基於磁阻傳感器的弱磁信號採集系統設計

　　0引 言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/83576.htm

　　通常所用的數據採集系統，其採樣對象都為大信號，即有用信號幅值大於噪聲信號，但在一些特殊場合採集的信號很微弱，並淹沒在大量的隨機噪聲中。此種情況下，一般的採集系統和測量方法無法檢測該信號，本採集系統硬體電路針對微弱小信號，優化設計前端調理電路，利用儀表放大器有效抑制共模信號，保證採集數據的精度要求。

　　磁阻傳感器是感知磁性物體的存在或者磁性強度(在有效範圍內)的敏感元件。這些磁性物體除永磁體外，還包括順磁材料，也可感知通電線圈或導線周圍的磁場。本文選用霍尼韋爾磁阻傳感器HMC1002，它是二維磁阻微電路，是小型集成電路封裝(SOIC)的雙磁場傳感器。2隻傳感器的敏感方向互相垂直。傳感器A感應與外封裝長邊方向平行的磁場，傳感器B感應與外封裝長邊方向垂直且與表面平行的磁場。HMCl002對於±2 Gs(1Gs=10-4T)範圍內的磁場很敏感，具有靈敏度為3.2 mV／V／Gs的線性輸出，分辨力為27μGs。

　　1 阻效應原理和傳感器工作原理
　
　　1.1磁阻效應原理

　　物質在磁場中電阻發生變化的現象稱為磁電阻效應。磁電阻效應有普通與各向異性磁電阻效應之分。各向異性磁電阻效應指：當外加磁場偏離強磁性金屬(鐵、鑽、鎳及其合金)內部的磁化方向時，金屬的電阻減小，而平行時基木上沒有變化，玻莫合金薄膜的電阻率ρ依賴於磁化強度M和電流I方向的夾角，即
 
       
　　玻莫合金(Fe20Ni80)在弱磁場下電阻變化量比較大，因此，適合於弱磁場條件下使用。

　　1.2傳感器工作原理

　　1)整個傳感器最關鍵的部分是其中的惠斯通電橋。當外加磁場後，電橋的電阻變化，如圖1所示，引起傳感器輸出電壓Uout變化

　　Uout=(△R／R)Ub，

　　式中 Ub為傳感器工作電壓。

　　2)置位和復位電流帶用來修正傳感器靈敏度。在外場超過10×10-4T的磁場會打亂傳感器內部磁疇的極化方向，改變傳感器的輸出特性，降低靈敏度。利用置位和復位電流帶上施加脈衝，使內部磁疇的極化方向統一，提高靈敏度。

        
 
　　2採集系統設計

　　整個數據採集系統包括三大部分：置位／復位部分、信號調理部分和採集部分，前端調理電路主要功能是消除共模幹擾，對微弱小信號進行放大、濾波、差分輸出，經屏蔽線傳輸至數據採集部分，數據採集部分完成數據採集並存儲，置位／復位部分避免了磁阻傳感器受到環境中強大磁場的幹擾而導致的輸出衰變，保證了數據輸出的正確和穩定。

　　2.1置位／復位電路

　　當磁阻傳感器暴露於幹擾磁場中時，傳感器元件會分成若干方向隨機的磁區域，從而導致靈敏度衰減。環境中的強磁場(大於5 ×10-4T時)會導致磁傳感器輸出信號變異，為了消除這種影響並使輸出信號達到最佳，就需要應用磁開關技術(SR+／SR-)來抵消剩餘磁場，而HMC1002是藉助一個偏置磁場以補償幹擾磁場，即通過集成在晶片內部的置位／復位合金帶對薄膜施加3～4 A，20～50 ns的脈衝電流就可以重新將磁區域對準，統一到一個方向上，這樣，可確保高靈敏度和可重複的讀數。

　　本系統採用的置位／復位電路，其產生的強電流脈衝為11.2A(>4A)滿足了系統的要求，從而可實現低噪聲和高靈敏度的磁場測量。

　　2.2信號處理電路

　　前端信號處理電路由儀表放大器、四階巴特沃思低通濾波器等部分構成，其基本框圖如圖2所示。

        
 
