用三軸磁傳感器進(jìn)行測(cè)量之前要對(duì)傳感器的性能進(jìn)行標(biāo)定,包括傳感器的靈敏度、分辨率等指標(biāo)。利用NI公司的16位A/D、DA卡、格拉斯磁環(huán)和高精度磁環(huán)驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)建了傳感器性能標(biāo)定系統(tǒng)。一方面根據(jù)當(dāng)?shù)氐卮艌?chǎng)的垂直分量為35uT,測(cè)定傳感器的靈敏度為3.52V/Gass,另外使用DA卡和磁環(huán),在利用高通濾波、功率譜分析和帶同濾波的數(shù)據(jù)處理方法的基礎(chǔ)上得出了傳感器的最小分辨率位6nT。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的框圖如圖1所示,系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果可以用于對(duì)傳感器精度要求不高的場(chǎng)合。

圖1 標(biāo)定系統(tǒng)框圖

2 三軸磁傳感器和格拉斯磁環(huán)

三軸磁傳感器原理如圖2所示,接口如圖2(a)所示,三軸磁方向示意圖如圖2(b)所示。傳感器接口主要有電源接口、X軸、Y軸、Z軸磁場(chǎng)電壓輸出口、SET/RESET接口及電源控制接口。X軸、Y軸、Z軸是傳感器的電壓值電壓輸出接口;SET/RESET腳控制傳感器的輸出信號(hào)類型,用于消除因溫漂和其他干擾造成對(duì)傳感器輸出的影響;SHUD腳控制傳感器的電源的關(guān)斷,來控制傳感器功耗;傳感器的供電電壓范圍是4.5～7.5V。

圖2 傳感器的接口示意圖

為了在低功耗情況下使用三軸磁傳感器進(jìn)行高精度測(cè)量,要充分利用SET/RESET功能。圖3(a)給出了SET/RESET的時(shí)序圖,根據(jù)圖中所示的時(shí)序每次SET/RESET后讀取傳感器輸出的信號(hào)Vset和Vrst,分別對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)值為Bs和Br,公式(1)給出了磁場(chǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,Bos是外部磁場(chǎng)值,B0是零點(diǎn)磁場(chǎng),采集卡采集傳感器信號(hào)輸出的時(shí)序如圖3(b)所示以說明采集時(shí)傳感器的工作時(shí)序[1]。

D/A卡輸出信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)格拉斯磁環(huán),可以磁環(huán)中間的形成直徑80cm,長(zhǎng)度1m的柱形均勻磁場(chǎng)區(qū)域。依據(jù)磁環(huán)電流轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)值的計(jì)算公式1mA=1mO,1mO=100nT和D/A卡輸出信號(hào)的強(qiáng)度可以計(jì)算出均勻區(qū)域感應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度值[2]。

圖3 傳感器工作時(shí)序圖

3 高精度磁環(huán)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路使用兩只儀表放大器和兩支電阻構(gòu)造了一個(gè)線性度在0.01%的壓控恒流源電路,電路結(jié)構(gòu)如圖4所示,AD620小功率、低漂移儀表放大器提供電路控制和誤差校正,晶體管Q1和Q2構(gòu)成推挽電路作為功率輸出[3]。

圖4 磁環(huán)驅(qū)動(dòng)器電路

4 三軸磁傳感器的靈敏度標(biāo)定

傳感器的靈敏度是單位磁場(chǎng)信號(hào)輸入的情況下傳感器的輸出。在假定傳感器為線性且三軸靈敏度一致性較好的前提下,進(jìn)行傳感器的靈敏度標(biāo)定。在沒有標(biāo)準(zhǔn)參考源的情況下依據(jù)當(dāng)?shù)卮艌?chǎng)的垂直分量為35uT,使用16位A/D采集卡進(jìn)行信號(hào)采集,采用圖3所示的方法對(duì)三軸磁傳感器進(jìn)行控制采集,將傳感器水平放置不斷的對(duì)傳感器重置和復(fù)位得到一系列相應(yīng)的信號(hào)值,圖5是A/D采集卡采集傳感器y軸輸出的電壓值得到的波形。依據(jù)式(1)和1.2計(jì)算相應(yīng)的磁場(chǎng)值。圖中的上半波是SET后傳感器輸出的電壓值Vset,下半波是RESET后傳感器輸出的電壓值Vrst,對(duì)傳感器輸出的電壓Vset和Vrst求取均值得到和。則傳感器的靈敏度1E-6),f是傳感器的靈敏度。由Matlab計(jì)算得出傳感器的靈敏度是3.52V/Gass。

