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

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€周圍的磁場(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。

1 阻效應(yīng)原理和傳感器工作原理

1.1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。

1.2傳感器工作原理

1）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。

2）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。

2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。

2.1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。

2.2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以內(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。

2.3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。

3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。

3.1 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。 3.2室外實(shí)驗(yàn)

通過(guò)直線法和圓周法對(duì)不同目標(biāo)（三菱汽車和中巴客車）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，且三菱車的行駛速度為20km／h，中巴為14 km，／h。圖3、圖5是對(duì)三菱車信號(hào)采集的結(jié)果，圖4是對(duì)中巴客車信號(hào)采集的結(jié)果。

1）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)傳感器周圍的磁場(chǎng)影響程度不一樣，故測(cè)得的輸出信號(hào)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(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)檐囋趫A周行駛時(shí)，在采集信號(hào)期間車有一次通過(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。

4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)。
編輯：lyn