手持式智能數(shù)字三軸磁場檢測與定向儀的設(shè)計

手持式智能數(shù)字三軸磁場檢測與定向儀的設(shè)計

0電磁傳感器各向異性磁強傳感器（amr）由鐵、磁、金屬或合金制成，其阻力在磁體中為各向異性。線性化后的AMR磁阻傳感器能夠感應(yīng)磁場的強度和方向,且在低磁場具有很高的靈敏度。如果該傳感器放在強磁場擾動作用下時,只需要使用傳感器的置位/復(fù)位電路,就可以恢復(fù)初始磁矩的方向,使用方便。KMZ-10A傳感器需要加外部線圈用于置位/復(fù)位,而AMR的傳感器使用芯片電流代替外部線圈來產(chǎn)生置位/復(fù)位強磁場,使用置位/復(fù)位電路后,可降低交軸反應(yīng)的影響,減小橋偏移電壓,提高系統(tǒng)的分辨率和靈敏度。AMR傳感器的典型頻率帶寬為5MHz,磁阻效應(yīng)反應(yīng)非常快,不受線圈和振蕩頻率的限制,能夠大批量生產(chǎn),并和電子設(shè)備相兼容。它的靈敏度高,體積小,適應(yīng)頻率和穩(wěn)定范圍寬,而且既可以測量恒定的磁場,又可以測量交變磁場?；谶@種三維傳感器的手持式三軸磁場檢測與定位儀,可以精確測量空間中某一位置的三軸低頻磁場,可以利用地球磁場實現(xiàn)電子羅盤的指南功能,并可應(yīng)用于高密度磁帶與硬盤磁頭,汽車速度傳感、機軸傳感、車輛探測、電流測量等與磁場相關(guān)的科研領(lǐng)域中。文中介紹并實現(xiàn)了一種以HoneywellHMC1043型磁阻傳感器為核心的手持式智能三軸數(shù)字磁場計的設(shè)計。該系統(tǒng)不但可以顯示被測磁場在X、Y、Z傳感軸方向上的磁場強度,而且還可顯示被測磁場的角度,并可實現(xiàn)自動調(diào)零、自動增益選擇,自動誤差補償?shù)裙δ?具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、低成本、低功耗、高精度、易于擴展的特點。1硬件設(shè)計1.1總體框圖系統(tǒng)主要由三軸磁阻傳感器、信號調(diào)理放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、微控制器和顯示電路組成。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。三軸磁阻傳感器把X、Y、Z傳感軸方向的入射磁場強度轉(zhuǎn)化為3個差動電壓輸出,這些電壓信號經(jīng)AD623儀表放大器調(diào)理放大后送入MAX1143進行模數(shù)轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量經(jīng)AT89S52處理后送入LCD顯示。1.2hmc1033型磁阻傳感器的電橋電路設(shè)計傳感器是磁場計的關(guān)鍵部分,其性能直接決定儀器的基本測試精度、線性度和測量范圍。設(shè)計采用HoneywellHMC1043型三軸磁阻傳感器,它使用各向異性磁阻技術(shù)(AMR),支持信號處理功能,且尺寸小(3mm×3mm)、靈敏度高(1mV/V/Gs(1Gs≈10-4T)、可靠性好,可用來測量地球磁場的方向和從-6～6GS的磁場強度。HMC1043型三軸磁阻傳感器的基本單元為磁敏電阻,4個磁敏電阻作為磁阻臂組成一個惠斯通電橋。當(dāng)外加磁場平行于磁敏電阻內(nèi)部磁化方向時,其阻值不變;當(dāng)外界磁場方向偏離時,其阻值變低。若磁敏電阻中存在電流,其阻值也將發(fā)生變化,大小隨內(nèi)外兩磁場合成磁化方向與電流流向的相對關(guān)系而異;趨于同向者增大,背向者減小。磁敏電阻阻值的變化將引起電橋輸出電壓的變化。這樣傳感器就成功的把外部的磁場強度信號轉(zhuǎn)換為了相應(yīng)的電壓信號。