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基于磁阻傳感器的弱磁信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2008-10-30 來(lái)源:傳感器與微系統(tǒng)

中心論題:

  • 阻效應(yīng)原理和傳感器工作原理
  • 采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
  • 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

解決方案:

  • 采用有效的模擬信號(hào)調(diào)理方法設(shè)計(jì)信號(hào)采集系統(tǒng)
  • 為系統(tǒng)配置 置位/復(fù)位電路

引 言
通常所用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),其采樣對(duì)象都為大信號(hào),即有用信號(hào)幅值大于噪聲信號(hào),但在一些特殊場(chǎng)合采集的信號(hào)很微弱,并淹沒(méi)在大量的隨機(jī)噪聲中。此種情況下,一般的采集系統(tǒng)和測(cè)量方法無(wú)法檢測(cè)該信號(hào),本采集系統(tǒng)硬件電路針對(duì)微弱小信號(hào),優(yōu)化設(shè)計(jì)前端調(diào)理電路,利用儀表放大器有效抑制共模信號(hào),保證采集數(shù)據(jù)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(qiáng)度(在有效范圍內(nèi))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?qū)Ь€周?chē)拇艌?chǎng)。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(chǎng)傳感器。2只傳感器的敏感方向互相垂直。傳感器A感應(yīng)與外封裝長(zhǎng)邊方向平行的磁場(chǎng),傳感器B感應(yīng)與外封裝長(zhǎng)邊方向垂直且與表面平行的磁場(chǎng)。HMCl002對(duì)于±2 Gs(1Gs=10-4T)范圍內(nèi)的磁場(chǎng)很敏感,具有靈敏度為3.2 mV/V/Gs的線性輸出,分辨力為27μGs。

阻效應(yīng)原理和傳感器工作原理
a.磁阻效應(yīng)原理
物質(zhì)在磁場(chǎng)中電阻發(fā)生變化的現(xiàn)象稱(chēng)為磁電阻效應(yīng)。磁電阻效應(yīng)有普通與各向異性磁電阻效應(yīng)之分。各向異性磁電阻效應(yīng)指:當(dāng)外加磁場(chǎng)偏離強(qiáng)磁性金屬(鐵、鉆、鎳及其合金)內(nèi)部的磁化方向時(shí),金屬的電阻減小,而平行時(shí)基木上沒(méi)有變化,玻莫合金薄膜的電阻率ρ依賴(lài)于磁化強(qiáng)度M和電流I方向的夾角,即

玻莫合金(Fe20Ni80)在弱磁場(chǎng)下電阻變化量比較大,因此,適合于弱磁場(chǎng)條件下使用。

b.傳感器工作原理
整個(gè)傳感器最關(guān)鍵的部分是其中的惠斯通電橋。當(dāng)外加磁場(chǎng)后,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。

置位和復(fù)位電流帶用來(lái)修正傳感器靈敏度。在外場(chǎng)超過(guò)10×10-4T的磁場(chǎng)會(huì)打亂傳感器內(nèi)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(fù)位電流帶上施加脈沖,使內(nèi)部磁疇的極化方向統(tǒng)一,提高靈敏度。       
 

 

采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括三大部分:置位/復(fù)位部分、信號(hào)調(diào)理部分和采集部分,前端調(diào)理電路主要功能是消除共模干擾,對(duì)微弱小信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、差分輸出,經(jīng)屏蔽線傳輸至數(shù)據(jù)采集部分,數(shù)據(jù)采集部分完成數(shù)據(jù)采集并存儲(chǔ),置位/復(fù)位部分避免了磁阻傳感器受到環(huán)境中強(qiáng)大磁場(chǎng)的干擾而導(dǎo)致的輸出衰變,保證了數(shù)據(jù)輸出的正確和穩(wěn)定。

a.置位/復(fù)位電路
當(dāng)磁阻傳感器暴露于干擾磁場(chǎng)中時(shí),傳感器元件會(huì)分成若干方向隨機(jī)的磁區(qū)域,從而導(dǎo)致靈敏度衰減。環(huán)境中的強(qiáng)磁場(chǎng)(大于5 ×10-4T時(shí))會(huì)導(dǎo)致磁傳感器輸出信號(hào)變異,為了消除這種影響并使輸出信號(hào)達(dá)到最佳,就需要應(yīng)用磁開(kāi)關(guān)技術(shù)(SR+/SR-)來(lái)抵消剩余磁場(chǎng),而HMC1002是借助一個(gè)偏置磁場(chǎng)以補(bǔ)償干擾磁場(chǎng),即通過(guò)集成在芯片內(nèi)部的置位/復(fù)位合金帶對(duì)薄膜施加3~4 A,20~50 ns的脈沖電流就可以重新將磁區(qū)域?qū)?zhǔn),統(tǒng)一到一個(gè)方向上,這樣,可確保高靈敏度和可重復(fù)的讀數(shù)。
  
本系統(tǒng)采用的置位/復(fù)位電路,其產(chǎn)生的強(qiáng)電流脈沖為11.2A(>4A)滿(mǎn)足了系統(tǒng)的要求,從而可實(shí)現(xiàn)低噪聲和高靈敏度的磁場(chǎng)測(cè)量。

b.信號(hào)處理電路
前端信號(hào)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(gòu)成,其基本框圖如圖2所示。
 