　　數據採集系統中，若待測信號為微小信號時，使後續得到的電壓信號也很小，幅值不定，為了使信號的幅值適中，需將信號放大。通用運算放大器不能直接放大微弱信號，必須用儀表放大器，儀表放大器具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、強抗共模幹擾能力、低溫漂、低失調電壓和高穩定增益等特點。

　　本系統採用美國ADI公司的集成儀表放大器AD623，AD623具有優良的CMRR(它隨增益增加而增加)，使誤差最小，電源線噪聲及其諧波都受到抑制，高精度直交流性能和通過一隻外接電阻使增益方便地在1～1000範圍內變化等優點，在檢測微弱信號的系統中廣泛作為前置放大器。本系統採用兩級放大，第一級放大10倍，第二級放大100多倍，共放大1000多倍。

　　在採樣前必須對信號進行抗混疊濾波處理，同時，濾除高頻噪聲。本系統主要針對磁信號，其頻率在1 kHz以內，所以，濾波器的截止頻率不超過1 kHz。該濾波器幅頻特性平坦，並有良好的衰減特性，因而，在許多濾波電路設計中得到應用，經測試取得了良好的濾波效果。

　　2.3採集部分

　　本系統採集部分採用UA306型A／D採集器，該採集器分辨力為16位，16或32通道，實時採樣率達250 k，另外，它還有測量精度高、速度快、無需要外接電源、編程方便、通過USB接口與計算機相連接等許多優點。需要數據時，直接從PC中將數據導入分析軟體中即可，使用起來很方便。

　　3實驗結果與分析

　　通過室內／室外實驗分別對系統電路進行了實驗測試。

　　3.1 室內實驗

　　磁傳感器水平放置時，鑷子沿著磁傳感器A軸方向正上方平行運動，且距離傳感器的高度為20 cm，在保持相同的條件下(運動速度除外)，通過比較測試結果很容易得出磁性物體運動速度對磁傳感器輸出信號的影響：運動速度影響磁信號的寬度，當速度較大時，其圖形的寬度較窄；反之，圖形的寬度較大。多次比較輸出信號幅值，速度變化時，幅值變化不大，磁信號的輸出幅值僅取決於所測磁介質的不同。 

        3.2室外實驗

　　通過直線法和圓周法對不同目標(三菱汽車和中巴客車)進行了信號採集，採樣率為3 k。在直線法採集中，目標與傳感器的距離為4m，且三菱車的行駛速度為20km／h，中巴為14 km,／h。圖3、圖5是對三菱車信號採集的結果，圖4是對中巴客車信號採集的結果。

      

        
　　1)圖3、圖4比較可以看出：橫軸顯示圖3有效信號的跨度比圖4的小，圖3中輸出磁信號的幅值大於0.4V，而圖4中小於0.3 V，即圖3中的輸出信號幅值比圖4中的大。這是因為圖3中的目標移動速度較大，另外，由於2個目標不同，即對傳感器周圍的磁場影響程度不一樣，故測得的輸出信號幅值也不同。

　　2)直線法和圓周法比較可以看出：圖5、圖3、圖4中的曲線變化規律明顯不同，曲線形狀變化較大是因為目標運動方式不同，即影響磁場的方式不同，從而測得曲線有差別，圖5曲線中有個較大的峰值，是因為車在圓周行駛時，在採集信號期間車有一次通過傳感器敏感軸的正方向。另外，由於採集時間有限，所以，曲線沒有反映信號周期性變化，若採集時間達到2個周期，則會出現2個主峰。

　　另外，通過比較三菱車不同方向行駛時的曲線可以看出：圖中曲線主峰偏向相反，是因為目標移動方向相反，這是由磁阻傳感器的特性決定的。

　　4結束語

　　本文利用有效的模擬信號調理方法，設計了一種基於磁阻傳感器的弱磁信號採集系統，為保證採集信號的正確性，此系統配有置位／復位電路，另外，該系統還具有能夠檢測微小信號和獲取數據簡單等特點。