每個HMC1043型磁阻傳感器內(nèi)部由3組正交垂直的磁敏電阻組成電橋,可以測量空間一點的3個正交方向的磁場分量。通過這3個磁場分量,經(jīng)過一定的校準(zhǔn)和計算后,可以得到此點磁場方向與地磁北極的夾角。采用電橋可以補償溫度對于磁敏電阻的影響。除了電橋電路外,傳感器還有兩個芯片內(nèi)磁耦合的(接線)條,偏置條和設(shè)置/重置條,用于入射磁場調(diào)整和磁疇調(diào)準(zhǔn)。HMC1043內(nèi)部電路及設(shè)計的PCB如圖2所示。設(shè)計中采用5V電壓給傳感器供電,其差動電壓輸出范圍約為-30～+30mV.1.3放大電路的實現(xiàn)設(shè)計采用2個AD623對信號進行2級放大。經(jīng)多路復(fù)用器選通后的差分信號接入到第一級放大器。設(shè)計第一級放大倍數(shù)為10,外接增益調(diào)節(jié)電阻RG=11kΩ.第一級放大電路如圖3所示。經(jīng)過第一級放大后,共模干擾得到了很好的抑制,微弱的差分信號被提取出來并放大了10倍。第二級放大電路除了進一步對信號進行共模干擾的濾除和放大外,利用1片MAX4634實現(xiàn)了放大倍數(shù)可調(diào)。通過用單片機控制MAX4634的通道選擇來選擇增益調(diào)節(jié)電阻,從而達到調(diào)節(jié)放大器增益的目的。兩級放大電路總增益可在20～1000調(diào)整。第二級放大電路和增益調(diào)節(jié)電路分別如圖4和圖5所示。1.4軟件的基本信息在送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器之前加入一級電壓跟隨器以保證采樣穩(wěn)定。采用14位MAX1143芯片作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器,它主要有如下特點:200ksps(雙極)和150ksps(單極)采樣ADC;14位,無丟失編碼;最小81db的信號-噪聲及失真比;+5V單電源供電;低功耗工作,7.5mA(單極供電模式);軟件可配置的單極和雙極輸入范圍:0～+4.096V和-4.096～+4.096V,可選的內(nèi)部或外部時鐘;具有3個用戶可編程的邏輯輸出。設(shè)計采用+5V單極電源對ADC供電,使用內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換參考電壓(+4.096V),并由單片機提供外部時鐘。1.5pa4、23和26采用AT89S52作為中央控制器。AT89S52接口設(shè)計如圖6所示。其中P12～P14用于多路復(fù)用器的使能和通道的選擇,P27和P28用于調(diào)節(jié)放大器的放大倍數(shù)。P20～P26用于接收ADC的結(jié)果、提供時鐘、控制ADC的模式等。從P24接收到的信號,經(jīng)過單片機進行數(shù)據(jù)處理后,送入LCD顯示。2自動調(diào)節(jié)的采樣過程系統(tǒng)的軟件設(shè)計部分使用KeilC51高級語言編寫。程序編寫主要涉及到以下3個關(guān)鍵問題:(1)儀器誤差的軟件補償。在每次開機時系統(tǒng)都對ADC進行軟件校準(zhǔn),以最小化其誤差。(2)放大倍數(shù)的自動調(diào)節(jié)。根據(jù)MAX1143ADC手冊中輸入電壓與輸出二進制之間的對應(yīng)關(guān)系,設(shè)置當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)值為-1024～+1024時,增大放大倍數(shù),當(dāng)該數(shù)值小于-8000或大于8000時,縮小放大倍數(shù),實現(xiàn)放大倍數(shù)的自動調(diào)節(jié)。(3)數(shù)值穩(wěn)定性和磁場角度計算。