         
 

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,若待測(cè)信號(hào)為微小信號(hào)時(shí),使后續(xù)得到的電壓信號(hào)也很小,幅值不定,為了使信號(hào)的幅值適中,需將信號(hào)放大。通用運(yùn)算放大器不能直接放大微弱信號(hào),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(qiáng)抗共模干擾能力、低溫漂、低失調(diào)電壓和高穩(wěn)定增益等特點(diǎn)。
  
本系統(tǒng)采用美國(guó)ADI公司的集成儀表放大器AD623,AD623具有優(yōu)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(guò)一只外接電阻使增益方便地在1~1000范圍內(nèi)變化等優(yōu)點(diǎn),在檢測(cè)微弱信號(hào)的系統(tǒng)中廣泛作為前置放大器。本系統(tǒng)采用兩級(jí)放大,第一級(jí)放大10倍,第二級(jí)放大100多倍,共放大1000多倍。

在采樣前必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行抗混疊濾波處理,同時(shí),濾除高頻噪聲。本系統(tǒng)主要針對(duì)磁信號(hào),其頻率在1 kHz以?xún)?nèi),所以,濾波器的截止頻率不超過(guò)1 kHz。該濾波器幅頻特性平坦,并有良好的衰減特性,因而,在許多濾波電路設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用,經(jīng)測(cè)試取得了良好的濾波效果。

c.采集部分
本系統(tǒng)采集部分采用UA306型A/D采集器,該采集器分辨力為16位,16或32通道,實(shí)時(shí)采樣率達(dá)250 k,另外,它還有測(cè)量精度高、速度快、無(wú)需要外接電源、編程方便、通過(guò)USB接口與計(jì)算機(jī)相連接等許多優(yōu)點(diǎn)。需要數(shù)據(jù)時(shí),直接從PC中將數(shù)據(jù)導(dǎo)入分析軟件中即可,使用起來(lái)很方便。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
通過(guò)室內(nèi)/室外實(shí)驗(yàn)分別對(duì)系統(tǒng)電路進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

a.室內(nèi)實(shí)驗(yàn)
磁傳感器水平放置時(shí),鑷子沿著磁傳感器A軸方向正上方平行運(yùn)動(dòng),且距離傳感器的高度為20 cm,在保持相同的條件下(運(yùn)動(dòng)速度除外),通過(guò)比較測(cè)試結(jié)果很容易得出磁性物體運(yùn)動(dòng)速度對(duì)磁傳感器輸出信號(hào)的影響:運(yùn)動(dòng)速度影響磁信號(hào)的寬度,當(dāng)速度較大時(shí),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(hào)幅值,速度變化時(shí),幅值變化不大,磁信號(hào)的輸出幅值僅取決于所測(cè)磁介質(zhì)的不同。

b.室外實(shí)驗(yàn)
通過(guò)直線法和圓周法對(duì)不同目標(biāo)(三菱汽車(chē)和中巴客車(chē))進(jìn)行了信號(hào)采集,采樣率為3 k。在直線法采集中,目標(biāo)與傳感器的距離為4m,且三菱車(chē)的行駛速度為20km/h,中巴為14 km,/h。圖3、圖5是對(duì)三菱車(chē)信號(hào)采集的結(jié)果,圖4是對(duì)中巴客車(chē)信號(hào)采集的結(jié)果。      

         

圖3、圖4比較可以看出:橫軸顯示圖3有效信號(hào)的跨度比圖4的小,圖3中輸出磁信號(hào)的幅值大于0.4V,而圖4中小于0.3 V,即圖3中的輸出信號(hào)幅值比圖4中的大。這是因?yàn)閳D3中的目標(biāo)移動(dòng)速度較大,另外,由于2個(gè)目標(biāo)不同,即對(duì)傳感器周?chē)拇艌?chǎng)影響程度不一樣,故測(cè)得的輸出信號(hào)幅值也不同。

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(guī)律明顯不同,曲線形狀變化較大是因?yàn)槟繕?biāo)運(yùn)動(dòng)方式不同,即影響磁場(chǎng)的方式不同,從而測(cè)得曲線有差別,圖5曲線中有個(gè)較大的峰值,是因?yàn)檐?chē)在圓周行駛時(shí),在采集信號(hào)期間車(chē)有一次通過(guò)傳感器敏感軸的正方向。另外,由于采集時(shí)間有限,所以,曲線沒(méi)有反映信號(hào)周期性變化,若采集時(shí)間達(dá)到2個(gè)周期,則會(huì)出現(xiàn)2個(gè)主峰。

另外,通過(guò)比較三菱車(chē)不同方向行駛時(shí)的曲線可以看出:圖中曲線主峰偏向相反,是因?yàn)槟繕?biāo)移動(dòng)方向相反,這是由磁阻傳感器的特性決定的。

結(jié)束語(yǔ)
本文利用有效的模擬信號(hào)調(diào)理方法,設(shè)計(jì)了一種基于磁阻傳感器的弱磁信號(hào)采集系統(tǒng),為保證采集信號(hào)的正確性,此系統(tǒng)配有置位/復(fù)位電路,另外,該系統(tǒng)還具有能夠檢測(cè)微小信號(hào)和獲取數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

 

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