李縱華 高炯 高俊 梁峻平

摘 要 三維磁場(chǎng)傳感器，是用來(lái)測(cè)量空間磁場(chǎng)的一種裝置，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究的許多領(lǐng)域都涉及到磁場(chǎng)測(cè)量的問(wèn)題，如磁探礦、地質(zhì)勘探、磁性材料研究、磁導(dǎo)航、同位素分離、電子束加工裝置、受控?zé)岷朔磻?yīng)以及人造地球衛(wèi)星等。在很多地方，磁場(chǎng)檢測(cè)的精確度跟檢測(cè)范圍顯得尤為重要，對(duì)空間磁場(chǎng)的測(cè)量，也是現(xiàn)代科技所要求的發(fā)展方向。在高度智能化，微控制器被廣泛應(yīng)用的今天，利用磁阻器件，傳感器芯片和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)集成化，智能化成為改善空間磁場(chǎng)測(cè)量的比較有效的方法。

關(guān)鍵詞 異向磁阻 三維磁場(chǎng) 探測(cè)方法

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0緒論

磁場(chǎng)檢測(cè)與我們的生活息息相關(guān)，特別是在中低頻磁場(chǎng)的檢測(cè)方面，有著更加實(shí)際的運(yùn)用。在磁場(chǎng)的檢測(cè)中，一些常規(guī)的傳感器檢測(cè)往往出現(xiàn)差錯(cuò)，不能準(zhǔn)確檢測(cè)場(chǎng)的大小和方向，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)在研究出的這類交變磁場(chǎng)傳感器，現(xiàn)在一般都用來(lái)檢測(cè)變化比較微弱的交變磁場(chǎng)，達(dá)不到中頻磁場(chǎng)精確測(cè)量的要求?？臻g磁場(chǎng)的檢測(cè)在當(dāng)下磁場(chǎng)研究領(lǐng)域作為一個(gè)新型的研究方向，針對(duì)于其檢測(cè)技術(shù)還不是很完善，還需不斷的鉆研開發(fā)。

本文以地磁測(cè)量為切入點(diǎn)，以三維空間磁場(chǎng)測(cè)量為檢測(cè)目的，研究設(shè)計(jì)出了針對(duì)于三維空間磁場(chǎng)測(cè)量的基本檢測(cè)裝置。在研究了大量資料后，初步對(duì)國(guó)內(nèi)外空間磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)有了了解。當(dāng)下科技趨向于高度的智能化和集成化，在這前提下，通過(guò)研究分析空間磁場(chǎng)檢測(cè)芯片的結(jié)構(gòu)和性能，自行研究設(shè)計(jì)了一種空間磁場(chǎng)檢測(cè)裝置，這套裝置是以低成本，小型化，穩(wěn)定性好，精確度高的要求下設(shè)計(jì)的，最后通過(guò)對(duì)該裝置的各個(gè)部分進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了基本的功能，并且針對(duì)于有可能存在的誤差做出了分析補(bǔ)償。

1巨磁阻傳感器基本原理

磁阻效應(yīng)（MagnetoresistanceEffects）的定義為：對(duì)于某一些器件來(lái)說(shuō)，其電阻值因?yàn)橥饧哟艌?chǎng)的變化而引起其電阻值得變化的現(xiàn)象，在導(dǎo)體內(nèi)部的載流子在變化的磁場(chǎng)中受到洛倫茲力的作用從而產(chǎn)生了磁阻效應(yīng)。磁阻效應(yīng)主要有以下幾種：常磁阻（OrdinaryMagnetoresistance，OMR）針對(duì)于非磁性金屬材料來(lái)說(shuō)，其內(nèi)部的電子由于在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于受到變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛倫茲力的影響，使其原來(lái)的直線運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生變化，變成了曲線運(yùn)動(dòng)軌跡，從而使電子的運(yùn)動(dòng)路線增加，電流傳導(dǎo)速度變慢，所以增大了材料的電阻，這種現(xiàn)象被稱為常磁阻；巨磁阻（GiantMagnetoresistance，GMR）。

在特定的條件下，導(dǎo)體的電阻值會(huì)隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化而變化，這種變化的規(guī)律被叫做磁阻效應(yīng)。如圖1所示，當(dāng)導(dǎo)體在于磁場(chǎng)中時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部的載流子因?yàn)槭艿铰鍌惼澚Φ淖饔?，使其運(yùn)動(dòng)路徑發(fā)生改變，最終聚集在導(dǎo)體的兩端，因?yàn)殡娮拥木奂?，從而在?dǎo)體兩端產(chǎn)生霍爾電場(chǎng)。假如霍爾電場(chǎng)的作用力跟其中的一定速度的載流子產(chǎn)生的洛倫茲力的作用相互抵消，那么不同于該速度的載流子的運(yùn)動(dòng)路徑就會(huì)發(fā)生改變，所以同外加電場(chǎng)方向相同的運(yùn)動(dòng)載流子的數(shù)目就會(huì)變少，導(dǎo)體的電阻就會(huì)增大。