由于在同一點測量的時候,測量數(shù)據(jù)的變化是很小的,為了更準(zhǔn)確的反應(yīng)磁場的大小,采用實時的10次求平均值然后逐次替換的方法來處理傳感器實時測量得到的數(shù)據(jù),使數(shù)值顯示更加穩(wěn)定、準(zhǔn)確。當(dāng)測量點變化時系統(tǒng)會需要非常短暫的穩(wěn)定時間。經(jīng)過補償和處理后得到3個磁場分量(設(shè)為Bx,By,Bz)送入LCD進行顯示。當(dāng)傳感器的X、Y傳感軸與地平面平行時,被測磁場方向與地磁北的夾角可直接用式(1)進行計算:Ψ=arctan(By/Bx)(1)式中:Ψ為被測磁場方向與地磁北的夾角;Bx、By分別為X軸方向和Y軸方向所測得的磁場分量。Ψ值可與磁場強度同時在LCD上顯示。系統(tǒng)主程序流程圖如圖7所示。3誤差補償3.1修正的值在水平狀態(tài)下,將傳感器轉(zhuǎn)1周,測出X、Y軸的最大值和最小值,由式(2)、式(3)得到零位誤差:δX=(|Xmax|-|Xmin|)/2(2)δY=(|Ymax|-|Ymin|)/2(3)修正后的值由式(4)、式(5)確定:X輸出=X讀數(shù)-δX(4)Y輸出=Y讀數(shù)-δY(5)3.2基于誤差系數(shù)的補償當(dāng)傳感器X和Y軸方向上靈敏度不一致時,儀器出現(xiàn)靈敏度誤差。根據(jù)式(6)算出誤差系數(shù)K,若以X軸為基準(zhǔn),那么有:X=X讀數(shù),Y=Y讀數(shù)K,通過K對儀器靈敏度誤差進行補償。K=(Xmax-Xmin)/(Ymax-Ymin)(6)4不同x、y、z傳感軸方向的磁場分布知道磁偶極子會在它周圍產(chǎn)生一定的磁場,其產(chǎn)生的磁場強度B?calB?cal與距離的關(guān)系為B?cal=μrμ0MT4π[3(H?0?P?)P?X5?H?0X3](7)B?cal=μrμ0ΜΤ4π[3(Η?0?Ρ?)Ρ?X5-Η?0X3](7)式中:μr為磁介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率;μ0為真空磁導(dǎo)率;MT為磁化強度;H?0Η?0為磁矩方向的二維向量;P?Ρ?為空間某點相對于磁矩方向的三維向量;X為P?Ρ?向量的長度。當(dāng)實驗環(huán)境和磁體確定時μrμ0MT是確定的。B?calB?cal僅由H?0Η?0、P?Ρ?和X來決定。固定好傳感器,使一均勻磁鐵始終沿X傳感軸方向水平移動。記錄磁鐵磁矩方向分別平行于X、Y、Z傳感軸方向時磁場計的示值及X,并減去測得的環(huán)境磁場,對于不同的X和磁矩方向得到3組值。傳感器中心與磁鐵中心的距離在10個不同的X值處時,磁場計示值如圖8(a)、圖8(b)、圖8(c)中離散的點所示。而由式(7)及上述實驗條件,經(jīng)過簡單的推導(dǎo),可得到X與磁場強度理論值Bcal的對應(yīng)關(guān)系。B?calx=2KX3i?(8)B?calx=2ΚX3i?(8)B?caly=?KX3j?(9)B?caly=-ΚX3j?(9)B?calz=?KX3k?(10)B?calz=-ΚX3k?(10)式中:K=μrμ0Mr4πΚ=μrμ0Μr4π;B?calxB?calx、B?calyB?caly、B?calzB?calz分別為磁鐵在X、Y、Z傳感軸方向上產(chǎn)生的磁場強度;負(fù)號僅表示方向。利用MATLAB軟件畫出上面3個函數(shù),得到如圖8(a)、圖8(b)、圖8(c)中所示曲線。可以看到:儀器的測量值基本都在理論值曲線上,證明該儀器測量準(zhǔn)確,性能良好。5手持式三軸磁場檢測與定向儀設(shè)計的手持式三軸磁場檢測與定向儀,采用低功耗、高靈敏度和高飽和度的HMC1043三軸磁場傳感器準(zhǔn)確測量出空間磁場的強度,判斷出磁場的極