圖5 傳感器輸出信號(hào)波形

5 三軸傳感器的最小分辨率標(biāo)定

傳感器的最小分辨率就是傳感器能夠分辨出的最小磁場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)度。系統(tǒng)連接框圖如圖1所示,計(jì)算機(jī)控制D/A卡輸出恒定頻率和峰值的信號(hào),信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)格拉斯磁環(huán),使用A/D采集卡采集三軸磁傳感器輸出的三分量數(shù)據(jù),同時(shí)采集卡同步采集磁環(huán)兩端的電壓信號(hào)。

圖6 信號(hào)處理流程圖

實(shí)驗(yàn)的方法是在磁環(huán)兩端加入的沒有直流分量且頻帶固定的交流信號(hào),通過改變輸入信號(hào)的幅度來確定磁場(chǎng)傳感器的最小分辨率。采集得到的信號(hào)通過信號(hào)處理的方法得到傳感器的最小分辨率,處理的流程如圖6所示。由于磁環(huán)兩端加入了固定頻率的交流信號(hào),可以提取傳感器獲取對(duì)應(yīng)頻率信號(hào)的信息與磁環(huán)產(chǎn)生磁場(chǎng)值對(duì)比來確定傳感器的最小分辨率。

整個(gè)控制流程閉環(huán)控制,不斷加大輸入信號(hào)的幅值來確定傳感器的最小分辨率。首先通過一維曲線擬合方法來去除信號(hào)的直流分量,matlab中的polyfit和polyval函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)該功能,使用matlab的fdatool工具箱實(shí)現(xiàn)高通濾波器和帶通濾波器設(shè)計(jì),高通濾波器作用是將低頻噪聲消除便于進(jìn)一步分析[4～5]。在去除直流成分和高通濾波后對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率譜分析觀察傳感器是否獲取對(duì)應(yīng)頻帶的信號(hào),如果沒有對(duì)應(yīng)頻率信號(hào)則增加輸入信號(hào)的幅度繼續(xù)分析,如果有進(jìn)行帶通濾波獲取對(duì)應(yīng)頻率信息,并依據(jù)前面計(jì)算得到靈敏度將信號(hào)換算為磁場(chǎng)值即為傳感器的最小分辨率,同時(shí)與磁環(huán)產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)頻帶的磁場(chǎng)值對(duì)比進(jìn)一步校正傳感器的靈敏度。

圖7給出了實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的波形,在輸入的信號(hào)頻率是0.1Hz情況下不同幅值測(cè)得的傳感器和磁環(huán)輸出信號(hào),由于格拉斯磁環(huán)產(chǎn)生軸向上的磁場(chǎng),傳感器的Y軸與磁環(huán)的軸向一致,因此這里只依據(jù)傳感器的Y軸感應(yīng)的磁場(chǎng)大小來分析計(jì)算傳感器的最小分辨率。圖7(a)、7(b)和7(c)、7(d)分別給出了傳感器的Y軸和磁環(huán)磁場(chǎng)信號(hào)在時(shí)域和頻域上的波形,從頻譜分析可以知道兩者能量最高的頻點(diǎn)出現(xiàn)在0.1Hz且磁場(chǎng)強(qiáng)度一致。當(dāng)繼續(xù)減小輸入信號(hào)幅值,頻譜分析得到傳感器輸出信號(hào)的頻譜如圖7(e)所示,與圖7(f)磁環(huán)的磁場(chǎng)輸出信號(hào)頻譜對(duì)比傳感器無法識(shí)別出該強(qiáng)度的磁場(chǎng)信號(hào),因此計(jì)算得到傳感器的靈敏度6nT。

圖7實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)語

利用高精度A/D、D/A卡和磁環(huán)驅(qū)動(dòng)器構(gòu)建完整的三軸磁傳感器靈敏度和分辨率標(biāo)定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),得到了傳感器3.52V/Gass的靈敏度和6nT的磁場(chǎng)分辨率。利用濾波、功率譜分析的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)的去噪處理并取得較好效果。該系統(tǒng)有很強(qiáng)的擴(kuò)展性還可利用光棒作為參考進(jìn)行更高精度的靈敏度標(biāo)定,利用格拉斯磁環(huán)對(duì)傳感器的三軸靈敏度的一致性進(jìn)行標(biāo)定等。測(cè)試系統(tǒng)得到的結(jié)果可以用于對(duì)磁場(chǎng)測(cè)量精度要求不高的場(chǎng)合。

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