2硬件設(shè)計(jì)

霍尼韋爾HMC1043型傳感器是一種微小的三軸層面安裝的傳感器檢測(cè)裝置。適用于低磁場(chǎng)磁性傳感。增添了這種擁有支持幸好處理功能的HMC1043型傳感器，能得到成本收益高并且節(jié)約安裝空間的三軸磁傳感器或指定技術(shù)方案。這種芯片是一種制造成本低，精確度高、穩(wěn)定性好而且體積小的微型傳感器，它裝配簡(jiǎn)單，適合用在容量比較大的OEM設(shè)備的設(shè)計(jì)當(dāng)中。HMC1043型三軸傳感器的應(yīng)用范圍有：定向、導(dǎo)航裝置、磁場(chǎng)檢測(cè)和電流傳感等。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)基本構(gòu)成部分主要有：三維磁場(chǎng)傳感器、信號(hào)處理電路、置位/復(fù)位電路、檢測(cè)電路等。信號(hào)處理電路又包括信號(hào)放大電路、采樣電路和單片機(jī)控制電路。其檢測(cè)原理為：將測(cè)量裝置放置于磁場(chǎng)中，空間磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度經(jīng)過(guò)檢測(cè)電路，通過(guò)傳感器后，將磁場(chǎng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，電信號(hào)進(jìn)過(guò)放大電路處理后送到示波器，通過(guò)示波器顯示出的波形來(lái)判斷磁場(chǎng)時(shí)域的大小。置位/復(fù)位電路可以使測(cè)量裝置在受到外部干擾后重新恢復(fù)正常工作。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

因?yàn)楸粰z測(cè)磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度在15 T到0.1mT之間，所需檢測(cè)的信號(hào)比較小，所以對(duì)放大電路和采樣電路的設(shè)計(jì)要求就比較高了，放大電路和采樣電路會(huì)影響測(cè)量的精確度和準(zhǔn)確度，我所采用的是LMV324型放大器，它是一種四通道COMS放大器，其在5V電壓下的增益帶寬為1MHz，共模電壓輸出范圍為-0.2～-0.8V/Vcc，可以提供軌至軌輸出。圖中的基準(zhǔn)電壓源為Vref為2.5V，通過(guò)計(jì)算后，放大器的輸出與輸入的關(guān)系可以滿足Vout=2.5～200V磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化的靈敏度為1.0Mv/v/gauss，在15 T～0.1T磁場(chǎng)強(qiáng)度下，Vin=0.15～1.0mV，通過(guò)對(duì)上述數(shù)據(jù)的分析可以得出，無(wú)論外界磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化范圍大，放大器的輸出數(shù)值始終可以保持在2.3～2.5V之間，所以輸出的電流信號(hào)比較穩(wěn)定所以有利于采樣。

采樣電路的設(shè)計(jì)主要是由多路模擬開關(guān)CD4051和高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADS800來(lái)構(gòu)成的。ADS800是由美國(guó)的BB公司生產(chǎn)的一種轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器是一種12位40M取樣的COMS模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它是由1個(gè)12位的量化器、基準(zhǔn)電源、三態(tài)輸出電路和寬帶跟蹤保持放大器來(lái)組成的，+5V供電電源，輸入端被接成差動(dòng)輸入的方式，也可以接成單端輸入的方式，在本設(shè)計(jì)的電路中采用的是單端輸入的方式。如圖中，CD5041的A、B兩個(gè)端口分別接80C196KCP1口的P1.7、P1.6，通過(guò)這兩個(gè)端口的相互切換來(lái)決定采樣的是三維磁場(chǎng)傳感器的那一個(gè)軸的輸出磁場(chǎng)信號(hào)。

4結(jié)論

本設(shè)計(jì)是利用三軸磁阻傳感器HMC1043芯片搭建的空間磁場(chǎng)檢測(cè)裝置，并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)。本文首先介紹了磁阻效應(yīng)跟霍爾效應(yīng)這些總領(lǐng)全文的基本理論，闡述了測(cè)量裝置的基本工作原理。其次將系統(tǒng)分為電源模塊，控制模塊、傳感器采集模塊以及顯示輸出模塊分別進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。然后根據(jù)PCB的布板原則完成了PCB電路板設(shè)計(jì)、焊接和調(diào)試。通過(guò)MPLABIDE開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)了程序編寫，編譯以及和硬件的聯(lián)調(diào)。最后，分析了所設(shè)計(jì)的裝置的測(cè)量結(jié)果及存在的誤差，并不斷提出相應(yīng)的補(bǔ)償方法，通過(guò)不斷調(diào)試，提高裝置的精度。

作者簡(jiǎn)介：姓名：李縱華（1976.3-），男，蒙古族族，內(nèi)蒙古，內(nèi)蒙古特種設(shè)備檢驗(yàn)院，本科，副高級(jí)，研究方向：檢測(cè)技術(shù)。

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